專利名稱：用寬束n離子對硬質合金刀具表面處理的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種硬質合金刀具表面處理的方法，尤指一種用寬束N 離子離子注入工藝處理硬質合金刀具表面使其表面改性的方法，同時，還 涉及一種該方法使用的裝置。
技術背景-
目前，材料表面改性的方法對于硬質合金刀具來說， 一般采用表面涂 層方法，即化學氣相沉積涂層方法(CVD方法)和物理氣相沉積涂層方法 (PVD方法)。上述表面涂層方法雖可改變硬質合金刀具的表面特性，提高 其使用壽命，但是，上述方法存在兩個方面的不足 一方面，涂層材料與 硬質合金刀具基體材料表面的結合力不夠，容易引起剝離；另一方面，表 面涂層具有一定的厚度，易改變工具的幾何尺寸。 發明內容-
本發明所解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種用 寬束N離子對硬質合金刀具表面處理的方法及裝置，來提高硬質合金刀具 的硬度、抗磨損特性等，達到改善刀具的切割特性，從而可提高硬質合金 刀具的使用壽命。
為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是用寬束氮離子 對硬質合金刀具表面處理的方法，采用離子注入機進行寬束N離子注入對 硬質合金刀具表面進行處理，將前處理過的硬質合金刀具置于靶盤上，加
工面朝上，注入寬束N離子，工件靶臺轉速為5 20轉/分鐘，耙盤轉速為5 20轉/分鐘；N離子能量為40 120KeV，束流為5 20mA，氮氣質量流量3 6Sccm;注入時間為30-60分鐘，注入劑量(1 4) X 10'7cm2，其工藝參 數真空系統真空度為l. 5X10—2pa 4X10—3pa; N離子源的陽極電壓20。 200KV。
所述硬質合金刀具的前處理步驟為1)、清洗將未處理的硬質合金 刀具清洗10 15分鐘；2)、風干將清洗后的硬質合金刀具進行自然風 干；3)、烘干將洗凈風干后的硬質合金刀具于40 5(TC下烘干20 30 分鐘。
上述清洗步驟采用裝有濃度為20-60%丙酮的超聲波清洗機。而現有技 術中的表面涂層的前處理分為凈化處理和粗化處理兩部分，其中凈化處理
有溶濟清洗、堿液清冼、加熱脫脂、噴沙凈化等，常用的粗化方法有噴
沙、電拉毛、機械加工等。而本申請的上述前處理實際上相當于現有技術 中前處理的凈化處理部分，省掉了粗化處理兩部分。
上述處理方法使用的裝置，包括離子注入機，該離子注入機包括真空 室、設有靶盤的工件靶臺，工件靶臺位于真空室中心上方的水平面上，所 述真空室上設有法蘭，法蘭內設有由氮氣轉變成的氮離子源，該真空室下 方設有轉動系統，轉動系統穿過真空室與工件耙臺中心相連接，所述工件 靶臺為圓形，靶盤為圓盤，以環狀均勻分布于耙臺的周邊，工件耙臺及耙 盤隨轉動系統的轉動而轉動。
上述轉動系統包括第一電機、第二電機、以及由第一電機帶動的中空 的第一轉動軸、由第二電機帶動的第二轉動軸、連接件、真空密封件，該 真空密封件與真空室相連接，第一轉動軸間采用連接件相連接，且第一轉
動軸穿過真空密封件及真空室與工件靶臺底部中心相連接；第二轉動軸設 置于第一轉動軸內，且前端穿出工件靶臺中心與齒盤中心相連接，齒盤外 周緣均設有齒條，所述靶盤通過第三轉動軸設于工件靶臺上，該耙盤底座 上設有與齒盤的齒條相嚙合的齒條。
上述法蘭為4個，其中的兩個法蘭垂直對稱設置于真空室的前方，另兩 個法蘭對稱斜設于真空室的后方。上述工件靶臺最好位于真空室中心上方 35mm的水平面上。上述靶盤以環狀均設于工件靶臺的周邊，其尺寸及數量 與離子束的束斑尺寸相關(靶盤尺寸等于或略小于離子束的束斑尺寸，使 束斑能覆蓋整個靶盤，靶盤數量取環狀分布能容納的數量的最大值)，一 般為12個。
通常，離子注入機使用N離子源多應用于半導體加工領域，而且束流 都很窄，在材料改性領域大多使用金屬離子源。本申請中采用寬束N離子 源是離子注入機應用于材料改性領域的一大改進；為了提高加工效率，使 該離子注入機能適應批量加工需要，特別設計了一機四個法蘭以及活動工
件靶臺。
寬束N離子對硬質合金刀具進行表面處理的機理采用寬束N離子材 料改性離子注入機，來對硬質合金刀具進行離子注入表面處理。通過將-一
