专利名称：等离子弧光氮化涂层复合设备及氮化涂层连续工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料表面处理及超硬膜涂层技术，具体说是一种等离子弧光氮化 涂层复合设备，及在该设备里对工件连续进行离子氮化和涂层的工艺。
背景技术：
目前离子氮化普遍采用辉光离子氮化工艺。该工艺的主要内容是在100-700Pa的 含氮气氛中，以炉体为阳极、被处理工件为阴极，在阴阳极间加上数百伏的直流电压，由于 辉光放电现象便会产生象霓红灯一样的柔光覆盖在被处理工件的表面。此时，已离子化了 的气体成分被电场加速，撞击被处理工件表面而使其加热。同时依靠溅射及离子化作用等 进行氮化处理。在辉光离子氮化工艺中，氮气的离化率比较低，氮离子的能量小，工件的氮化时间 长，要10-24小时时间，氮化温度高，要400°C _500°C，真空度低，为100_500Pa，气氛中含氧
量高，工件表面有轻微氧化变色等问题。目前，在工业生产中，有很多工件需要进行氮化处理后再进行TiN，TiCN, AlTiN等 超硬膜的涂层。由于辉光离子氮化的工件表面有轻微氧化且氮化时间长，这两个因素决定 了在真空离子镀超硬模的工艺中采用辉光离子氮化工艺，会影响超硬膜的结合力和涂层质 量，其次，离子氮化和涂层工艺在两个设备进行，使加工时间大大延长，提高了生产成本。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种等离子弧光氮化涂层复合设备 及氮化涂层连续工艺。本发明的目的是这样实现的等离子弧光氮化涂层复合设备是，它包括涂层装置 (也称镀模装置)，涂层装置包括真空室和阴极弧光靶，其特征是在真空室的上面设有等 离子弧光氮化装置，具体是等离子弧光氮化装置的阴极筒设置在真空室的上面，且与真空 室连通，聚焦磁场线圈设置在阴极筒的外面，气体混合室的出口和热丝伸入阴极筒里，阴极 筒有密封上盖，等离子弧光电源上的转换开关的阳极和阴极分别接在真空室壁和阴极筒 上，转换开关的另一阴极接在涂层装置的阴极弧光靶上。等离子弧光氮化和涂层的工艺是，涂层装置将工件加热到200-400°C后，气体混合 室向真空室内通入氮气，使真空室内的压力达到0. 15Pa，当真空室压力稳定后，热丝通电， 产生热电子发射，撞击阴极筒内的氮气分子，使氮气分子产生电离，在阴极筒内形成氮离子 N+。此时开启等离子弧光电源，在真空室的室壁上和阴极筒之间加一个SO-IOOv的直流电 压，电压加载后，由于空间存在着大量的N+，从而在阴极筒和真空室之间产生弧光放电，弧 光放电后，真空室的室壁上和阴极筒之间的直流电压由80-100V降至20-50V，在真空室的 室壁上和阴极筒之间形成一个等离子区，聚焦磁场线圈通电后在阴极筒内形成一个磁场， 对等离子弧光聚焦。在聚焦磁场和等离子弧光电压的共同作用下，获得高能量的N+加速进 入真空室。同时，开启涂层装置的偏压电源，偏压电源在工件转台(含工件)和真空室壁之间加载一个400-700V的直流电压，在偏压电场的作用下，真空室的N+以很高的动能入射到 工件的表面，一部分动能较大的N+会入射到工件材料的内部，与材料内部的金属原子产生 化合，形成硬度较高氮化物。氮化结束后转入涂层处理。弧光电源切换器将等离子弧光电源4的输出切换到阴 极弧光靶6上，对工件表面进行TiN，TiCN, AlTiN等超硬膜的涂层。与现有技术相比，本发明的有益效果是等离子弧光氮化和涂层在一个真空室里 连续，大大提高了工件表面处理的效率，且采用等离子弧光氮化，N+会入射到工件材料的内 部，与材料内部的金属原子产生化合，取得更好的表面质量和更低的氮化温度，大大降低了 表面处理的成本。
下面结合附图进一步说明本发明。附图是等离子弧光氮化涂层复合设备结构示意图。
具体实施例方式等离子弧光氮化涂层复合设备是涂层装置的上面设有等离子弧光氮化装置，涂层 装置包括阴极弧光靶6、磁控溅射靶7、被处理工件8、工件转台9、真空室10、偏压电源11、 高真空抽气系统12、加热器13、热电偶14和真空度测量装置15。等离子弧光氮化装置是，阴极筒18设置在真空室的上面、且与真空室连通，聚焦 磁场线圈17设置在阴极筒的外面，16是聚焦磁场线圈电源，气体混合室1的出口和热丝2 通过阴极筒密封上盖伸入阴极筒里，气体混合室有两个入口，一个是氩气入口，一个是氮气 入口，3是热丝电源，等离子弧光电源4上的转换开关5的阳极和阴极分别接在真空室壁和 阴极筒上，转换开关的另一阴极接在涂层装置的阴极弧光靶上。利用高真空系统12和真空测量系统15，对真空室10抽真空至Ix 10_2Pa-5XKT3Pa。 