專利名稱：一種奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及材料表面改性的技術領域，尤其涉及一種奧氏體不f辯pg電子束輔助等離 子體表面改性設備。
技術背景奧氏體不銹鋼作為重要的耐腐蝕材料被廣泛應用于各種腐蝕環境，如化工及食品等 工業中。但其硬度低，耐磨性差，在要求耐蝕而同時具有足夠耐磨性能的場合，這種材 料的應用就受到很大的限制。等離子體表面改性技術能顯著提高鋼鐵材料的表面硬度、 耐磨性及抗腐蝕性并且具有反應速度快，滲層組織容易控制，無環境污染，成本低的特 點。目前用于奧氏體不銹鋼表面強化改性技術主要有三方面離子滲氮、離子注入和離 子鍍硬質膜涂層。后兩種方法因視線效應和注入深度淺、硬化效果差以及膜與基體結合 強度問題，實際應用比較困難。因此，離子滲氮成為解決這一難題的最有使用價值的技術，但因處理溫度達到45(TC以上時CrN在滲層中析出，在使不銹鋼材料表面強度的耐磨 性得到改善的同時又嚴重降低了原有的耐蝕性能，使不銹鋼材料失去了 "不銹"的本質 功能，限制了滲氮在不銹鋼表面強化的應用。隨著近年來等離子體和離子束技術的發展和成熟，出現了以等離子體浸沒(全方位 等離子體)離子注入(PI3)、微波(ECR)等離子體滲氮、低能大束流離子注入(LEBI)等為 代表，將離子注入與離子滲氮相結合的新的滲氮技術，即利用全方位等離子體在較高的 溫度下進行氮離子注入(40(TC左右)、低壓等離子體增強、射頻(rf)放電離子滲氮等，以 形成無化合物析出的含氮過飽和亞穩奧氏體改性層，在改善耐磨性的同時，以保持或提 高原有的耐蝕性為目的，這些技術的原理和特點各有優勢和不足，如基于離子注入原理 發展起來的等離子體浸沒離子注入(PIII)等雖然克服了離子注入的"視線"效應和注入層 淺的困難，但仍然需要在工件上施加負高壓脈沖，設備及工藝比較復雜；而射頻等離子 體滲氮速度非常低。 實用新型內容本實用新型的目的是提供一種奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設備，其 設備簡單，無高壓輻射，節能，工件表面滲氮速度快，工件偏壓低，工藝易控制。為了達到上述目的，本實用新型的技術方案如下一種奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設備，主要由真空爐、空心陰極裝置l、供氣系統ll、測溫系統13、抽真空系統14、供電系統和冷卻系統組成，空心陰極 裝置1置于真空爐的正上方或側方，供氣系統11通過進氣口 9或陰極空心鉭管16接入 真空爐內，測溫系統B與待處理的工件6連接，抽真空系統14通過排氣口 4與真空爐 爐體連接，冷卻系統與真空爐的進水口 8連接；供電系統包括空心陰極裝置1的電源15 和偏壓電源12，電源15與空心陰極裝置1電連接，偏壓電源12與待處理的工件6電連 接，真空爐內壁或陽極板3與電源15的陽極連接。上述空心陰極裝置1主要由電源15、陰極空心鉅管16、空心陰極17和輔助陽極18 組成，陰極空心鉅管16與供氣系統11連接，空心陰極17和輔助陽極18分別與電源15 連接。當真空度達到0.1Pa lPa時，打開電源15，在陰極空心鉭管16和輔助陽極18之 間加300V 700V電壓，產生輝光放電，調節電壓使兩負輝區迭加而致光強增大的現象， 即空心陰極效應(HCE)。空心陰極放電引起陰極之間電子振蕩，增加電子與氣體分子碰撞 幾率，產生更多的激發和電離，從而加大極間的電流與離子密度，形成一條低能電子束。供氣系統11由氣瓶、干燥器、穩壓閥等組成，保證氨氣、氬氣可以連續均衡地供應。 氣體通過進氣口 9或者陰極空心鉭管16進入真空爐，然后通過排氣口 4排出。