定劑量和能量的寬束N離子注入到硬質合金刀具表面，N離子束與硬質合
金材料中的原子或分子將發生一系列物理的和化學變化，形成一些氮的化 合物，隨氮離子濃度的不同，形成的氮化物也不同，這些氮化物的生成改
變了基體材料的晶格常數、提高了熱穩定性，入射的N離子逐漸損失能量，
最后停留在材料中，并引起材料表面成份、結構和性能發生變化。
與現有技術相比，本發明的優點是由于該方法采用寬束N離子注入， 使該N離子與硬質合金刀具基體表面發生系列物理和化學變化，提高了材
料表面的硬度、抗磨損特性等，可改善刀具的切割特性，從而提高硬質合
金刀具的使用壽命；由于刀具形成了一個新表面層，它與基體之間不存在 剝落問題；也不會改變工件的幾何尺寸，無需再進行機械加工和熱處理， 且大大減化了該處理方法的步驟，提高了加工效率。
圖1是本發明的表面處理方法所使用裝置的示意圖。 圖2是轉動系統中轉動軸與工件耙臺及耙盤、齒盤的分布圖。 圖3是工件靶臺的靶盤分布示意圖。
具體實施例方式
本發明是采用離子注入機用寬束N離子對硬質合金刀具表面處理。該 離子注入機在原有離子注入機的基礎上進行了改進，采用寬束氮離子源 (束斑直徑120 150mm)，去掉了質量選擇及離子束掃描系統，于真空室 上設置四個法蘭以及活動的工件靶臺，并于真空室下方加設轉動系統，使 工件靶臺及工件靶臺上的耙盤可隨轉動系統的轉動而轉動。
參見圖l-圖3所示，上述離子注入機包括真空室l、設有靶盤21的工件 靶臺2，工件靶臺2位于真空室中心線11上方的水平面上，最好是在離中心 線35mm的水平面上；所述真空室l上設有4個法蘭3，其中的兩個法蘭3垂直 對稱設置于真空室l的前方，另兩個法蘭3對稱斜設于真空室1的后方，該 法蘭的底端插入真空室與真空室相通，法蘭3內設有氮離子源4，該氮離子
源4通過氮氣質量流量閥(圖中未示)與氮氣源(圖中未示)相連接，以 控制注入過程中氮氣的質量流量；該真空室下方設有轉動系統5，轉動系 統5穿過真空室1與工件靶臺2中心相連接，所述工件靶臺2為圓形，靶盤21
為圓盤，以環狀均勻分布于工件靶臺的周邊，便于氮離子的均勻注入，在 本實施例中，該靶盤為12個。
上述轉動系統5包括第一電機51、第二電機52、以及由第一電機51帶 動的中空的第一轉動軸53、由第二電機52帶動的第二轉動軸54、連接件55、 真空密封件56，該真空密封件56與真空室1相連接，第一轉動軸間采用絕 緣的連接件相連接，且第一轉動軸53穿過真空密封件56及真空室1與工件 靶臺底部中心相連接；第二轉動軸54設置于第一轉動軸53內，且前端穿出 工件靶臺2中心與齒盤22底部中心相連接，且工件靶臺2與齒盤22的中心線 在同一線上，齒盤外周緣均設有齒條23，所述靶盤21通過第三轉動軸24 設于工件靶臺2上，該靶盤21的底座211上設有與齒盤的齒條相嚙合的齒條 25。第一轉動軸在第一電機的作用下轉動而帶動工件靶臺轉動，而第二轉 動軸在第二電機的作用下帶動齒盤轉動，由于齒盤上的齒條與靶盤上的齒 條相嚙合，齒盤的轉動帶動靶盤轉動，而可以更好地方便氮離子的均勻注 入。
該離子注入機的其余結構與現有的離子注入機相同，在此不再贅述。 將前處理過的硬質合金刀具置于靶盤上，加工面朝上，注入N離子， 工件靶臺轉速為10轉/分鐘，靶盤轉速為10轉/分鐘；N離子能量為40 120KeV，束流為5 20mA，氮氣質量流量3 6Sccm;注入時間為30-60分鐘， 注入劑量(l 4)X10"/ci^，其工藝參數真空系統真空度為l. 5X10、a 4X10—3pa; N離子源的陽極電壓20。200KV。 上述硬質合金刀具的前處理過程如下 清洗將未處理的硬質合金刀具清洗10 15分鐘； 風干將清洗后的硬質合金刀具進行自然風千； 烘干將洗凈風千后的硬質合金刀具于40 5(TC下烘干20 30分鐘。 上述清洗步驟在本實施例為放入裝有濃度為20-60%丙酮的超聲波清 洗機內清洗，還可采用其他方式。 以WC合金鋼為例，其是工業應用中最為廣泛的工具材料，N離子注 入WC結構和相的X射線衍射分析表明，由于N離子注入使WC的晶面間距 增加，同時形成了 <:0304新的析出相，結果使表面硬度得到了提高。處理 前的WC合金硬度約為2600HV，進行N離子注入處理(N離子能量70KeV; 束流為10mA;注入劑量3X10'7cm2)后，硬度提高到了 3500。3700HV; 抗磨損性也有很大提高，磨損率下降50%，綜合表現為工具的使用壽命大 大延長。
