专利名称：金属气体混合离子注入机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属气体混合离子注入机。
背景技术：
常规的表面处理技术，由于需要在高温环境下进行，因此会改变工件的外形尺寸和表面光洁度，使得热处理完后还需要再进行精加工，因而不能达到使用的要求，并且热处理层易发生表面脱皮及剥落现象。
离子注入技术是近年来在国际上发展起来的一种材料表面改性高新技术，其基本原理是用能量为几十到几百keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。与常规表面处理技术相比，其优越性在于由于无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；离子注入后无需再进行机械加工和热处理；离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题。
因此，离子注入机是表面处理行业极度渴望得到的一种设备。本申请人于2004年9月13日提交了名称为“一种金属离子注入机”的发明专利申请，专利申请号200410051332.9，该申请的离子注入机结构简单、造价低廉、操作容易、使用可靠。然而，该离子注入机只能产生一种金属离子，不能满足给工件表面注入复合离子以产生不同功能表面的需要，该机虽然可将氮气通过导管导进真空室以使氮离子注入到工件表面，但是由于氮气不是预先以离子态进入导气室的，因此其效果较差。从而使离子注入机的功能和使用范围受到局限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可将金属和气体离子混合注入到工件表面的、效果好的、使用范围大的金属气体混合离子注入机。
本发明所采用的技术方案是本发明包括金属离子源、金属离子源供电系统、真空室、工件靶台、抽真空系统、冷却系统和控制屏，所述金属离子源设置于所述真空室的上部并与所述真空室相连通，所述工件靶台设置于所述真空室中，所述冷却系统与所述金属离子源相连接，所述控制屏分别与所述金属离子源供电系统、所述真空室、所述抽真空系统、所述冷却系统相连接，本发明还包括气体离子源、供气系统、气体离子源供电系统，所述气体离子源设置于所述真空室的上部并与所述真空室相连通，所述气体离子源、所述供气系统、气体离子源供电系统分别与所述控制屏相连接，所述气体金属离子源与所述气体离子源相互成一定角度。
所述气体离子源包括阴极接线柱、阳极接线柱、灯丝、放电室内筒、放电室外筒、一栅、二栅、阳极靴、阴极靴、磁棒、进气口、绝缘筒、上盖(48)，所述上盖设置在绝缘筒的上部，所述进气口设置在所述上盖上，所述阴极接线柱和所述阳极接线柱分别通过绝缘阴极套和绝缘阳极套设置在所述上盖上，所述阳极靴设置在所述上盖下部，所述灯丝设置于所述阳极靴内且与所述阴极接线柱相连接，所述放电室外筒上下端分别与所述阳极靴和所述阴极靴相连且同心套在所述阳极靴和所述阴极靴的外部，所述放电室内筒同心设置在所述放电室外筒内，所述一栅、所述二栅相间隔分别依次设置在所述阴极靴下方，所述磁棒有若干根固定设置在所述阳极靴和所述阴极靴之间，若干根所述磁棒均匀分布在所述放电室外筒的外围，所述气体离子源供电系统由灯丝电源、弧流电源、正高压电源、抑制电源组成，所述阴极接线柱与所述灯丝电源相连接，所述弧流电源的阳极与所述放电室内筒连接，所述弧流电源的阴极分别与所述放电室外筒、所述一栅、所述正高压电源的阳极、所述灯丝电源相连接，所述抑制电源阴极与所述二栅相连接，所述正高压电源的阴极和所述抑制电源阳极接地。
所述金属离子源包括阴极、阴极支架、触发电极、绝缘阴极套、阳极、阳极支架、放电室、等离子体室、第一栅、第二栅和第三栅，所述触发电极由所述绝缘阴极套隔开设置于所述阴极外周，所述放电室上端与所述阴极支架相连接、下端与所述阳极支架相连接，所述放电室外周均匀设有4～8个成对的磁柱，所述等离子体室上端与所述阳极支架相连接、下端与所述第一栅相连接，所述第一栅、所述第二栅、所述第三栅依次由上至下相隔开设置，所述第一栅与所述第二栅之间的距离为5～10mm，所述第一栅、所述第二栅、所述第三栅的栅板均为2～5mm厚，所述第一栅、所述第二栅、所述第三栅上均设有1300～1800个φ3～5mm的小孔，所述阳极支架与所述等离子体室之间、所述等离子体室外壁设有四个或四个以上N、S极相间排列的磁环；所述离子源供电系统由触发电源、弧压电源、束流引出电源和负压电源组成，所述触发电源的正极与所述触发电极相连，所述触发电源的负极与所述阴极相连，所述弧压电源的正极分别与所述阳极、所述第一栅及所述束流引出电源的正极相连，所述弧压电源的负极与所述阴极相连，所述负压电源的正极分别与所述束流引出电源的负极、所述第三栅及地面相连，所述负压电源的负极与所述第二栅相连，所述弧压电源的特性阻抗为1Ω、脉宽为0.44～0.65ms、频率为5～25Hz。
