專利名稱：奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料表面改性的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種奧氏fl^辦ra電子束輔助等離子體 表面改性方法及設(shè)備。
技術(shù)背景奧氏體不銹鋼作為重要的耐腐蝕材料被廣泛應(yīng)用于各種腐蝕環(huán)境，如化工及食品等 工業(yè)中。但其硬度低，耐磨性差，在要求耐蝕而同時(shí)具有足夠耐磨性能的場(chǎng)合，這種材 料的應(yīng)用就受到很大的限制。等離子體表面改性技術(shù)能顯著提高鋼鐵材料的表面硬度、 耐磨性及抗腐蝕性并且具有反應(yīng)速度快，滲層組織容易控制，無環(huán)境污染，成本低的特 點(diǎn)。目前用于奧氏體不銹鋼表面強(qiáng)化改性技術(shù)主要有三方面離子滲氮、離子注入和離 子鍍硬質(zhì)膜涂層。后兩種方法因視線效應(yīng)和注入深度淺、硬化效果差以及膜與基體結(jié)合 強(qiáng)度問題，實(shí)際應(yīng)用比較困難。因此，離子滲氮成為解決這一難題的最有使用價(jià)值的技術(shù)，但因處理溫度達(dá)到450'C以上時(shí)CrN在滲層中析出，在使不銹鋼材料表面強(qiáng)度的耐磨 性得到改善的同時(shí)又嚴(yán)重降低了原有的耐蝕性能，使不銹鋼材料失去了 "不銹"的本質(zhì) 功能，限制了滲氮在不銹鋼表面強(qiáng)化的應(yīng)用。隨著近年來等離子體和離子束技術(shù)的發(fā)展和成熟，出現(xiàn)了以等離子體浸沒(全方位 等離子體)離子注入(PI3)、微波(ECR)等離子體滲氮、低能大束流離子注入(LEBI)等為 代表，將離子注入與離子滲氮相結(jié)合的新的滲氮技術(shù)，即利用全方位等離子體在較高的 溫度下進(jìn)行氮離子注入(40(TC左右)、低壓等離子體增強(qiáng)、射頻(rf)放電離子滲氮等，以 形成無化合物析出的含氮過飽和亞穩(wěn)奧氏體改性層，在改善耐磨性的同時(shí)，以保持或提 高原有的耐蝕性為目的，這些技術(shù)的原理和特點(diǎn)各有優(yōu)勢(shì)和不足，如基于離子注入原理 發(fā)展起來的等離子體浸沒離子注入(PIII)等雖然克服了離子注入的"視線"效應(yīng)和注入層 淺的困難，但仍然需要在工件上施加負(fù)高壓脈沖，設(shè)備及工藝比較復(fù)雜；而射頻等離子 體滲氮速度非常低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性方法及設(shè)備， 其設(shè)備簡(jiǎn)單，無高壓輻射，節(jié)能，工件表面滲氮速度快，工件偏壓低，工藝易控制。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設(shè)備，主要由真空爐、空心陰極裝置l、
供氣系統(tǒng)ll、測(cè)溫系統(tǒng)13、抽真空系統(tǒng)14、供電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成，空心陰極裝置l 置于真空爐的正上方或側(cè)方，供氣系統(tǒng)11通過進(jìn)氣口 9或陰極空心鉭管16接入真空爐 內(nèi)，測(cè)溫系統(tǒng)13與待處理的工件6連接，抽真空系統(tǒng)14通過排氣口 4與真空爐爐體連 接，冷卻系統(tǒng)與真空爐的進(jìn)水口 8連接；供電系統(tǒng)包括空心陰極裝置1的電源15和偏壓 電源12，電源15與空心陰極裝置1電連接，偏壓電源12與待處理的工件6電連接，真 空爐內(nèi)壁或陽極板3與電源15的陽極連接。上述空心陰極裝置1主要由電源15、陰極空心鉭管16、空心陰極17和輔助陽極18 組成，陰極空心鉅管16與供氣系統(tǒng)11連接，空心陰極17和輔助陽極18分別與電源15 連接。當(dāng)真空度達(dá)到0.1Pa lPa時(shí)，打開電源15，在陰極空心鉅管16和輔助陽極18之 間加300V 700V電壓，產(chǎn)生輝光放電，調(diào)節(jié)電壓使兩負(fù)輝區(qū)迭加而致光強(qiáng)增大的現(xiàn)象， 即空心陰極效應(yīng)(HCE)。空心陰極放電引起陰極之間電子振蕩，增加電子與氣體分子碰撞 幾率，產(chǎn)生更多的激發(fā)和電離，從而加大極間的電流與離子密度，形成一條低能電子束。供氣系統(tǒng)11由氣瓶、干燥器、穩(wěn)壓閥等組成，保證氨氣、氬氣可以連續(xù)均衡地供應(yīng)。 