在抽真空的同时启动加热器13，热电偶14，对工件8进行加热和测温，将工件温度加热到 200-400°C，此时通过气体混合室1，向真空室内通入N2，使真空室内的压力达到0. 15Pa，当 真空室压力稳定后，开启热丝电源3，由钨、钼、钽材料构成的热丝2在通电后产生热电子发 射，发射的热电子进入到阴极筒内，撞击空心阴极筒18内的N2气体分子，使N2气体分子产 生电离，在阴极筒内形成N+。此时开启等离子弧光电源4，等离子弧光源4在在真空室10的 室壁上和阴极筒18之间加一个SO-IOOv的直流电压，电压加载后，由于空间存在着大量的 N+离子，满足气体弧光放电的条件，从而在阴极筒和真空室之间产生弧光放电，形成弧光放 电后，真空室10的室壁上和阴极筒18之间的直流电压由80-100V降至20-50V，在真空室 10的室壁上和阴极筒18之间形成一个等离子区，通过聚焦线圈电源16给聚焦线圈17施加 一个直流电流，聚焦线圈17在阴极筒18内形成一个磁场，该磁场对等离子弧光起一个聚焦 作用。在聚焦磁场和等离子弧光电压的作用下，获得高能量的N+加速进入真空室10的空间 内。同时，开启偏压电源11，偏压电源在转台9和真空室10的室壁之间加载一个400-700V 的直流电压，转台电位为负，在转台上放置金属材料材质的工件8如钻头，轴杆，工件8的电 位同转台9相等。在偏压电场的作用下，真空室空间中的N+离子向工件8和转台9加速飞 行，并以很高的动能入射到工件8的表面，一部分动能较大的N+会入射到工件材料的内部，与材料内部的金属原子产生化合，形成硬度较高氮化物。根据氮化要求的厚度确定氮化时间，其氮化速度比一般辉光离子氮化快2-4倍。 氮化结束后，关闭热丝电源3，关闭等离子电源4，关闭聚焦线圈电源16。氮化结束后，工件的表面已到达硬化效果，然后将工件转入涂层处理。根据工件的 涂层需要可分别启动阴极弧光靶6或磁控溅射靶7对工件8表面进行TiN，TiCN, AlTiN等 超硬膜的涂层。在进行超硬膜涂层时，根据阴极弧光靶6或磁控溅射靶7的工艺要求调整 真空室10内的气体成分及压力，调整加热器13的功率，以满足超硬膜的涂层要求，其中，在 使用磁控溅射靶7对工件8进行涂层时，要通过气体混合室1通入Ar气。在只通入Ar气时，也可以作为加热源对工件进行加热或是对工件表面进行离子 清洗。表面清洗和加热过程如下把导电材料工件8放入真空室10中的转台9上面，通过 高真空抽气系统对真空室10抽真空，当真空度到达lxlO-2Pa或5xlO-3Pa时，通过气体混 合室1向真空室室内通入Ar气，控制通入的Ar气流量和真空室真空度为0. lPa_5Pa，启动 等离子弧光电源4，热丝电源3，此时在阴极筒18和真空室10之间产生弧光放电。在转台 9和真空室10的壁上加一直流偏压，电压控制在700V-100V，转台9及工件8相对于真空室 为负电位，真空室中的由弧光源弧光产生的Ar+在负偏压的作用下向工件表面快速移动，撞 击工件表面并把动能传递给工件，使工件表面温度升高，从而加热工件，高能量的Ar+离子 轰击工件表面时还具有溅射效果，可以把工件表面的污染物，氧化物溅射掉，达到清洗工件 的作用。
权利要求
1.一种等离子弧光氮化涂层复合设备，它包括涂层装置，涂层装置包括真空室和阴极 弧光靶，其特征是在真空室的上面设有等离子弧光氮化装置，具体是等离子弧光氮化装置 的阴极筒设置在真空室的上面，且与真空室连通，聚焦磁场线圈设置在阴极筒的外面，气体 混合室的出口和热丝伸入阴极筒里，阴极筒有密封上盖，等离子弧光电源上的转换开关的 阳极和阴极分别接在真空室壁和阴极筒上，转换开关的另一阴极接在涂层装置的阴极弧光 靶上。
2.使用权利要求1所述的等离子弧光氮化涂层复合设备进行氮化涂层连续工艺，其特 征是先为真空室里的工件进行等离子弧光氮化；弧光氮化结束后使用弧光电源切换器将 等离子弧光电源的输出切换到阴极弧光靶上，对工件表面进行涂层。
全文摘要
本发明提供了一种等离子弧光氮化涂层复合设备及氮化涂层连续工艺，所要解决的问题是辉光离子氮化的工件表面有轻微氧化且氮化时间长，会影响超硬膜的结合力和涂层质量，加工时间延长。本发明的要点是等离子弧光氮化装置的阴极筒设置在真空室的上面，且与真空室连通，聚焦线圈设置在阴极筒的外面，气体混合室的出口和热丝伸入阴极筒里，等离子弧光电源上的转换开关的阳极和阴极分别接在真空室壁和阴极筒上，转换开关的另一阴极接在涂层装置的阴极弧光靶上。本发明的效果是氮化涂层连续进行，降低成本。
文档编号C23C14/54GK102134706SQ20101010110
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者于传跃, 于宝海, 盛重春, 陈子宇 申请人:沈阳华俄科技发展有限公司, 沈阳金锋特种刀具有限公司