本发明涉及离子注入技术领域，尤其涉及一种氮元素注入方法及其改性刀具、模具。
背景技术：
离子注入技术是一种将某种元素的原子进行电离形成正离子，并使其在高压电场中加速，在获得较高的速度后射入固体材料表面的物理过程，主要应用于提高材料性能等方面。比如在金属样品中注入氮元素，而在现有的做法中，需要将氮气通过氮离子注入机的离子源电离成氮离子后再注入至金属样品中，或让施加脉冲负高压的金属样品吸引被电弧电离氮气中的氮离子。这二种氮元素注入方法不仅注入成本很高，若涉及氮离子与金属离子的双离子注入时，还需要在金属离子注入机、氮离子注入机上进行交替注入，或让金属样品施加脉冲负高压的同时让氮气处于电弧电离状态，这样的注入操作也更加复杂。
技术实现要素：
本发明的实施例提供了一种氮元素注入方法及其改性刀具、模具，旨在降低氮元素注入成本，简化氮元素注入过程。
第一方面，本发明实施例提供一种氮元素注入方法，应用于离子注入设备，所述离子注入设备包括金属离子源、真空室和位于所述真空室内的试样架，其包括：
将金属样品放在所述试样架上，以及将预设金属靶材安装在所述金属离子源上；
将所述真空室抽真空至第一预设真空度；
预热所述金属离子源；
向所述真空室通入氮气以调节所述真空室的真空度至第二预设真空度；
设置金属离子注入参数并启动所述离子注入设备以借助所述金属离子源产生的金属离子将所述氮气中的氮元素携带共注入至所述金属样品。
在本发明实施例提供的氮元素注入方法中，在所述将金属样品放在所述试样架上之前，还包括：
使用无水乙醇对所述金属样品进行超声清洗，并将清洗后的金属样品吹干处理。
在本发明实施例提供的氮元素注入方法中，在所述设置金属离子注入参数并启动所述离子注入设备以借助所述金属离子源产生的金属离子将所述氮气中的氮元素携带共注入至所述金属样品之后，还包括：
将所述真空室抽真空至第三预设真空度；
待所述真空室的温度降至室温时，向所述真空室通入空气以使得所述真空室的真空度为标准大气压。
在本发明实施例提供的氮元素注入方法中，所述金属样品包括黑色金属、有色金属和硬质合金。
在本发明实施例提供的氮元素注入方法中，所述硬质合金包括碳化钨基硬质合金、碳化钛基硬质合金、涂层硬质合金或钢基硬质合金。
在本发明实施例提供的氮元素注入方法中，所述第一预设真空度为1.0×10-2pa至2.0×10-2pa，所述第二预设真空度为1×10-1pa。
在本发明实施例提供的氮元素注入方法中，所述金属离子注入参数包括引出电压、抑制电压、电弧电压和引出束流；所述引出电压、抑制电压、电弧电压和引出束流分别为42kv、2.1kv、65v和5.5ma。
在本发明实施例提供的氮元素注入方法中，所述预设金属靶材包括钛金属靶材、铬金属靶材、钇金属靶材或钽金属靶材。
第二方面，本发明实施例还提供一种改性刀具，其包括刀具本体，所述刀具本体包括工作区，所述工作区为通过本发明实施例提供的任意一种氮元素注入方法制作而成的金属样品。
第三方面，本发明实施例还提供一种改性模具，其包括模座和设置在所述模座上的模具本体，所述模具本体上设有模型槽，所述模型槽的内表面为通过本发明实施例提供的任意一种氮元素注入方法制作而成的金属样品。
本发明实施例提供一种氮元素注入方法及其改性刀具、模具。该氮元素注入方法只需要使用金属离子源，无需专门的气体离子源，也无需金属样品施加脉冲负高压且电弧离化氮离子，更无需双离子注入时的交替注入，即可将金属离子以及氮元素共注入至金属样品中，注入的成本较低，而且注入过程比较简单，易操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种氮元素注入方法的流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种改性刀具中刀具本体的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的改性模具的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本申请实施例中氮元素注入方法的流程示意图。该氮元素注入方法应用于离子注入设备。该离子注入设备包括金属离子源、真空室和位于真空室内的试样架等。
