[發(fā)明專利]深孔內(nèi)壁電弧離子鍍膜方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910303933.7
• 申請(qǐng)日: 2009-07-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101597750A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林國(guó)強(qiáng);石昌侖;王文濤;劉琪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C14/32
• 分類號(hào): C23C14/32
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心
• 代理人: 侯明遠(yuǎn)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用電弧離子鍍技術(shù)在具有 深孔結(jié)構(gòu)的模具和管子內(nèi)壁沉積改性薄膜的方法。

背景技術(shù)

材料表面的離子鍍改性薄膜技術(shù)，如在工具、零件表面鍍覆TiN硬質(zhì)薄膜， 早在上世紀(jì)80年代就已成功商用化，并在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。 但是有一個(gè)問(wèn)題也變得越來(lái)越值得重視，就是幾乎所有的報(bào)道都是針對(duì)外表面 的鍍膜研究。而事實(shí)上，在生產(chǎn)實(shí)踐中以內(nèi)表面為工作面的工件也占有很大的 比例，如一些沖壓模具、拉伸模具、發(fā)動(dòng)機(jī)的缸筒、運(yùn)輸管道、各種管狀容器、 離子加速管、槍管與炮筒等，這些工件經(jīng)常因內(nèi)壁磨損、腐蝕等形式遭到破壞。 因此開(kāi)發(fā)在管孔結(jié)構(gòu)工件的內(nèi)壁上沉積耐磨、耐蝕、耐高溫的改性薄膜的工藝 和方法，是離子鍍技術(shù)領(lǐng)域越來(lái)越急需解決的問(wèn)題。

薄膜的內(nèi)孔沉積要比外表面沉積困難得多。在離子鍍中，工件整體浸沒(méi)于 等離子體環(huán)境中，等離子體鞘層圍繞工件的外表面而形成，在負(fù)偏壓電場(chǎng)的作 用下，離子在鞘層中被加速而到達(dá)工件表面，沉積成膜后離子還能從等離子體 中源源不斷地?cái)U(kuò)散過(guò)來(lái)，所以在外表面沉積薄膜的厚度和質(zhì)量都能得到很好的 控制；但對(duì)于深孔內(nèi)壁，尤其是僅一端開(kāi)口的盲孔內(nèi)壁鍍膜，由于受到孔狀結(jié) 構(gòu)的屏蔽作用，等離子體只能通過(guò)僅有的一處開(kāi)口向里擴(kuò)散，隨著離子在成膜 過(guò)程中的不斷消耗，等離子體密度將隨深度不斷下降，決定著越往深處獲得薄 膜將越發(fā)困難。一般來(lái)講，即使使用離化率最高的電弧離子鍍方法，采用與外 表面一樣的常規(guī)工藝，也只能得到與管孔直徑一樣的鍍膜深度，即1∶1的鍍膜 深徑比。最新的研究表明，在電弧離子鍍膜過(guò)程中采用脈沖負(fù)偏壓，可以增加 鍍膜深度到深管直徑的1.4倍^[1]，即得到1.4∶1的鍍膜深徑比。但是僅使用脈 沖偏壓卻無(wú)法取得更深的鍍膜深度，致使那些在生產(chǎn)實(shí)踐中管孔深度比直徑大 于1.4倍的絕大多數(shù)部件和模具都無(wú)法采用這一方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鍍膜從而提高其使 用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]石昌侖，張敏，林國(guó)強(qiáng).，脈沖偏壓對(duì)電弧離子鍍深管內(nèi)壁沉積TiN薄膜的影響.真 空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，27(6)：517-521.

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種用電弧離子鍍工藝在具有深孔結(jié)構(gòu)的工件內(nèi)壁沉 積薄膜，鍍膜深度達(dá)到管孔直徑的2倍以上，即鍍膜深徑比達(dá)到2.0∶1以上的 深孔鍍膜方法。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是，在電弧離子鍍過(guò)程中同時(shí)使用脈沖偏壓與工件周?chē)? 的不均勻磁場(chǎng)，利用電場(chǎng)、磁場(chǎng)與等離子體相輔相成的交互作用，造成等離子 體的中的帶電粒子局部定向流動(dòng)，以及管孔內(nèi)部的等離子體鞘層振蕩以增強(qiáng)等 離子體在管孔中的擴(kuò)散，從而達(dá)到等離子體內(nèi)引后在深處沉積薄膜的目的。其 基本原理為：若在等離子體中放置一個(gè)不均勻磁場(chǎng)，則帶電粒子在磁場(chǎng)的作用 下做垂直于磁力線方向的拉莫爾旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(其旋轉(zhuǎn)半徑為r＝mv/qB)和沿著磁場(chǎng) 梯度方向做的直線運(yùn)動(dòng)(梯度磁場(chǎng)作用力F＝-μdB/dx，其中μ為磁矩)，因此， 當(dāng)合理選擇不均勻磁場(chǎng)的分布、位置和大小時(shí)，就有可能造成等離子體中的帶 電粒子在局部向著某個(gè)方位定向流動(dòng)從而形成帶電粒子的區(qū)域聚集，如果將這 個(gè)定向流動(dòng)區(qū)域恰好選擇在深孔工件的管孔處，則在磁場(chǎng)的作用下等離子體會(huì) 產(chǎn)生一定的內(nèi)引傾向。此外，脈沖偏壓使等離子體鞘層隨偏壓的脈動(dòng)而漲落， 等離子體鞘層的厚度d_s＝[(2ε₀U)/(en_i)]^1/2(其中ε₀為真空介電常數(shù)，U為偏壓 幅值，e為電子電量，n_i為等離子體的密度)隨著偏壓的變化而變化，在偏壓處 于“占”時(shí)，鞘層較厚，離子加速能量大，鍍膜質(zhì)量好，但當(dāng)鞘層過(guò)厚到管孔 半徑的尺度時(shí)，離子會(huì)被鞘層屏蔽在管孔外部而不能進(jìn)入管內(nèi)壁使鍍膜不能進(jìn) 行；在偏壓處于“空”時(shí)，鞘層較薄，離子加速能量小，鍍膜質(zhì)量不好，但此 時(shí)鞘層尺度小不能在管口形成對(duì)離子的屏蔽，離子能夠擴(kuò)散到管孔內(nèi)部的較深 處，當(dāng)有不均勻磁場(chǎng)造成的等離子體定向流動(dòng)時(shí)，這種擴(kuò)散會(huì)更加增強(qiáng)。因此 合理選擇脈沖偏壓的“占”、“空”之比可以兼顧薄膜的離子沉積和向內(nèi)擴(kuò)散兩 個(gè)過(guò)程，當(dāng)同時(shí)有不均勻磁場(chǎng)造成等離子體的局部聚集時(shí)，這種兼顧效果會(huì)更 加明顯。