所述放电室外周均匀设有6个成对的磁柱，所述第一栅与所述第二栅之间的距离为7mm，所述第一栅、所述第二栅、所述第三栅的栅板均为3mm厚，所述第一栅、所述第二栅、所述第三栅上均设有1627个φ4mm的小孔，所述阳极支架与所述等离子体室之间、所述等离子体室外壁设有5个N、S极相间排列的磁环；所述弧压电源的脉宽为0.5ms。
它还包括电机，所述电机采用永磁式直流力矩电动机，所述工件靶台由支柱和靶盘组成，所述电机设置于所述真空室内并分别与所述支柱和所述控制屏相连。
本发明的有益效果是由于本发明包括有金属离子源和气体离子源，能将金属离子和气体离子动态混合注入工件表面，利用表面离子化学反应制备各种功能表面，如金属钛离子与氮离子混合在工件表面形成一层坚硬的氮化钛，避免了单纯的金属离子源只能提供金属离子的不足，兼顾了金属离子与气体离子，从而使离子注入技术的使用范围得到大大扩展。
本发明采用了金属离子蒸汽真空弧离子源通常称为MEVVA，产生的金属离子种类多，只要以导电的固体材料作阴极，元素周期表中从Li到U各元素均可产生强金属离子束，产生的离子束束流强，电荷剥离率高，例如对Ti来讲，能产生Ti+3％、Ti++80％、Ti+++17％，如果引出电压为30kV，就可以引出60keV和90keV能量级的钛离子束，只要采用高纯材料作阴极材料，离子束的纯度就高。
本发明整机结构简单、造价低廉、操作容易、使用可靠，应用本发明加工工件成本低。本发明是一种纯净的无污染无公害的工件表面处理机，可广泛应用于工业生产。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明金属离子源和真空室的结构示意图；图3是本发明气体离子源供电系统与金属离子源的连接示意图；图4是本发明金属离子源供电系统与气体离子源的连接示意图。
具体实施例方式
如图1、图2、图3、图4所示，本发明包括金属离子源1、气体离子源31、金属离子源供电系统、气体离子源供电系统、真空室2、工件靶台3、电机22、抽真空系统4、冷却系统、氮气源25、质量流量阀26和控制屏、供气系统。
所述金属离子源1和气体离子源31设置于所述真空室2的上部并与所述真空室2相连通，所述金属离子源1和气体离子源31分别与垂直方向成24°夹角。
所述气体离子源31包括阴极接线柱32、阳极接线柱35、灯丝38、放电室内筒39、放电室外筒40、一栅41、二栅42、阳极靴43、阴极靴44、磁棒45、进气口46、绝缘筒47、上盖48，所述上盖48设置在绝缘筒47的上部，所述进气口46设置在所述上盖48上，所述阴极接线柱32和所述阳极接线柱35分别通过绝缘阴极套和绝缘阳极套设置在所述上盖48上，所述阳极靴43设置在所述上盖48下部，所述灯丝38设置于所述阳极靴43内且与所述阴极接线柱32相连接，所述放电室外筒40上下端分别与所述阳极靴43和所述阴极靴44相连且同心套在所述阳极靴43和所述阴极靴44的外部，所述放电室内筒39同心设置在所述放电室外筒40内，所述一栅41、所述二栅42相间隔分别依次设置在所述阴极靴44下方，所述磁棒45有4～8个成对设置在所述阳极靴43和所述阴极靴44之间，4～8个所述磁棒45均匀分布在所述放电室外筒40的外围；所述气体离子源供电系统由灯丝电源50、弧流电源51、正高压电源52、抑制电源53组成，所述阴极接线柱32与所述灯丝电源50相连接，所述弧流电源51的阳极与所述放电室内筒39连接，所述弧流电源51的阴极分别与所述放电室外筒40、所述一栅41、所述正高压电源52的阳极、所述灯丝电源50相连接，所述抑制电源53阴极与所述二栅42相连接，所述正高压电源52的阴极和所述抑制电源53阳极接地。
