金屬離子注入機制造技術

本發明專利技術公開了一種金屬離子注入機，旨在提供一種離子束流強、束流引出電壓低、注入面積大、注入時間短、工件加工成本低的金屬離子注入機。該機的金屬離子源（１）包括陰極（５）、陰極支架（６）、觸發電極（７）、絕緣陰極套（８）、陽極（９）、陽極支架（１０）、放電室（１１）、等離子體室（１２）、第一柵（１３）、第二柵（１４）和第三柵（１５），第一柵（１３）與第二柵（１４）之間的距離為５～１０ｍｍ，三個柵板均為２～５ｍｍ厚，其上均設有１３００～１８００個φ３～５ｍｍ的小孔，本機的弧壓電源（１９）的特性阻抗為１Ω、脈寬為０．４４～０．６５ｍｓ，頻率為５～２５Ｈｚ。本發明專利技術用于生產領域。（*該技術在2024年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種金屬離子注入機。
技術介紹
常規的表面處理技術，由于需要在高溫環境下進行，因此會改變工件的外形尺寸和表面光潔度，使得熱處理完后還需要再進行精加工，因而不能達到使用的要求，并且熱處理層易發生表面脫皮及剝落現象。離子注入技術是近年來在國際上發展起來的一種材料表面改性高新技術，其基本原理是用能量為幾十到幾百keV量級的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發生一系列物理的和化學的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結構和性能發生變化，從而優化材料表面性能，或獲得某些新的優異性能。與常規表面處理技術相比，其優越性在于由于無需在高溫環境下進行，因而不會改變工件的外形尺寸和表面光潔度；離子注入后無需再進行機械加工和熱處理；離子注入層由離子束與基體表面發生一系列物理和化學相互作用而形成的一個新表面層，它與基體之間不存在剝落問題。目前國際上已有應用該技術對工件進行表面處理的離子注入機，但是，現有的應用于工業上的離子注入機，其離子束流較弱，束流引出電壓較高，注入面積小，注入時間較長，如美國的Z-100和Z-200型注入機，其注入面積為250cm2，我國核工業西南物理研究院的GLZ-100金屬用工業離子注入機，其注入面積為300cm2，它們的注入時間為90分鐘到2個小時，束流引出電壓都大于50kv，所以造成工件加工成本過高。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種離子束流強、束流引出電壓低、注入面積大、注入時間短、工件加工成本低的金屬離子注入機。本專利技術所采用的技術方案是本專利技術包括金屬離子源、離子源供電系統、真空室、工件靶臺、抽真空系統、冷卻系統和控制屏，所述金屬離子源設置于所述真空室的上部并與所述真空室相連通，所述工件靶臺設置于所述真空室中，所述冷卻系統與所述金屬離子源相連接，所述控制屏分別與所述離子源供電系統、所述真空室、所述抽真空系統、所述冷卻系統相連接，所述金屬離子源包括陰極、陰極支架、觸發電極、絕緣陰極套、陽極、陽極支架、放電室、等離子體室、第一柵、第二柵和第三柵，所述觸發電極由所述絕緣陰極套隔開設置于所述陰極外周，所述放電室上端與所述陰極支架相連接、下端與所述陽極支架相連接，所述放電室外周均勻設有4～8個成對的磁柱，所述等離子體室上端與所述陽極支架相連接、下端與所述第一柵相連接，所述第一柵、所述第二柵、所述第三柵依次由上至下相隔開設置，所述第一柵與所述第二柵之間的距離為5～10mm，所述第一柵、所述第二柵、所述第三柵的柵板均為2～5mm厚，所述第一柵、所述第二柵、所述第三柵上均設有1300～1800