專利名稱：等離子弧光氮化涂層復合設備及氮化涂層連續工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料表面處理及超硬膜涂層技術，具體說是一種等離子弧光氮化 涂層復合設備，及在該設備里對工件連續進行離子氮化和涂層的工藝。
背景技術：
目前離子氮化普遍采用輝光離子氮化工藝。該工藝的主要內容是在100-700Pa的 含氮氣氛中，以爐體為陽極、被處理工件為陰極，在陰陽極間加上數百伏的直流電壓，由于 輝光放電現象便會產生象霓紅燈一樣的柔光覆蓋在被處理工件的表面。此時，已離子化了 的氣體成分被電場加速，撞擊被處理工件表面而使其加熱。同時依靠濺射及離子化作用等 進行氮化處理。在輝光離子氮化工藝中，氮氣的離化率比較低，氮離子的能量小，工件的氮化時間 長，要10-24小時時間，氮化溫度高，要400°C _500°C，真空度低，為100_500Pa，氣氛中含氧
量高，工件表面有輕微氧化變色等問題。目前，在工業生產中，有很多工件需要進行氮化處理后再進行TiN，TiCN, AlTiN等 超硬膜的涂層。由于輝光離子氮化的工件表面有輕微氧化且氮化時間長，這兩個因素決定 了在真空離子鍍超硬模的工藝中采用輝光離子氮化工藝，會影響超硬膜的結合力和涂層質 量，其次，離子氮化和涂層工藝在兩個設備進行，使加工時間大大延長，提高了生產成本。

發明內容
為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種等離子弧光氮化涂層復合設備 及氮化涂層連續工藝。本發明的目的是這樣實現的等離子弧光氮化涂層復合設備是，它包括涂層裝置 (也稱鍍模裝置)，涂層裝置包括真空室和陰極弧光靶，其特征是在真空室的上面設有等 離子弧光氮化裝置，具體是等離子弧光氮化裝置的陰極筒設置在真空室的上面，且與真空 室連通，聚焦磁場線圈設置在陰極筒的外面，氣體混合室的出口和熱絲伸入陰極筒里，陰極 筒有密封上蓋，等離子弧光電源上的轉換開關的陽極和陰極分別接在真空室壁和陰極筒 上，轉換開關的另一陰極接在涂層裝置的陰極弧光靶上。等離子弧光氮化和涂層的工藝是，涂層裝置將工件加熱到200-400°C后，氣體混合 室向真空室內通入氮氣，使真空室內的壓力達到0. 15Pa，當真空室壓力穩定后，熱絲通電， 產生熱電子發射，撞擊陰極筒內的氮氣分子，使氮氣分子產生電離，在陰極筒內形成氮離子 N+。此時開啟等離子弧光電源，在真空室的室壁上和陰極筒之間加一個SO-IOOv的直流電 壓，電壓加載后，由于空間存在著大量的N+，從而在陰極筒和真空室之間產生弧光放電，弧 光放電后，真空室的室壁上和陰極筒之間的直流電壓由80-100V降至20-50V，在真空室的 室壁上和陰極筒之間形成一個等離子區，聚焦磁場線圈通電后在陰極筒內形成一個磁場， 對等離子弧光聚焦。在聚焦磁場和等離子弧光電壓的共同作用下，獲得高能量的N+加速進 入真空室。同時，開啟涂層裝置的偏壓電源，偏壓電源在工件轉臺(含工件)和真空室壁之間加載一個400-700V的直流電壓，在偏壓電場的作用下，真空室的N+以很高的動能入射到 工件的表面，一部分動能較大的N+會入射到工件材料的內部，與材料內部的金屬原子產生 化合，形成硬度較高氮化物。氮化結束后轉入涂層處理。弧光電源切換器將等離子弧光電源4的輸出切換到陰 極弧光靶6上，對工件表面進行TiN，TiCN, AlTiN等超硬膜的涂層。與現有技術相比，本發明的有益效果是等離子弧光氮化和涂層在一個真空室里 連續，大大提高了工件表面處理的效率，且采用等離子弧光氮化，N+會入射到工件材料的內 部，與材料內部的金屬原子產生化合，取得更好的表面質量和更低的氮化溫度，大大降低了 表面處理的成本。


下面結合附圖進一步說明本發明。附圖是等離子弧光氮化涂層復合設備結構示意圖。
具體實施例方式等離子弧光氮化涂層復合設備是涂層裝置的上面設有等離子弧光氮化裝置，涂層 裝置包括陰極弧光靶6、磁控濺射靶7、被處理工件8、工件轉臺9、真空室10、偏壓電源11、 高真空抽氣系統12、加熱器13、熱電偶14和真空度測量裝置15。等離子弧光氮化裝置是，陰極筒18設置在真空室的上面、且與真空室連通，聚焦 磁場線圈17設置在陰極筒的外面，16是聚焦磁場線圈電源，氣體混合室1的出口和熱絲2 通過陰極筒密封上蓋伸入陰極筒里，氣體混合室有兩個入口，一個是氬氣入口，一個是氮氣 入口，3是熱絲電源，等離子弧光電源4上的轉換開關5的陽極和陰極分別接在真空室壁和 陰極筒上，轉換開關的另一陰極接在涂層裝置的陰極弧光靶上。利用高真空系統12和真空測量系統15，對真空室10抽真空至Ix 10_2Pa-5XKT3Pa。 