氣體通過進(jìn)氣口 9或者陰極空心鉭管16進(jìn)入真空爐，然后通過排氣口 4排出。抽真空系統(tǒng)14由旋片式機(jī)械泵、擴(kuò)散泵和電阻真空計(jì)等組成，通過抽真空系統(tǒng)對(duì)真 空爐進(jìn)行抽真空，并用電阻真空計(jì)進(jìn)行氣壓測(cè)量。供電系統(tǒng)由空心陰極裝置1的電源15和偏壓電源12組成，空心陰極裝置電源15的 陰極與陰極空心鉭管16連接，其一陽極與其輔助陽極18連接，產(chǎn)生空心陰極放電并為 形成電子束提供能量，其另一陽極與兩側(cè)陽極板3或者真空爐內(nèi)壁連接，使電子束中的 電子均勻分散；偏壓電源12加在工件6上，吸引空間中的正離子等活性物質(zhì)。測(cè)溫系統(tǒng)13由鎧裝熱電偶、絕緣、屏蔽、間隙保護(hù)、防電場(chǎng)干擾等部分組成，可直 接接觸不同形狀的工件帶電測(cè)溫，測(cè)溫誤差小，并且測(cè)量高度與位置均可調(diào)節(jié)，接觸可 靠，不產(chǎn)生放電現(xiàn)象，其用于測(cè)量工件溫度，控制滲氮過程。冷卻系統(tǒng)由水泵、進(jìn)水口 8、冷卻觀察窗IO和出水口 2組成，水泵與進(jìn)水口 8連接， 進(jìn)水口 8、冷卻觀察窗IO和出水口 2置于真空爐體的兩層鋼板之間。奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性方法，包括如下步驟用工業(yè)清洗劑清洗待處理工件6的表面，然后進(jìn)行裝爐，將工件6放置在載物臺(tái)7上；啟動(dòng)抽真空系統(tǒng)14抽氣，使真空爐內(nèi)真空度達(dá)到O.lPa，同時(shí)啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)，由進(jìn) 水口 8進(jìn)水，通過出水口 2排水； '打開電源15，由供氣系統(tǒng)11通過陰極空心鉭管16向空心陰極裝置1內(nèi)通入氬氣，
氣壓控制在0.1Pa lPa，電壓控制在40V 50V，電流控制在30A 250A，使空心陰極裝置 1內(nèi)產(chǎn)生空心陰極放電，形成低壓電子束，在作為陽極的兩側(cè)陽極板3或真空爐內(nèi)壁的 作用下，電子發(fā)生分散，使得真空爐內(nèi)電子濃度均衡；通過進(jìn)氣口 9或陰極空心鉭管16向真空爐內(nèi)充入凈化過的氨氣，調(diào)節(jié)氨氣的流量， 使真空爐內(nèi)的壓強(qiáng)保持在0.1Pa 500Pa，上述電子使NH3發(fā)生分解和電離，產(chǎn)生高密度的 NH/等活性物質(zhì)；打開偏壓電源12,使工件6表面的負(fù)偏壓為50V~4000V，在此負(fù)偏壓的作用下，NH3+等正離子轟擊工件6的表面；根據(jù)工藝要求，真空爐內(nèi)的工作溫度控制在300'C 45(TC,并保溫2 5小時(shí)；將真空爐抽成低真空，關(guān)閉電源，當(dāng)工件6隨真空爐冷卻到200'C時(shí)，將工件6從真空爐內(nèi)取出。本發(fā)明的有益效果是1) 與直流輝光放電離子滲氮相比盡管基體上加的電壓基本相同(約0.8kV)，因?yàn)?真空度相差2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，到達(dá)基體表面的離子能量有很大差別，對(duì)離子氮化來說低于 100eV,而對(duì)低壓弧光放電滲氮約為800eV;工作氣體離化率高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到約10%(直流輝光放電低于0.1%)，本發(fā)明等離子體的產(chǎn)生與基體所加電壓無關(guān)，基體表面不 會(huì)產(chǎn)生弧光放電現(xiàn)象，對(duì)狹縫和小孔同樣可以進(jìn)行處理；2) 與等離子體浸沒離子注入相比本發(fā)明基體所用偏壓低(lkV以下)，與45kV高 壓相比，除電源簡(jiǎn)單、造價(jià)極低外，不會(huì)產(chǎn)生有害射線，也不需要較高的真空度，可以 提供更高的供氮能力即氮?jiǎng)莞?，可以直接用氨氣進(jìn)行滲氮。3) 與微波等離子體源離子滲氮相比氣體離化率相當(dāng)(約10%)，本發(fā)明無微波輻 射，而微波等離子體的產(chǎn)生需借助較強(qiáng)磁場(chǎng)約束，設(shè)備比較復(fù)雜，難于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的空心陰極裝置示意圖。圖中1、空心陰極裝置，2、出水口， 3、陽極板，4、排氣口， 5、絕緣體，6、工 件，7、載物臺(tái)，8、進(jìn)水口， 9、進(jìn)氣口， 10、冷卻觀察窗，11、供氣系統(tǒng)，12、偏壓電 源，13、測(cè)溫系統(tǒng)，14、抽真空系統(tǒng)，15、電源，16、陰極空心鉭管，17、空心陰極，18、輔助陽極。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)地描述-