所述金属离子源1设置于所述真空室2的上部并与所述真空室2相连通。所述金属离子源包括阴极5、阴极支架6、触发电极7、绝缘阴极套8、阳极9、阳极支架10、放电室11、等离子体室12、第一栅13、第二栅14和第三栅15，所述触发电极7由所述绝缘阴极套8隔开设置于所述阴极5外周，所述放电室11上端与所述阴极支架6相连接、下端与所述阳极支架10相连接，所述放电室11外周均匀设有4～8个成对的磁柱16，本实施例的所述放电室11外周均匀设有6个成对的磁柱16，所述等离子体室12上端与所述阳极支架10相连接、下端与所述第一栅13相连接，所述第一栅13、所述第二栅14、所述第三栅15依次由上至下相隔开设置，所述第一栅13与所述第二栅14之间的距离为5～10mm，本实施例的第一栅13与第二栅14之间的距离为7mm，所述第一栅13、所述第二栅14、所述第三栅15的栅板均为2～5mm厚，本实施例的第一栅13、第二栅14、第三栅15的栅板均为3mm厚，所述第一栅13、所述第二栅14、所述第三栅15上均设有1300～1800个φ3～5mm的小孔，本实施例的第一栅13、第二栅14、第三栅15上均设有1627个φ4mm的小孔，所述阳极支架10与所述等离子体室12之间、所述等离子体室12外壁设有四个或四个以上N、S极相间排列的磁环17，本实施例的阳极支架10与等离子体室12之间、等离子体室12外壁设有5个N、S极相间排列的磁环17。
所述离子源供电系统与所述控制屏相连接。所述离子源供电系统由触发电源18、弧压电源19、束流引出电源20和负压电源21组成，所述触发电源18的正极与所述触发电极7相连，所述触发电源18的负极与所述阴极5相连，所述弧压电源19的正极分别与所述阳极9、所述第一栅13及所述束流引出电源20的正极相连，所述弧压电源19的负极与所述阴极5相连，所述负压电源21的正极分别与所述束流引出电源20的负极、所述第三栅15及地面相连，所述负压电源21的负极与所述第二栅14相连。所述弧压电源19的特性阻抗为1Ω、脉宽为0.44～0.65ms、频率为5～25Hz之间可调，本实施例的弧压电源19的脉宽为0.5ms。
本发明冷却系统采用纯水冷却，用缠绕在管架上的细长水管将水源、水泵及金属离子源相连接，不易漏电，增强了安全性同时节省能源。
所述工件靶台3设置于所述真空室2中，所述工件靶台由支柱23和靶盘24组成。所述电机22采用永磁式直流力矩电动机，该电机能经常使用在低速状态，放置于真空室2中与所述支柱23直接耦合传动来带动靶盘24转动，省去了齿轮链和真空室上的动密封，提高了可靠性并降低了整机成本，所述电机22与控制屏通过导线相连接。
所述抽真空系统4分别与真空室2和控制屏相连，采用常规的抽真空系统。
本发明还可将离子源与真空室2的上部连接处制作成通用型的接口，即可在原气体源接口处再安装一金属源，两个金属源采用不同的材料作阴极，即可在工件上得到更多种的功能表面，如用钛离子和碳离子混合注入，可得到TiC超硬表面。
权利要求
1.一种金属气体混合离子注入机，包括金属离子源(1)、金属离子源供电系统、真空室(2)、工件靶台(3)、抽真空系统(4)、冷却系统和控制屏，所述金属离子源(1)设置于所述真空室(2)的上部并与所述真空室(2)相连通，所述工件靶台(3)设置于所述真空室(2)中，所述冷却系统与所述金属离子源(1)相连接，所述控制屏分别与所述金属离子源供电系统、所述真空室(2)、所述抽真空系统(4)、所述冷却系统相连接，其特征在于它还包括气体离子源(31)、供气系统、气体离子源供电系统，所述气体离子源(31)设置于所述真空室(2)的上部并与所述真空室(2)相连通，所述气体离子源(31)、所述供气系统、气体离子源供电系统分别与所述控制屏相连接，所述金属离子源(1)与所述气体离子源(31)相互成一定角度。
2.根据权利要求1所述的金属气体混合离子注入机，其特征在于所述气体离子源(31)包括阴极接线柱(32)、阳极接线柱(35)、灯丝(38)、放电室内筒(39)、放电室外筒(40)、一栅(41)、二栅(42)、阳极靴(43)、阴极靴(44)、磁棒(45)、进气口(46)、绝缘筒(47)、上盖(48)，所述上盖(48)设置在绝缘筒(47)的上部，所述进气口(46)设置在所述上盖(48)上，所述阴极接线柱(32)和所述阳极接线柱(35)分别通过绝缘阴极套和绝缘阳极套设置在所述上盖(48)上，所述阳极靴(43)设置在所述上盖(48)下部，所述灯丝(38)设置于所述阳极靴(43)内且与所述阴极接线柱(32)相连接，所述放电室外筒(40)上下端分别与所述阳极靴(43)和所述阴极靴(44)相连且同心套在所述阳极靴(43)和所述阴极靴(44)的外部，