CN116875936B - 软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及软基材料表面强化技术领域，尤其是一种软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置及工作方法。该装置包括分别设置在腔室内的左侧、右侧、前侧和后侧的4个弧源，每个所述弧源的后方设置有一个永磁铁装置，每个弧源均与一个弧源电源的负极电连接，弧源电源正极接地；还包括分别设置在腔室内的四角上的4个辅助阳极；每个辅助阳极的后方设置有电磁线圈；每个辅助阳极均通过一个可调节电阻与一个辅阳电源的正极电连接，所述辅阳电源的负极接地。

Description

软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置及工作方法

技术领域

本发明涉及软基材料表面强化技术领域，具体领域为一种软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置及工作方法。

背景技术

高速钢、不锈钢等(软基材料)因其优异的物理和机械特性，如耐腐蚀特性、良好的塑性和光洁度等，在工业生产中具有广泛的应用。然而，高速钢、不锈钢材料的硬度和耐磨性较低，在严苛的服役环境中，内表面会因为高温氧化﹑摩擦和腐蚀等作用产生裂纹，严重影响使用寿命，造成大量的经济损失。面对复杂严苛服役环境时，为了获得更好的综合性能，需要对其进行特定渗氮表面强化处理以提高使用寿命和保障服役安全。

目前，虽然可以通过电镀和化学镀的方法对内表面进行处理，但是由于均匀性差、电镀沉积的材料少、对内表面的形貌有影响以及污染环境等问题，本领域研究人员一直在寻求一种更加优异的技术方案。

在相对较软的金属基材沉积涂层时，实际上相对较软的金属基材无法支撑薄的硬涂层，在高负载下会发生塑性变形导致涂层失效，所引发的“蛋壳效应”会降低涂层表面的承载能力，从而限制其工作性能。而表面渗氮是公认的提高不锈钢硬度和耐磨性的一种经济且有效的处理手段，经过渗氮处理后的不锈钢表面会形成一层具有高硬度的过饱和固溶相，这会大大提升不锈钢表面的硬度和耐磨性，延长了使用寿命。因此需要对软基材料进行特定渗氮表面强化处理，之后再对其进行表面硬质薄膜涂层处理。这种双重表面处理在提高相对较软基材的表面承载能力特别有效。

而在众多渗氮技术中，渗镀一体化大规模工业化生产中常常存在着渗氮不均匀、渗氮相结构无法精准调控、异型基材表面容易出现打火现象、边缘效应、温升效应、渗镀无法一体化、装载量加大产生电子屏蔽效应等问题，从而导致在工业生产中等离子体渗氮无法实现大尺寸和大批量零件稳定生产。

如：CN115261777A公开了一种优化管内壁离子渗氮的装置及方法，该装置采用多弧离子镀等离子体源，属于一种多弧渗氮装置，该类装置无法避免尖端零件的表面打火现象、无法实现等离子密度区域的调节、无法实现工业化大规模的装载量及渗氮的均匀性等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置及工作方法，该装置可实现通过耦合PVD多弧离子源和辅助阳极的磁场分布获得沿轴向分布的可调磁镜比的多级磁场，实现360°侧向可变特性参数的可伸缩环形等离子体，使之实现真正意义上的渗镀一体。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置，包括分别设置在腔室内的左侧、右侧、前侧和后侧的4个弧源，每个所述弧源的后方设置有一个永磁铁装置，每个弧源均与一个弧源电源的负极电连接，所述弧源电源的正极接地；还包括分别设置在腔室内的四角上的4个辅助阳极；每个辅助阳极的后方设置有电磁线圈；每个辅助阳极均通过一个可调节电阻与一个辅阳电源的正极电连接，所述辅阳电源的负极接地。

进一步的，所述的电磁线圈具有可调节性，通过调节和永磁铁装置的磁场进行耦合，实现沿轴向分布的可调磁镜比的多级磁场，实现360°侧向可变特性参数的可伸缩环形等离子体，实现了均匀浸没等离子体渗氮。

进一步的，所述弧源连接的弧源电源可调节电流大小，通过调节弧源电源的电流大小，进而控制弧源发射电子的能力，从而控制等离子的密度来调控被渗软件材料的成分和结构。

进一步的，所述辅助阳极连接的辅阳电源可调节电流大小性，通过调节辅阳电源的电流大小，进而控制辅助阳极吸收弧源发生的电子，从而控制等离子的密度来调控被渗软件材料的成分和结构。

进一步的，腔室中部设有转架。

进一步的，所述转架上装载有被渗件软基材料。

进一步的，弧源电源和辅阳电源可以是脉冲电源也可以是直流电源，电源具有可调节性，弧源的正极和辅助阳极的负极都连接真空腔室，其中真空腔室接地。

进一步的，通过可调节电阻可调节辅助阳极的电流。

进一步的，每个电磁线圈均与一个单独的直流电源电连接。

本发明软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置的工作方法，具体为：

弧源蒸发的大量电子受到腔室中辅助阳极的牵引，并通过调节永磁铁装置和电磁线圈耦合的磁场分布区域，大量电子在电磁场的作用下进行螺旋运动充满腔室进行离化通入的气体原子，使气体原子形成等离子状态注入并扩散装载在转架上的被渗件软基材料的内部进行渗氮；通过可调节电阻调节辅助阳极电流大小，调控吸收电子的能力，保证电子所电离的等离子体区域延伸浸没所渗软基材料，实现精准调控渗氮成分和结构；

