用于pbiid批量生產的工件架、裝置及生產方法
【技術領域】
[0001]本申請涉及基于等離子體基離子注入與沉積技術的表面處理領域，特別是涉及一種用于等離子體基離子注入與沉積的批量生產的工件架，用于等離子體基離子注入與沉積批量生產的裝置，以及等離子體基離子注入與沉積的批量生產方法。
【背景技術】
[0002]涂層技術目前已經廣泛的應用于工具、模具、機械防護等工業工程領域，以及手機、手表、照明等日常生活中，體現出巨大的市場價值。隨著涂層材料的發展，涂層的性能越來越強，但與基體材料的差異也越來越大，這就使得涂層與基體之間的結合力受到更加嚴峻的挑戰。等離子體基離子注入與沉積技術(Plasma Based 1n Implantat1n andDeposit1n，縮寫PBIID)結合了離子注入技術產生的注入效應和離子鍍技術可制備較厚涂層的特點，其沉積的涂層與基體之間形成成分的梯度過渡，大大提高了膜基結合力。因此在大載荷應用領域，比如高速重載切削刀具、沖壓模具、承力軸承等方面，獲得了廣泛關注。
[0003]PBIID技術一般使用金屬蒸發弧離子源提供金屬離子，俗稱MeVVA，最早由美國伯克利勞倫茲國家實驗室的1.G.Brown于1982年提出。隨后，發展為脈沖陰極弧金屬等離子體源，由于陰極弧產生大量的電弧熱，形成金屬液滴，因此一般需要磁過濾技術。但是過濾管又造成沉積效率大大降低，“液滴”和效率形成一對不可調和的矛盾。之后也有一些研究者開發基于蒸發鍍膜和磁控濺射放電的金屬離子源，由于常規蒸發鍍膜和磁控濺射技術獲得的均為金屬原子，所以需要增加額外的離化裝置，雖然可以實現一定原子的離化，但是效率不高，同時附加的裝置還會在鍍膜過程中形成“陰影效應”等。隨著磁控濺射技術的發展，1999年V.Kouznetsov等人提出了高功率脈沖磁控濺射技術(縮寫HPPMS)，采用較高的峰值功率將磁控濺射技術的離化率提高到60% -90%，離化率根據靶材料不同而不同，且這個高離化率的粒子束流中不含“液滴”。鑒于其高的金屬材料離化率，本申請的申請人之前提出了基于HPPMS的離子注入與沉積技術，專利申請公開號:CN101838795A，公開日期:2010年09月22日，并將其應用于各種高結合力要求的應用中。
[0004]除了金屬離子以外，氣體離子也是進行PBIID鍍膜主要元素，比如C、N、0、S1、B等，都可以通過氣體電離引入，從而對待處理工件進行等離子體離子注入與沉積。氣體電離的方式多種多樣，比如電感耦合放電、電容耦合放電、微波放電、直流放電、脈沖放電等等，只要可以使氣體電離，都可以用于PBIID技術進行材料表面處理。
[0005]采用PBIID技術進行涂層沉積時，一般需要在工件上施加負高壓，從而使離子加速，進而注入與沉積到工件表面形成鍍層，強烈的離子注入效應和轟擊效應保證了涂層與基體之間較強的結合。
[0006]但是，在其產業化過程中，卻遇到較大的困難。其一，由于目前可研制出的負高壓電源的總輸出功率是有限的，在施加到工件上的電壓值較高時，其可允許的總電流將會大大降低，而其電流又與待處理工件的總表面積呈正比，電流降低生產效率會受到影響；也就是說，由于高壓電源的輸出功率是一定的，在保障負高壓的同時，高壓電源輸出電流是一定的，由于電流與待處理工件的總表面積成正比，這就限制了每批次處理的工件的數量，造成效率難以提高，即每批次處理的工件數量就受到電源總輸出的限制。其二，當工件上施加負高壓后，如果工件兩兩之間的距離較近時，其等離子體鞘層將重疊，影響離子的加速過程，這也會影響每批次加工工件數量。其三，當工件上施加負高壓后，對工件鍍膜的前處理要求很高，不然會出現嚴重的打火，一旦打火，工件鍍膜質量將受到破壞，從而使成品率大大降低。