個φ3～5mm的小孔，所述陽極支架與所述等離子體室之間、所述等離子體室外壁設有四個或四個以上N、S極相間排列的磁環；所述離子源供電系統由觸發電源、弧壓電源、束流引出電源和負壓電源組成，所述觸發電源的正極與所述觸發電極相連，所述觸發電源的負極與所述陰極相連，所述弧壓電源的正極分別與所述陽極、所述第一柵及所述束流引出電源的正極相連，所述弧壓電源的負極與所述陰極相連，所述負壓電源的正極分別與所述束流引出電源的負極、所述第三柵及地面相連，所述負壓電源的負極與所述第二柵相連，所述弧壓電源的特性阻抗為1Ω、脈寬為0.44～0.65ms、頻率為5～25Hz。所述放電室外周均勻設有6個成對的磁柱，所述第一柵與所述第二柵之間的距離為7mm，所述第一柵、所述第二柵、所述第三柵的柵板均為3mm厚，所述第一柵、所述第二柵、所述第三柵上均設有1627個φ4mm的小孔，所述陽極支架與所述等離子體室之間、所述等離子體室外壁設有5個N、S極相間排列的磁環；所述弧壓電源的脈寬為0.5ms。本專利技術還包括電機，所述電機采用永磁式直流力矩電動機，所述工件靶臺由支柱和靶盤組成，所述靶盤設置于所述支柱上端并可相對所述支柱傾斜，所述電機設置于所述真空室內并分別與所述支柱和所述控制屏相連。本專利技術還包括氮氣源和質量流量閥，所述質量流量閥分別通過導管與所述氮氣源和所述真空室相連通，所述質量流量閥與所述控制屏相連。本專利技術的有益效果是本專利技術采用了金屬離子蒸汽真空弧離子源(通常稱為MEVVA)，產生的金屬離子種類多，只要以導電的固體材料作陰極，元素周期表中從Li到U各元素均可產生強金屬離子束，產生的離子束束流強，電荷剝離率高，例如對Ti來講，能產生Ti+(3％)、Ti++(80％)、Ti+++(17％)，如果引出電壓為30kv，就可以引出60keV和90keV能量級的鈦離子束，只要采用高純材料作陰極材料，離子束的純度就高。由于本專利技術的第一柵與第二柵的距離近(為5～10mm)，第一柵、第二柵、第三柵均較薄(為2～5mm厚)，第一柵、第二柵、第三柵上均設有小而多的引出孔(1300～1800個φ2～5mm的小孔)，因此在引出電壓低于20kv甚至在10kv也能引出足夠大的束流，本專利技術注入靶上的平均鈦離子束流大于5mA，通過機械掃描，其注入面積達到1810cm2；由于本專利技術是脈沖形式工作，其弧壓電源的特性阻抗為1Ω、脈寬為0.44～0.65ms，頻率為5～25Hz，在此特定機制下進行離子注入，注入時間短，注入溫度低(低于100℃)，絕對保證被注入工件不會發生任何變形；由于本專利技術在放電室外周均勻設有4～8個成對的磁柱，所以提高了離子流和弧流之比，即在同樣的弧流下可引出的離子束流較大；由于本專利技術在陽極支架與等離子體室之間、等離子體室外壁設有若干N、S極相間排列四個或四個以上的磁環，所以能形成的離子束均勻度好，提高了工件的處理質量；由于本專利技術設有與工件靶臺相耦合傳動的永磁式直流力矩電動機，所以省去了齒輪鏈和真空室上的動密封，提高了可靠性并降低了整機成本；由于本專利技術還設有氮氣源和質量流量閥，所以可采用金屬離子與氮氣的混合束注入，省去了分析磁鐵及其供電電源；綜上多種因素，使整機結構簡單、造價低廉、操作容易、使用可靠，應用本專利技術加工工件成本低。本專利技術是一種純凈的無污染無公害的工件表面處理機，可廣泛應用于工業生產。附圖說明圖1是本專利技術的結構示意圖；圖2是本專利技術金屬離子源和真空室的結構示意圖；圖3是本專利技術離子源供電系統與金屬離子源的連接示意圖。具體實施例方式如圖1、圖2所示，本專利技術包括金屬離子源1、離子源供電系統、真空室2、工件靶臺3、電機22、抽真空系統4、冷卻系統、氮氣源25、質量流量閥26和控制屏。