或者，通过调节永磁铁装置的位置来耦合电磁线圈的磁场，实现沿腔室周向分布的可调磁镜比的多级磁镜场进行等离子体渗氮工作；

或者，通过调节弧源的电流耦合辅助阳极的电场，实现等离子体密度和能量的调控，进而完成被渗件软基材料的渗氮工作。

本装置的技术原理：弧源产生的大量电子受到腔室中阳极的牵引，并在永磁铁装置和电磁线圈耦合的磁增强装置下进行螺旋运动充满腔室，且离化通入的气体原子，使气体原子形成等离子状态注入并扩散软基材料的内部进行渗氮。

与常规的多弧渗氮装置相比，本装置不仅可通过调节辅阳电磁线圈电流的大小，来控制耦合磁场的分布区域，控制弧源产生的大量电子在电磁场的作用下的运动轨迹，从而控制等离子体密度区域，实现均匀浸没等离子体渗氮，进而精准调控渗氮成分和结构；同时可以避免工业化大规模装载时电子屏蔽效应的产生。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)该装置实现了大面积靶材(直径160mm)弧源结构均匀放电，产生更多的电子，进行离化气体原子。

(2)该装置基于磁镜场扫描和大面积靶弧源结构的多弧离子源技术，通过耦合多弧离子源和辅助阳极的磁场分布获得沿轴向分布的可调磁镜比的多级磁场，实现360°侧向可变特性参数的可伸缩环形等离子体，实现了均匀浸没等离子体渗氮。

(3)该装置可通过调节辅阳电磁线圈电流的大小来控制耦合的磁场分布区域，进而控制等离子体密度和能量，进而精准调控渗氮成分和结构。

(4)该装置可通过调节辅阳电流来控制吸收电子的能力，从而控制等离子体的密度，进而精准调控渗氮成分和结构。

(5)该装置可将电子约束在靶-辅阳的炉体侧面区域，提高了被渗件软基材料周围等离子的密度和能量，同时软基零件进行三维转动，更多离子到达渗区，保证膜层致密度。

(6)该装置在侧面等离子体渗氮，一方面提高了工业生产的装载量，另一方面避免了满载时产生电子屏蔽效应。

附图说明

图1为软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置的结构示意图。

其中，100-腔室；1-弧源；2-永磁铁装置；3-辅助阳极；4-可调节电阻；5-电磁线圈；6-转架；7-弧源电源；8-辅阳电源；9-被渗件软基材料。

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，所描述的实施例仅仅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。

实施例1

如图1所示，一种软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置，包括分别设置在腔室100内的左侧、右侧、前侧和后侧的4个弧源1，弧源1是电子发生源，每个所述弧源1的后方设置有一个永磁铁装置2。

每个弧源1均与一个弧源电源7的负极电连接，其中，所述弧源电源7的正极接地；还包括分别设置在腔室100内的四角上的4个辅助阳极3；每个辅助阳极3的后方设置有电磁线圈5。辅助阳极3作为电子收集器，对弧源1产生的电子有一定的牵引作用；所述电磁线圈5与永磁铁装置2进行磁场的耦合，通过耦合电磁线圈5和永磁铁装置2的磁场分布获得沿轴向分布的可调磁镜比的多级磁场，从而使得弧源1产生的电子在电磁场的作用下进行螺旋运动，到达辅助阳极3被吸收。

每个辅助阳极3均通过一个可调节电阻4与一个辅阳电源8的正极电连接，所述辅阳电源8的负极接地。

位于腔室100左侧的辅阳电源8的正极分别与一个可调节电阻4电连接，两个可调节电阻4分别与位于腔室100左侧的两个辅助阳极3连接，从而与弧源电路形成并联电路；位于腔室100右侧的辅阳电源8的正极分别与一个可调节电阻4电连接，两个可调节电阻4分别与位于腔室100右侧的两个辅助阳极3连接，从而与弧源电路形成并联电路。辅阳电源8具有可调节性。

可调节电阻4可以调节辅助阳极3的电流的大小控制吸收电子的能力，控制等离子体密度，进而精准调控渗氮成分和结构。

腔室100中部设有转架6，转架6上装载有渗氮的基材零件，即被渗件软基材料9，被渗件软基材料9按照一定的方向进行三维的自转和公转运动。

弧源电源7负极连接弧源，正极接地，其弧源电源7具有可调节性，同时腔室100的电位也接地。

每个电磁线圈5均与一个单独的直流电源电连接，其电源具有可调节性。

弧源1蒸发的大量电子受到腔室100中辅助阳极3的牵引，并通过调节永磁铁装置2和电磁线圈5耦合的磁场分布区域，大量电子在电磁场的作用下进行螺旋运动充满腔室进行离化通入的气体原子，使气体原子形成等离子状态注入并扩散装载在转架6上的被渗件软基材料9的内部进行渗氮。通过可调节电阻4调节辅助阳极电流大小，导致吸收电子的能力精准调控，保证电子所电离的等离子体区域延伸浸没所渗软基材料，实现精准调控渗氮成分和结构。