如图1所示，该氮元素注入方法包括步骤s101至s105。
s101、将金属样品放在所述试样架上，以及将预设金属靶材安装在所述金属离子源上。
在一实施例中，金属样品可以例如为硬质合金。该硬质合金可以为碳化钨基硬质合金，其中，该碳化钨基硬质合金中碳化钨的含量可以为92％，钴的含量可以为8％。可以理解的是，在其他实施例中，该硬质合金还可以为其他物质形成的合金，比如，该硬质合金还可以为碳化钛基硬质合金、涂层硬质合金、钢基硬质合金或其它硬质合金等，在此不做具体限制。
另外，该金属样品除了为硬质合金外，还可以为其他金属样品，譬如，还可以为黑色金属、有色金属等金属样品，黑色金属比如钢、生铁、铁合金、铸铁等，有色金属比如铜和铝等，该金属样品还可包括其他类型，在此不做具体介绍。
在一实施例中，该预设金属靶材可以例如为钛金属靶材、铬金属靶材、钇金属靶材、钽金属靶材或其它可注入金属靶材等，预设金属靶材可以根据实际需要注入至金属样品中的金属来选定，在此不做具体限制。
在一实施例中，为了避免金属样品进行离子注入过程中引入其他杂质元素，在执行步骤s101之前，需要对金属样品进行表面去污处理。具体地，可以使用无水乙醇对金属样品进行超声清洗，以清除掉金属样品表面的油污等杂质，再将清洗后的金属样品吹干处理。将吹干处理后的金属样品放在试样架上以进行后续操作。
s102、将所述真空室抽真空至第一预设真空度。
在执行完步骤s101的操作后，将真空室进行抽真空处理，并抽真空至真空度为第一预设真空度，从而将真空室内的空气几乎排除干净。在一实施例中，该第一预设真空度为1.0×10-2pa至2.0×10-2pa之间，具体的数值可以根据实际需求进行设置。
s103、预热所述金属离子源。
具体地，在将所述真空室抽真空至第一预设真空度后，开启金属离子源的电源对所述金属离子源进行预设，具体可以预设一定时长，也可以预热到一定温度。
s104、向所述真空室通入氮气以调节所述真空室的真空度至第二预设真空度。
在本实施例中，向真空室通入纯度为99.99％的高纯度氮气，并实时调节真空室的真空度，直至真空室的真空度调整至第二预设真空度，从而为离子注入过程提供良好的氮气氛围。比如，该第二预设真空度可以为1×10-1pa，可以理解的是，该第二预设真空度也可以为其他值。
s105、设置金属离子注入参数并启动所述离子注入设备以借助所述金属离子源产生的金属离子将所述氮气中的氮元素携带共注入至所述金属样品。
在本实施例中，金属离子注入参数包括引出电压、抑制电压、电弧电压和引出束流。其中，该引出电压可以为42kv，抑制电压可以为2.1kv，电弧电压可以为65v，引出束流可以为5.5ma。当然，上述金属离子注入参数中各个参数的具体数值可以根据实际需求进行更改，在此不做具体限制。
在设置完金属离子注入参数后，启动离子注入设备以进行离子注入过程。在离子注入过程中，金属离子源通入电后，将预设金属靶材电离成相应的金属离子，生成的金属离子具有一定动能并进入真空室内的氮气氛围中，由此该金属离子源产生的金属离子将所述氮元素携带共注入至所述金属样品。具体地，具有一定动能的金属离子碰撞氮分子，由此可能会产生相应的氮离子或氮原子，金属离子携带氮气中的氮元素一起注入至金属样品中时，氮元素可能会以氮分子、氮离子和/或氮原子的形式注入该金属样品。
在本实施例中，氮元素的注入深度与共注入金属离子的注入深度基本保持一致。在完成氮气注入的金属样品中，氮元素可以与一同注入的金属离子以及金属样品中的物质化合形成化合物。譬如，当金属样品为碳化钨基硬质合金，预设金属靶材为钽金属靶材时，注入氮元素的碳化钨基硬质合金制中可以形成氮化钨(化学式为wn)、氮化钽(化学式为tan)等化合物。新生成的氮化钨、氮化钽等化合物可以引起表面弥散强化，并且当其位于离子轰击产生的位错线周围时还会起到钉扎位错的作用。另外，氮和钽在碳化钨基硬质合金中形成间隙原子对，这种结构容易缀饰位错，使得碳化钨基硬质合金的表面得到强化，提升了离子注入后碳化钨基硬质合金的硬度。同时，由于生成的氮化钨、氮化钽等化合物的化学性质较稳定，可以填充碳化钨基硬质合金表面的微观空隙，有效防止对内部碳化钨基硬质合金的腐蚀，提高离子注入后的碳化钨基硬质合金的耐腐蚀性，延长使用寿命。