現舉以下實例予以說明
A、 內徑為10腿的鋼拉絲模具(WC-6先Co硬質合金材料)，進行N離子注 入處理，N離子能量70KeV;束流為lOmA;注入劑量3 X 1017/cm2，可加工10ram 合格圓鋼72噸。而在進行一般涂層處理后，僅可加工30噸10mm合格圓鋼。
B、 在汽車變速箱殼體加工中用到的鏜刀刀片，進行N離子注入處理， N離子能量100KeV;束流為10mA，注入劑量3 X 10"/cm2，可加工工件數為 8000個。而經一般涂層處理后，僅可加工3000個工件。
C、 在礦山設備中用到一種10cm合金鉆頭，經一般涂層處理后，在石 灰巖中可掘進1100m。而進行N離子注入處理，N離子能量100KeV;束流為 10mA，注入劑量3X107cm2，在同等條件下的石灰巖中至少可掘進2500m。
以上一般涂層處理皆按一般熱噴涂(涂層)工藝處理。 由此可知，采用離子注入機經寬束氮離子對硬質合金刀具進行表面處
理后，其硬度相對提高；抗磨損性也有很大提高，磨損率下降50%，工具
的使用壽命大大延長。
權利要求
1、用寬束氮離子對硬質合金刀具表面處理的方法，其特征在于采用離子注入機進行寬束N離子注入對硬質合金刀具表面進行處理，將前處理過的硬質合金刀具置于靶盤上，加工面朝上，注入寬束N離子，工件靶臺轉速為5～20轉/分鐘，靶盤轉速為5～20轉/分鐘；N離子能量為40～120KeV，束流為5～20mA，氮氣質量流量3～6Sccm；注入時間為30-60分鐘，注入劑量(1～4)×1017/cm2，其工藝參數真空系統真空度為1.5×10-2pa～4×10-3pa；N離子源的陽極電壓20∽200KV。
2、 根據權利要求1的所述的用寬束氮離子對硬質合金刀具表面處理的方法，其特征在于所述硬質合金刀具的前處理步驟為1) 、清洗將未處理的硬質合金刀具清洗10 15分鐘；2) 、風干將清洗后的硬質合金刀具進行自然風干；3) 、烘干將洗凈風干后的硬質合金刀具于40 5(TC下烘干20 30分鐘。
3、 根據權利要求1的所述的用寬束氮離子對硬質合金刀具表面處理的 方法，其特征在于所述清洗步驟采用裝有濃度為20-60%丙酮的超聲波清 洗機。
4、 一種根據權利要求l所述的方法使用的裝置，包括離子注入機，該 離子注入機包括真空室、設有靶盤的工件靶臺，工件靶臺位于真空室中心上方的水平面上，其特征在于所述真空室上設有法蘭，法蘭的底端插入真空室與真空室相通，法蘭內設有由氮氣轉變成的氮離子源，該真空室下 方設有轉動系統，轉動系統穿過真空室與工件靶臺中心相連接，所述工件 靶臺為圓形，靶盤為圓盤，以環狀均勻分布于靶臺的周邊，工件耙臺及耙 盤隨轉動系統的轉動而轉動。
5、 根據權利要求4所述的裝置，其特征在于所述轉動系統包括第一電機、第二電機、以及由第一電機帶動的中空的第一轉動軸、由第二電機 帶動的第二轉動軸、連接件、真空密封件，該真空密封件與真空室相連接， 第一轉動軸間采用連接件相連接，且第一轉動軸穿過真空密封件及真空室與工件靶臺底部中心相連接；第二轉動軸設置于第一轉動軸內，且前端穿 出工件靶臺中心與齒盤中心相連接，齒盤外周緣均設有齒條，所述靶盤通 過第三轉動軸設于工件靶臺上，該靶盤底座上設有與齒盤的齒條相嚙合的 齒條。
6、 根據權利要求4的所述的裝置，其特征在于所述法蘭為4個，其中的兩個法蘭垂直對稱設置于真空室的前方，另兩個法蘭對稱斜設于真空 室的后方。
7、 根據權利要求4所述的裝置，其特征在于所述工件靶臺位于真空室中心上方35mm的水平面上。
全文摘要
本發明公開了一種用寬束N離子對硬質合金刀具表面處理的方法及其裝置，該方法是采用離子注入機進行寬束N離子注入對硬質合金刀具表面進行處理，將前處理過的硬質合金刀具置于靶盤上，加工面朝上，注入寬束N離子，使該N離子與硬質合金刀具基體表面發生系列物理和化學變化，提高了材料表面的硬度、抗磨損特性等，可改善刀具的切割特性，從而提高硬質合金刀具的使用壽命。
文檔編號C23C14/48GK101177780SQ20061003256
公開日2008年5月14日 申請日期2006年11月10日 優先權日2006年11月10日
發明者楊文彬, 王友良, 王新良 申請人:長沙新光離子技術有限公司