所述放电室内筒(39)同心设置在所述放电室外筒(40)内，所述一栅(41)、所述二栅(42)相间隔分别依次设置在所述阴极靴(44)下方，所述磁棒(45)有若干根固定设置在所述阳极靴(43)和所述阴极靴(44)之间，若干根所述磁棒(45)均匀分布在所述放电室外筒(40)的外围，所述气体离子源供电系统由灯丝电源(50)、弧流电源(51)、正高压电源(52)、抑制电源(53)组成，所述阴极接线柱(32)与所述灯丝电源(50)相连接，所述弧流电源(51)的阳极与所述放电室内筒(39)连接，所述弧流电源(51)的阴极分别与所述放电室外筒(40)、所述一栅(41)、所述正高压电源(52)的阳极、所述灯丝电源(50)相连接，所述抑制电源(53)阴极与所述二栅(42)相连接，所述正高压电源(52)的阴极和所述抑制电源(53)阳极接地。
3.根据权利要求1所述的金属气体混合离子注入机，其特征在于所述金属离子源(1)包括阴极(5)、阴极支架(6)、触发电极(7)、绝缘阴极套(8)、阳极(9)、阳极支架(10)、放电室(11)、等离子体室(12)、第一栅(13)、第二栅(14)和第三栅(15)，所述触发电极(7)由所述绝缘阴极套(8)隔开设置于所述阴极(5)外周，所述放电室(11)上端与所述阴极支架(6)相连接、下端与所述阳极支架(10)相连接，所述放电室(11)外周均匀设有4～8个成对的磁柱(16)，所述等离子体室(12)上端与所述阳极支架(10)相连接、下端与所述第一栅(13)相连接，所述第一栅(13)、所述第二栅(14)、所述第三栅(15)依次由上至下相隔开设置，所述第一栅(13)与所述第二栅(14)之间的距离为5～10mm，所述第一栅(13)、所述第二栅(14)、所述第三栅(15)的栅板均为2～5mm厚，所述第一栅(13)、所述第二栅(14)、所述第三栅(15)上均设有1300～1800个φ3～5mm的小孔，所述阳极支架(10)与所述等离子体室(12)之间、所述等离子体室(12)外壁设有四个或四个以上N、S极相间排列的磁环(17)；所述离子源供电系统由触发电源(18)、弧压电源(19)、束流引出电源(20)和负压电源(21)组成，所述触发电源(18)的正极与所述触发电极(7)相连，所述触发电源(18)的负极与所述阴极(5)相连，所述弧压电源(19)的正极分别与所述阳极(9)、所述第一栅(13)及所述束流引出电源(20)的正极相连，所述弧压电源(19)的负极与所述阴极(5)相连，所述负压电源(21)的正极分别与所述束流引出电源(20)的负极、所述第三栅(15)及地面相连，所述负压电源(21)的负极与所述第二栅(14)相连，所述弧压电源(19)的特性阻抗为1Ω、脉宽为0.44～0.65ms、频率为5～25Hz。
4.根据权利要求1所述的金属气体混合离子注入机，其特征在于所述放电室(11)外周均匀设有6个成对的磁柱(16)，所述第一栅(13)与所述第二栅(14)之间的距离为7mm，所述第一栅(13)、所述第二栅(14)、所述第三栅(15)的栅板均为3mm厚，所述第一栅(13)、所述第二栅(14)、所述第三栅(15)上均设有1627个φ4mm的小孔，所述阳极支架(10)与所述等离子体室(12)之间、所述等离子体室(12)外壁设有5个N、S极相间排列的磁环(17)；所述弧压电源(19)的脉宽为0.5ms。
5.根据权利要求1或2所述的金属气体混合离子注入机，其特征在于它还包括电机(22)，所述电机(22)采用永磁式直流力矩电动机，所述工件靶台(3)由支柱(23)和靶盘(24)组成，所述电机(22)设置于所述真空室(2)内并分别与所述支柱(23)和所述控制屏相连。
全文摘要
本发明公开了一种金属气体混合离子注入机，旨在提供一种效果好的、使用范围大的金属气体混合离子注入机。该机包括金属离子源(1)、离子源供电系统、气体离子源(31)、供气系统、气体离子源供电系统、真空室(2)、工件靶台(3)、抽真空系统(4)、冷却系统和控制屏。本发明能将金属离子和气体离子混合注入到工件表面，从而使离子注入技术的使用范围得到大大扩展。
文档编号C23C14/48GK101017761SQ20061012413
公开日2007年8月15日 申请日期2006年12月8日 优先权日2006年12月8日
发明者陶士慧, 马山明, 邵先华, 叶围洲, 蔡恩发, 蔡坚将, 吴观绵, 吴九妹, 蔡秀芳 申请人:珠海市恩博金属表面强化有限公司