抽真空系統14由旋片式機械泵、擴散泵和電阻真空計等組成，通過抽真空系統對真 空爐進行抽真空，并用電阻真空計進行氣壓測量。供電系統由空心陰極裝置1的電源15和偏壓電源12組成，空心陰極裝置電源15的 陰極與陰極空心鉭管16連接，其一陽極與其輔助陽極18連接，產生空心陰極放電并為 形成電子束提供能量，其另一陽極與兩側陽極板3或者真空爐內壁連接，使電子束中的 電子均勻分散；偏壓電源12加在工件6上，吸引空間中的正離子等活性物質。測溫系統13由鎧裝熱電偶、絕緣、屏蔽、間隙保護、防電場干擾等部分組成，可直 接接觸不同形狀的工件帶電測溫，測溫誤差小，并且測量高度與位置均可調節，接觸可 靠，不產生放電現象，其用于測量工件溫度，控制滲氮過程。冷卻系統由水泵、進水口 8、冷卻觀察窗IO和出水口 2組成，水泵與進水口 8連接， 進水口 8、冷卻觀察窗IO和出水口 2置于真空爐體的兩層鋼板之間。 本實用新型的有益效果是1)與直流輝光放電離子滲氮相比盡管基體上加的電壓基本相同(約0.8kV)，因為 真空度相差2~3個數量級，到達基體表面的離子能量有很大差別，對離子氮化來說低于 IOOeV，而對低壓弧光放電滲氮約為800eV;工作氣體離化率高近兩個數量級，達到約10% (直流輝光放電低于0.1%)，本實用新型等離子體的產生與基體所加電壓無關，基體表 面不會產生弧光放電現象，對狹縫和小孔同樣可以進行處理；2) 與等離子體浸沒離子注入相比本實用新型基體所用偏壓低(lkV以下)，與45kV 高壓相比，除電源簡單、造價極低外，不會產生有害射線，也不需要較高的真空度，可 以提供更高的供氮能力即氮勢高，可以直接用氨氣進行滲氮。3) 與微波等離子體源離子滲氮相比氣體離化率相當(約10%)，本實用新型無微波輻射，而微波等離子體的產生需借助較強磁場約束，設備比較復雜，難于實現工業化應用。
圖1是本實用新型奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設備的結構示意圖。圖2是本實用新型的空心陰極裝置示意圖。圖中1、空心陰極裝置，2、出水口， 3、陽極板，4、排氣口， 5、絕緣體，6、工 件，7、載物臺，8、進水口， 9、進氣口， 10、冷卻觀察窗，11、供氣系統，12、偏壓電 源，13、測溫系統，14、抽真空系統，15、電源，16、陰極空心鉭管，17、空心陰極， 18、輔助陽極。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步詳細地描述如圖1和圖2所示，本實用新型根據低壓弧光放電原理，發揮低壓弧光放電的特點，如低電壓(40~50V)、大電流(30~150A)、電子能量高(10 20eV)，能產生高密度等離 子體(約10'2cm—3),氣體離化率高(約10%)。在空心陰極裝置1內產生弧光放電等離子 體，并同時產生大量的同一方向的能量相同的電子，形成低壓電子束，由于彈性碰撞和非 彈性碰撞，氣體離化產生的電子溫度比較低，因此，本實用新型的奧氏體不銹鋼電子束 輔助等離子體表面改性方法及設備，具有表面氮濃度高、滲速快、工件偏壓低(與輝光離 子滲氮相當)、設備簡單、工藝易控制的特點。本實用新型是將真空爐爐體作為真空室，在真空爐內兩側安裝陽極板3或者把爐內 壁作為陽極，載物臺7加陰極偏壓，空心陰極裝置1在真空爐上方或側方，通過空心陰 極效應產生弧光放電，弧光放電產生大量的電子，在空心陰極裝置1 (即離化室)中產 生低能電子束，并把電子束引入真空爐中，在陽極作用下，電子束中的電子發生分散， 在低氣壓條件下，電子在電場作用下加速獲得能量，與中性粒子碰撞使之電離，使反應 氣體分解、離化，在陰極偏壓作用下，產生的正離子等轟擊工件達到滲氮效果。本實用 新型的工件材料可以是奧氏體不銹鋼、鐵、鋁、鈦及其合金材料。