在一实施例中，在完成氮元素的注入后，真空室内的温度往往较高，若此时直接通入空气，打开真空室，空气中的氧气、二氧化碳等物质势必会在金属样品表面形成化合物，以使得金属样品表面受到污染。为了避免上述情况的发生，在执行完步骤s105之后，还需要：将所述真空室抽真空至第三预设真空度；以及，待所述真空室的温度降至室温时，向所述真空室通入空气以使得所述真空室的真空度为标准大气压。其中，该第三预设真空度可以为2×10-2pa以下。将真空室抽真空处理后，等待真空室的温度降至室温(可例如为25℃)后，再向真空室中通入空气，以恢复真空室的真空度至标准大气压，此时可以安全地打开真空室，取出金属样品。
本实施例中的氮元素注入方法，其通过向真空室通入氮气，在启动离子注入设备后，以借助金属离子源产生的金属离子将氮元素携带共注入至金属样品。该氮元素注入方法只需要金属离子源，无需专门的气体离子源，也无需金属样品施加脉冲负高压且电弧离化氮离子，更无需双离子注入时的交替注入，就可以将氮元素和金属离子共注入至金属样品中。该注入方法具有成本低，操作简单等优点。
请参阅图2，图2为本申请一实施例改性刀具中刀具本体的结构示意图。该改性刀具包括刀具本体20，该刀具本体20包括工作区21，该工作区21可以为改性刀具在使用过程中需要与待切割物接触的表面或者区域。在本实施例中，工作区21为通过上述实施例中提供的任意一种氮元素注入方法制作而成的金属样品。
由于前面实施例中已经对氮元素注入方法的过程做了详细地说明，同时也说明了氮元素注入后，金属样品在硬度、耐腐蚀性等性能方面提升的原因，为了说明书的简洁性，在此不再赘述。
需要说明的是，图2所示的刀具本体仅仅是起到示范说明的作用，图2所示的刀具本体的具体形状、结构等不能用于限制本申请中的改性刀具，本申请中的刀具本体的具体形状、结构还可以为其他种。譬如，刀具本体除了图2所示的铣刀外，还可以为麻花钻、铰刀、镗刀、铣刀片、球头铣刀、锯片铣刀、锥度铣刀、阶梯钻、螺旋立铣刀、钻扩成型刀、三面刃、t型铣刀、可转位面铣刀、可转位燕尾铣刀、可转位三面刃、高速钢成型铣刀、左旋钻、球面铣刀、汽车行业专用刀、动员机行业专用刀、缝纫机行业专用刀、模具行业专业刀等等，在此不做一一列举。
本实施例提供的改性刀具，其工作区21为通过本申请中氮元素注入方法制作而成的金属样品，使得整个改性刀具具有硬度高、耐腐蚀性强、使用寿命长等特点。
请参阅图3，图3为本申请实施例中一种改性模具的结构示意图。该改性模具30包括模座31和设置在模座31上的模具本体32。该模具本体32上设有模型槽320。该模型槽320从模具本体32的表面凹下去。该模型槽320内放置待成型物质以形成一定形状的产品。该模型槽320的内表面为通过上述实施例中任意一种氮元素注入方法制作而成的金属样品。
由于前面实施例中已经对氮元素注入方法的过程做了详细地说明，同时也说明了氮元素注入后，金属样品在硬度、耐腐蚀性等性能方面提升的原因，为了说明书的简洁性，在此不再赘述。需要说明的是，图3所示的模具仅仅是起到示范说明的作用，图3所示的模具的具体形状、结构等不能用于限制本申请中的模具，本申请中的模具的具体形状、结构可以根据实际所需进行设计。譬如，该模具30可以为包括以下几类：拉丝模、成型模、冲压模、热固塑料注塑模、薄板冲头冲模、热挤压模、平面墩锻模、电子元件精冲模、火焰筒涨模、塑料挤出热型模、压痕模等等。
本实施例提供的改性模具，其模型槽320的内表面为通过本申请中氮元素注入方法制作而成的金属样品，使得整个改性模具具有硬度高、耐腐蚀性强、使用寿命长等特点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。