如圖1和圖2所示，本發(fā)明根據(jù)低壓弧光放電原理，發(fā)揮低壓弧光放電的特點(diǎn)，如低電壓U0 50V)、大電流(30~150A)、電子能量高(10~20eV)，能產(chǎn)生高密度等離子體(約1012Cm—3)，氣體離化率高(約10%)。在空心陰極裝置1內(nèi)產(chǎn)生弧光放電等離子體， 并同時(shí)產(chǎn)生大量的同一方向的能量相同的電子，形成低壓電子束，由于彈性碰撞和非彈性 碰撞，氣體離化產(chǎn)生的電子溫度比較低，因此，本發(fā)明的奧氏體不銹鋼電子束輔助等離 子體表面改性方法及設(shè)備，具有表面氮濃度高、滲速快、工件偏壓低(與輝光離子滲氮相 當(dāng))、設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝易控制的特點(diǎn)。本發(fā)明是將真空爐爐體作為真空室，在真空爐內(nèi)兩側(cè)安裝陽極板3或者把爐內(nèi)壁作 為陽極，載物臺(tái)7加陰極偏壓，空心陰極裝置1在真空爐上方或側(cè)方，通過空心陰極效 應(yīng)產(chǎn)生弧光放電，弧光放電產(chǎn)生大量的電子，在空心陰極裝置1 (即離化室)中產(chǎn)生低 能電子束，并把電子束引入真空爐中，在陽極作用下，電子束中的電子發(fā)生分散，在低 氣壓條件下，電子在電場(chǎng)作用下加速獲得能量，與中性粒子碰撞使之電離，使反應(yīng)氣體 分解、離化，在陰極偏壓作用下，產(chǎn)生的正離子等轟擊工件達(dá)到滲氮效果。本發(fā)明的工 件材料可以是奧氏體不銹鋼、鐵、鋁、鈦及其合金材料。本發(fā)明奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設(shè)備的操作流程具體如下(一) 工件清洗與裝爐用工業(yè)清洗劑清洗工件6的表面，然后進(jìn)行裝爐，將工件6放置在載物臺(tái)7上，通 過絕緣體5使工件6與真空爐體絕緣。(二) 抽真空啟動(dòng)抽真空系統(tǒng)11抽氣，同時(shí)啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)，由進(jìn)水口 8進(jìn)水，通過出水口 2排水， 期間根據(jù)冷卻觀察窗IO觀察水流是否通暢，使真空爐體內(nèi)真空度達(dá)到0. 1Pa。(三) 啟動(dòng)空心陰極裝置打開電源15，供氣系統(tǒng)11通過陰極空心鉭管16向空心陰極裝置1內(nèi)通入氬氣，氣 壓控制在0. 1Pa lPa，其工作參數(shù)如下電壓(40~50V)和電流(30~250A)，使之產(chǎn)生 空心陰極放電，形成低壓電子束，在作為陽極的兩側(cè)陽極板3或者真空爐內(nèi)壁作用下， 低壓電子束的電子發(fā)生分散，保證了真空爐內(nèi)電子濃度的均衡性。(四) 進(jìn)氣供氣系統(tǒng)11通過進(jìn)氣口 9或陰極空心鉭管16向真空爐內(nèi)充入凈化過的氨氣，調(diào)節(jié) 氨氣的流量，使真空爐內(nèi)的壓強(qiáng)保持在0. 1Pa 500Pa的范圍內(nèi)，真空爐內(nèi)的電子使NH3產(chǎn)生分解和電離，產(chǎn)生高密度的wy等活性物質(zhì)。(五) 啟動(dòng)偏壓電源
打開偏壓電源12，使工件6的表面產(chǎn)生負(fù)偏壓50V 4000V，在負(fù)偏壓的作用下，NH:,+ 等正離子轟擊工件6的表面。(六) 保溫階段根據(jù)工藝要求，真空爐內(nèi)的工作溫度控制在30(TC 45(rC,并保溫2 5小時(shí)。(七) 冷卻階段將真空爐抽成低真空，關(guān)閉供電系統(tǒng)的電源，當(dāng)工件6隨真空爐冷卻到20(TC時(shí)， 將工件6從真空爐內(nèi)取出，工件表面改性的過程完畢。
權(quán)利要求