本實用新型奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設備的操作流程具體如下 (一)工件清洗與裝爐用工業清洗劑清洗工件6的表面，然后進行裝爐，將工件6放置在載物臺7上，通 過絕緣體5使工件6與真空爐體絕緣。(二) 抽真空啟動抽真空系統11抽氣，同時啟動冷卻系統，由進水口 8進水，通過出水口 2排水， 期間根據冷卻觀察窗IO觀察水流是否通暢，使真空爐體內真空度達到0. 1Pa。(三) 啟動空心陰極裝置打開電源15，供氣系統11通過陰極空心鉭管16向空心陰極裝置1內通入氬氣，氣 壓控制在0. 1Pa lPa，其工作參數如下電壓(40~50V)和電流(30~250A)，使之產生 空心陰極放電，形成低壓電子束，在作為陽極的兩側陽極板3或者真空爐內壁作用下， 低壓電子束的電子發生分散，保證了真空爐內電子濃度的均衡性。(四) 進氣供氣系統11通過進氣口 9或陰極空心鉭管16向真空爐內充入凈化過的氨氣，調節 氨氣的流量，使真空爐內的壓強保持在0. 1Pa 500Pa的范圍內，真空爐內的電子使NH3 產生分解和電離，產生高密度的NH/等活性物質。(五) 啟動偏壓電源打開偏壓電源12，使工件6的表面產生負偏壓50V 4000V，在負偏壓的作用下，NH/ 等正離子轟擊工件6的表面。(六) 保溫階段根據工藝要求，真空爐內的工作溫度控制在30(rC 45(TC，并保溫2 5小時。(七) 冷卻階段將真空爐抽成低真空，關閉供電系統的電源，當工件6隨真空爐冷卻到20(TC時， 將工件6從真空爐內取出，工件表面改性的過程完畢。
權利要求1、一種奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設備，其特征在于，該設備主要由真空爐、空心陰極裝置(1)、供氣系統(11)、測溫系統(13)、抽真空系統(14)、供電系統和冷卻系統組成，空心陰極裝置(1)置于真空爐的正上方或側方，供氣系統(11)通過進氣口(9)接入真空爐內，測溫系統(13)與待處理的工件(6)連接，抽真空系統(14)通過排氣口(4)與真空爐爐體連接，冷卻系統與真空爐的進水口(8)連接；供電系統包括空心陰極裝置(1)的電源(15)和偏壓電源(12)，電源(15)與空心陰極裝置(1)電連接，偏壓電源(12)與待處理的工件(6)電連接，真空爐內壁或陽極板(3)與電源(15)的陽極連接。
2、 如權利要求l所述的一種奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設備，其特 征在于，所述空心陰極裝置(1)主要由陰極空心鉭管(16)、空心陰極(17)、輔助陽極(18)和電源(15)組成，陰極空心鉭管(16)與供氣系統(11)連接，空心陰極(17) 和輔助陽極(18)分別與電源(15)連接。
專利摘要本實用新型一種奧氏體不銹鋼電子束輔助等離子體表面改性設備屬于材料表面改性的技術領域，該設備包括真空爐、空心陰極裝置、進氣系統、抽真空系統、供電系統、測溫系統和冷卻系統。對工件表面進行處理時，空心陰極裝置內產生空心陰極效應，進而產生低能電子束，電子束被引入真空爐中，在陽極下，電子束的電子發生分散，使反應氣體分解、離化，在陰極偏壓作用下，產生的正離子等轟擊工件達到滲氮效果。本實用新型也適用于鐵、鋁、鈦及其合金材料的表面改性處理。本實用新型的有益效果是工件表面滲氮速度快，工件偏壓低，工藝易控制，設備簡單，成本低。
文檔編號C23C8/38GK201106063SQ20072001565
公開日2008年8月27日 申請日期2007年10月31日 優先權日2007年10月31日
發明者吳雪敏, 孫俊才, 楊 李, 亮 王 申請人:大連海事大學