【發明內容】
[0007]本申請的目的是提供一種改進的，專門用于等離子體基離子注入與沉積的批量生產鍍膜工件的工件架，及采用該工件架的等離子體基離子注入與沉積裝置，以及等離子體基離子注入與沉積批量生產的方法。
[0008]本申請采用了以下技術方案:
[0009]本申請的一方面公開了一種用于等離子體基離子注入與沉積批量生產的工件架，工件架包括用于放置工件的架體，以及罩設于架體外的網狀導電柵，網狀導電柵與架體之間絕緣。
[0010]需要說明的是，本申請的工件架在使用時，等離子體基離子注入與沉積中，原本連接架體的高壓電源不再連接架體，而是連接網狀導電柵，網狀導電柵連接高壓電源后在其內部形成等勢區或近似等勢區，網狀導電柵對離子進行加速，離子加速穿過網狀導電柵的網孔后勻速運動，注入或沉積到置于架體上的工件上。采用本申請的工件架，輸出的總電流取決于網狀導電柵的總表面積，而與批量處理的工件的數量或工件的總表面積無關，因此，在網狀導電柵罩設的范圍內可以處理多件工件，不用擔心工件數量太多而導致輸出電流下降，進而影響生產質量和生產效率。
[0011]并且，也完全避免了工件兩兩之間的距離太近，其等離子體鞘層重疊，影響離子加速過程的問題。此外，采用本申請的工件架，負高壓直接施加于網狀導電柵上，不需要在工件上施加負高電壓，因此，對工件鍍膜的前處理的要求不用太高，不會出現工件打火現象，也杜絕了因工件打火造成的鍍膜質量受損，成品率降低的問題。
[0012]需要補充說明的是，現有技術中，工件打火的原因是，工件表面因前處理不善，存在絕緣區，例如細微的灰塵，在工件連接負高壓時灰塵覆蓋區域就會產生電弧，即打火，影響鍍膜質量，嚴重的甚至對工件造成損壞；采用本申請的工件架，由于負高壓不是直接施加到工件上，而是施加到網狀導電柵上，因此，工件完全沒有打火的風險；而網狀導電柵是長期置于真空室內的，也很少會出現灰塵污染的問題，造成打火。
[0013]還需要說明的是，本申請的工件架，其網狀導電柵的作用是將架體與等離子體源隔開，在網狀導電柵極內部形成一個等勢區或近似等勢區，因此，網狀導電柵罩設于架體夕卜，不一定是完全圍閉的，只要能使待處理工件全部處于等勢區內，使得離子穿過網狀柵極后不返回即可，例如可以是沿著架體水平的圍一圈，圍成類似兩頭開口的圓柱體形，當然也可以是直接將架體完全圍起來，圍成一個球形或半球形；又或者，根據架體的形狀圍成各種不規則的形狀，在此不做具體限定。
[0014]還需要說明的是，本申請的網狀導電柵就是導電材料所制成，即在施加負高壓后能夠在其內部形成等勢區或近似等勢區，具體可以采用不銹鋼、Cu、Al、V、T1、Cr、Mn、N1、Zn、Zr、Nb、Mo、Pd、Ag、Ta、W、Pt、Au、Fe、N1、Co、V、Ru、Rh、Pb、C、稀土等單質或它們的合金，在此不做具體限定。
[0015]還需要說明的是，本申請的網狀導電柵其目的是代替工件施加負高壓對離子進行加速，并在其內部形成等勢區或近似等勢區，離子穿過其網孔繼續勻速前進；至于網孔的大小或形狀，只要能夠保障網狀導電柵施加負高壓后，待處理工件全部處于等勢區或近似等勢區內，并且能夠容許離子穿過網孔即可，網孔的形狀可以是圓形、方形、三角形、多邊形或其它各種不規則形狀，在此不做具體限定。
[0016]優選的，網狀導電柵與架體活動連接，架體轉動時，網狀導電柵可以隨架體轉動或固定不動。
[0017]優選的，網狀導電柵的網孔大小為平均孔徑10
[0018]需要說明的是，網狀導電柵的網孔大小必須滿足兩個條件，第一，網狀導電柵施加負高壓后能使待處理工件全部處于其構成的等勢區或近似等勢區內，并盡量保持離子運動方向，因此，網