1、奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備主要由真空爐、空心陰極裝置(1)、供氣系統(tǒng)(11)、測(cè)溫系統(tǒng)(13)、抽真空系統(tǒng)(14)、供電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成，空心陰極裝置(1)置于真空爐的正上方或側(cè)方，供氣系統(tǒng)(11)通過進(jìn)氣口(9)接入真空爐內(nèi)，測(cè)溫系統(tǒng)(13)與待處理的工件(6)連接，抽真空系統(tǒng)(14)通過排氣口(4)與真空爐爐體連接，冷卻系統(tǒng)與真空爐的進(jìn)水口(8)連接；供電系統(tǒng)包括空心陰極裝置(1)的電源(15)和偏壓電源(12)，電源(15)與空心陰極裝置(1)電連接，偏壓電源(12)與待處理的工件(6)電連接，真空爐內(nèi)壁或陽極板(3)與電源(15)的陽極連接。
2、 如權(quán)利要求l所述的奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設(shè)備，其特征在 于，所述空心陰極裝置(1)主要由陰極空心鉅管(16)、空心陰極(17)、輔助陽極(18) 和電源(15)組成，陰極空心鉭管(16)與供氣系統(tǒng)(11)連接，空心陰極(17)和輔 助陽極(18)分別與電源(15)連接。
3、 奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性方法，其特征在于，包括如下步驟 用工業(yè)清洗劑清洗待處理工件(6)的表面，然后進(jìn)行裝爐，將工件(6)放置在載物臺(tái)(7)上；啟動(dòng)抽真空系統(tǒng)(14)抽氣，使真空爐內(nèi)真空度達(dá)到0.1Pa，同時(shí)啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)，由 進(jìn)水口 (8)進(jìn)水，通過出水口 (2)排水；打開電源(15)，由供氣系統(tǒng)(11)通過陰極空心鉭管(16)向空心陰極裝置(1) 內(nèi)通入氬氣，氣壓控制在0.1Pa lPa，電壓控制在40V 50V，電流控制在30A 250A，使 空心陰極裝置(1)內(nèi)產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)，形成低壓電子束，在兩側(cè)陽極板(3)的作用 下，電子發(fā)生分散，使得真空爐內(nèi)電子濃度均衡；通過進(jìn)氣口 (9)或陰極空心鉭管(16)向真空爐內(nèi)充入凈化過的氨氣，調(diào)節(jié)氨氣的 流量，使真空爐內(nèi)的壓強(qiáng)保持在0.1Pa 500Pa，上述電子使NH3發(fā)生分解和電離，產(chǎn)生高 密度的NH/等活性物質(zhì)；打開偏壓電源(12)，使工件(6)表面的負(fù)偏壓為50V 4000V,在此負(fù)偏壓的作用 下，NH3+等正離子轟擊工件(6)的表面；根據(jù)工藝要求，真空爐內(nèi)的工作溫度控制在30(rC 45(TC，并保溫2 5小時(shí)；將真空爐抽成低真空，關(guān)閉電源，當(dāng)工件(6)隨真空爐冷卻到200'C時(shí)，將工件(6) 從真空爐內(nèi)取出。全文摘要
本發(fā)明奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性方法及設(shè)備屬于材料表面改性的技術(shù)領(lǐng)域，該設(shè)備包括真空爐、空心陰極裝置、進(jìn)氣系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、測(cè)溫系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。對(duì)工件表面進(jìn)行處理時(shí)，空心陰極裝置內(nèi)產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生低能電子束，電子束被引入真空爐中，在陽極下，電子束的電子發(fā)生分散，使反應(yīng)氣體分解、離化，在陰極偏壓作用下，產(chǎn)生的正離子等轟擊工件達(dá)到滲氮效果。本發(fā)明也適用于鐵、鋁、鈦及其合金材料的表面改性處理。本發(fā)明的有益效果是工件表面滲氮速度快，工件偏壓低，工藝易控制，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低。
文檔編號(hào)C23C8/06GK101158022SQ200710157918
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月31日
發(fā)明者吳雪敏, 孫俊才, 楊 李, 亮 王 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)