所述金屬離子源1設置于所述真空室2的上部并與所述真空室2相連通。所述金屬離子源包括陰極5、陰極支架6、觸發電極7、絕緣陰極套8、陽極9、陽極支架10、放電室11、等離子體室12、第一柵13、第二柵14和第三柵15，所述觸發電極7由所述絕緣陰極套8隔開設置于所述陰極5外周，所述放電室11上端與所述陰極支架6相連接、下端與所述陽極支架10相連接，所述放電室11外周均勻設有4～8個成對的磁柱16，本實施例的所述放電室11外周均勻設有6個成對的磁柱16，所述等離子體室12上端與所述陽極支架10相連接、下端與所述第一柵13相連接，所述第一柵13、所述第二柵14、所述第三柵15依次由上至下相隔開設置，所述第一柵13與所述第二柵14之間的距離為5～10mm，本實施例的第一柵13與第二柵14之間的距離為7mm，所本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種金屬離子注入機，包括金屬離子源（１）、離子源供電系統、真空室（２）、工件靶臺（３）、抽真空系統（４）、冷卻系統和控制屏，所述金屬離子源（１）設置于所述真空室（２）的上部并與所述真空室（２）相連通，所述工件靶臺（３）設置于所述真空室（２）中，所述冷卻系統與所述金屬離子源（１）相連接，所述控制屏分別與所述離子源供電系統、所述真空室（２）、所述抽真空系統（４）、所述冷卻系統相連接，其特征在于：所述金屬離子源（１）包括陰極（５）、陰極支架（６）、觸發電極（７）、絕緣陰極套（８）、陽極（９）、陽極支架（１０）、放電室（１１）、等離子體室（１２）、第一柵（１３）、第二柵（１４）和第三柵（１５），所述觸發電極（７）由所述絕緣陰極套（８）隔開設置于所述陰極（５）外周，所述放電室（１１）上端與所述陰極支架（６）相連接、下端與所述陽極支架（１０）相連接，所述放電室（１１）外周均勻設有４～８個成對的磁柱（１６），所述等離子體室（１２）上端與所述陽極支架（１０）相連接、下端與所述第一柵（１３）相連接，所述第一柵（１３）、所述第二柵（１４）、所述第三柵（１５）依次由上至下相隔開設置，所述第一柵（１３）與所述第二柵（１４）之間的距離為５～１０ｍｍ，所述第一柵（１３）、所述第二柵（１４）、所述第三柵（１５）的柵板均為２～５ｍｍ厚，所述第一柵（１３）、所述第二柵（１４）、所述第三柵（１５）上均設有１３００～１８００個φ３～５ｍｍ的小孔，所述陽極支架（１０）與所述等離子體室（１２）之間、所述等離子體室（１２）外壁設有四個或四個以上Ｎ、Ｓ極相間排列的磁環（１７）；所述離子源供電系統由觸發電源（１８）、弧壓電源（１９）、束流引出電源（２０）和負壓電源（２１）組成，所述觸發電源（１８）的正極與所述觸發電極（７）相連，所述觸發電源（１８）的負極與所述陰極（５）相連，所述弧壓電源（１９）的正極分別與所述陽極（８）、所述第一柵（１３）及所述束流引出電源（２０）的正極相連，所述弧壓電源（１９）的負極與所述陰極（５）相連，所述負壓電源（２１）的正極分別與所述束流引出電源（２０）的負極、所述第三柵（１５）及地面相連，所述負壓電源（２１）的負極與所述第二柵（１４）相連，所述弧壓電源（１９）的特性阻抗為１Ω、脈寬為０．４４～０．６５ｍｓ、頻率為５～２５Ｈｚ。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陶士慧，馬山明，邵先華，葉圍洲，蔡恩發，蔡堅將，吳觀綿，吳九妹，
申請(專利權)人：珠海市恩博金屬表面強化有限公司，
類型：發明
國別省市：44[中國|廣東]