在抽真空的同時啟動加熱器13，熱電偶14，對工件8進行加熱和測溫，將工件溫度加熱到 200-400°C，此時通過氣體混合室1，向真空室內通入N2，使真空室內的壓力達到0. 15Pa，當 真空室壓力穩定后，開啟熱絲電源3，由鎢、鉬、鉭材料構成的熱絲2在通電后產生熱電子發 射，發射的熱電子進入到陰極筒內，撞擊空心陰極筒18內的N2氣體分子，使N2氣體分子產 生電離，在陰極筒內形成N+。此時開啟等離子弧光電源4，等離子弧光源4在在真空室10的 室壁上和陰極筒18之間加一個SO-IOOv的直流電壓，電壓加載后，由于空間存在著大量的 N+離子，滿足氣體弧光放電的條件，從而在陰極筒和真空室之間產生弧光放電，形成弧光放 電后，真空室10的室壁上和陰極筒18之間的直流電壓由80-100V降至20-50V，在真空室 10的室壁上和陰極筒18之間形成一個等離子區，通過聚焦線圈電源16給聚焦線圈17施加 一個直流電流，聚焦線圈17在陰極筒18內形成一個磁場，該磁場對等離子弧光起一個聚焦 作用。在聚焦磁場和等離子弧光電壓的作用下，獲得高能量的N+加速進入真空室10的空間 內。同時，開啟偏壓電源11，偏壓電源在轉臺9和真空室10的室壁之間加載一個400-700V 的直流電壓，轉臺電位為負，在轉臺上放置金屬材料材質的工件8如鉆頭，軸桿，工件8的電 位同轉臺9相等。在偏壓電場的作用下，真空室空間中的N+離子向工件8和轉臺9加速飛 行，并以很高的動能入射到工件8的表面，一部分動能較大的N+會入射到工件材料的內部，與材料內部的金屬原子產生化合，形成硬度較高氮化物。根據氮化要求的厚度確定氮化時間，其氮化速度比一般輝光離子氮化快2-4倍。 氮化結束后，關閉熱絲電源3，關閉等離子電源4，關閉聚焦線圈電源16。氮化結束后，工件的表面已到達硬化效果，然后將工件轉入涂層處理。根據工件的 涂層需要可分別啟動陰極弧光靶6或磁控濺射靶7對工件8表面進行TiN，TiCN, AlTiN等 超硬膜的涂層。在進行超硬膜涂層時，根據陰極弧光靶6或磁控濺射靶7的工藝要求調整 真空室10內的氣體成分及壓力，調整加熱器13的功率，以滿足超硬膜的涂層要求，其中，在 使用磁控濺射靶7對工件8進行涂層時，要通過氣體混合室1通入Ar氣。在只通入Ar氣時，也可以作為加熱源對工件進行加熱或是對工件表面進行離子 清洗。表面清洗和加熱過程如下把導電材料工件8放入真空室10中的轉臺9上面，通過 高真空抽氣系統對真空室10抽真空，當真空度到達lxlO-2Pa或5xlO-3Pa時，通過氣體混 合室1向真空室室內通入Ar氣，控制通入的Ar氣流量和真空室真空度為0. lPa_5Pa，啟動 等離子弧光電源4，熱絲電源3，此時在陰極筒18和真空室10之間產生弧光放電。在轉臺 9和真空室10的壁上加一直流偏壓，電壓控制在700V-100V，轉臺9及工件8相對于真空室 為負電位，真空室中的由弧光源弧光產生的Ar+在負偏壓的作用下向工件表面快速移動，撞 擊工件表面并把動能傳遞給工件，使工件表面溫度升高，從而加熱工件，高能量的Ar+離子 轟擊工件表面時還具有濺射效果，可以把工件表面的污染物，氧化物濺射掉，達到清洗工件 的作用。
權利要求
1.一種等離子弧光氮化涂層復合設備，它包括涂層裝置，涂層裝置包括真空室和陰極 弧光靶，其特征是在真空室的上面設有等離子弧光氮化裝置，具體是等離子弧光氮化裝置 的陰極筒設置在真空室的上面，且與真空室連通，聚焦磁場線圈設置在陰極筒的外面，氣體 混合室的出口和熱絲伸入陰極筒里，陰極筒有密封上蓋，等離子弧光電源上的轉換開關的 陽極和陰極分別接在真空室壁和陰極筒上，轉換開關的另一陰極接在涂層裝置的陰極弧光 靶上。
2.使用權利要求1所述的等離子弧光氮化涂層復合設備進行氮化涂層連續工藝，其特 征是先為真空室里的工件進行等離子弧光氮化；弧光氮化結束后使用弧光電源切換器將 等離子弧光電源的輸出切換到陰極弧光靶上，對工件表面進行涂層。
全文摘要
本發明提供了一種等離子弧光氮化涂層復合設備及氮化涂層連續工藝，所要解決的問題是輝光離子氮化的工件表面有輕微氧化且氮化時間長，會影響超硬膜的結合力和涂層質量，加工時間延長。本發明的要點是等離子弧光氮化裝置的陰極筒設置在真空室的上面，且與真空室連通，聚焦線圈設置在陰極筒的外面，氣體混合室的出口和熱絲伸入陰極筒里，等離子弧光電源上的轉換開關的陽極和陰極分別接在真空室壁和陰極筒上，轉換開關的另一陰極接在涂層裝置的陰極弧光靶上。本發明的效果是氮化涂層連續進行，降低成本。
文檔編號C23C14/54GK102134706SQ20101010110
公開日2011年7月27日 申請日期2010年1月26日 優先權日2010年1月26日
發明者于傳躍, 于寶海, 盛重春, 陳子宇 申請人:沈陽華俄科技發展有限公司, 沈陽金鋒特種刀具有限公司