该装置不仅可通过调节电磁线圈电流的大小耦合永磁铁的磁场分布区域，来控制弧源蒸发产生的大量电子在电磁场的作用下的运动轨迹，从而控制等离子体密度区域，实现360°侧向可变特性参数的可伸缩环形等离子体，进而精准调控渗氮成分和结构；同时，可以避免工业化大规模的装载时电子屏蔽效应的产生。

实施例2

与实施例1的区别在于：弧源1产生的大量电子受到腔室100中辅助阳极3的牵引，通过调节永磁铁装置2位置来耦合电磁线圈5的磁场，实现沿腔室周向分布的可调磁镜比的多级磁镜场进行等离子体渗氮工作。

实施例3

与实施例1的区别在于：弧源1产生的大量电子受到腔室100中辅助阳极3的牵引，通过调节弧源1电流耦合辅助阳极的电场，实现等离子体密度和能量的调控，进而完成被渗件软基材料的渗氮工作。

应用实例

316L奥氏体不锈钢热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件，它用于直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶工作过程会导致其性能不稳定、测量精度低、热响应时间延长、热电势率较小、机械强度差、使用寿命短、整体效率低等问题。这些因素严重地制约了奥氏体不锈钢热电偶的发展和推广应用。面对复杂严苛服役环境时，为了获得更好的综合性能，需要对其进行特定渗氮表面强化处理以提高使用寿命和保障服役安全。选用奥氏体不锈钢的热电偶样品(直径20mmX5mm)作为基体材料，基材表面硬度为300HV_0.05，

经过实施例1的软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置进行渗氮处理之后，不锈钢热电偶软基材料的硬度从300HV，提高到了1789HV。同时对渗氮处理之后的不锈钢热电偶软基材料进行AlCrN涂层的制备，发现复合涂层的硬度和结合力(3986HV，100N)是单层涂层(1602HV，40N)的2.5倍左右。

这是因为渗氮层在基材和涂层之间产生硬度梯度，以减少基材和涂层系统的失配，进一步提高复合涂层的性能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置，其特征在于：包括分别设置在腔室(100)内的左侧、右侧、前侧和后侧的4个弧源(1)，每个所述弧源(1)的后方设置有一个永磁铁装置(2)，每个弧源(1)均与一个弧源电源(7)的负极电连接，所述弧源电源(7)的正极接地；还包括分别设置在腔室(100)内的四角上的4个辅助阳极(3)；每个辅助阳极(3)的后方设置有电磁线圈(5)；每个辅助阳极(3)均通过一个可调节电阻(4)与一个辅阳电源(8)的正极电连接，所述辅阳电源(8)的负极接地，所述弧源(1)连接的弧源电源(7)可调节电流大小，所述辅助阳极(3)连接的辅阳电源(8)可调节电流大小。

2.根据权利要求1所述的软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置，其特征在于：所述的电磁线圈(5)具有可调节性，通过调节电磁线圈(5)和永磁铁装置(2)的磁场进行耦合。

3.根据权利要求1所述的软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置，其特征在于：腔室(100)中部设有转架(6)。

4.根据权利要求3所述的软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置，其特征在于：所述转架(6)上放置有被渗件软基材料(9)。

5.根据权利要求4所述的软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置，其特征在于：通过可调节电阻(4)可调节辅助阳极(3)的电流。

6.根据权利要求5所述的软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置，其特征在于：所述弧源电源(7)、辅阳电源(8)以及腔室(100)均接地。

7.根据权利要求6所述的软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置，其特征在于：每个电磁线圈(5)均与一个单独的直流电源电连接。

8.权利要求1-7任一所述软基材料表面高密度等离子体均匀渗氮装置的工作方法，其特征在于：

弧源蒸发的大量电子受到腔室中辅助阳极的牵引，并通过调节永磁铁装置和电磁线圈耦合的磁场分布区域，大量电子在电磁场的作用下进行螺旋运动充满腔室进行离化通入的气体原子，使气体原子形成等离子状态注入并扩散装载在转架上的被渗件软基材料的内部进行渗氮；通过可调节电阻调节辅助阳极电流大小，调控吸收电子的能力，保证电子所电离的等离子体区域延伸浸没所渗软基材料，实现精准调控渗氮成分和结构；

或者，通过调节永磁铁装置的位置来耦合电磁线圈的磁场，实现沿腔室周向分布的可调磁镜比的多级磁镜场进行等离子体渗氮工作；

或者，通过调节弧源的电流耦合辅助阳极的电场，实现等离子体密度和能量的调控，进而完成被渗件软基材料的渗氮工作。