钽喷丝头表面等离子体强化技术制造技术

一种钽喷丝头表面等离子体强化技术。即在真空容器中，给钽喷丝头加上２００～１０００Ｖ的直流有极电压，按４∶１～１０∶１通入氢氮混合气体，使真空容器内保持１００～１０００Ｐａ的真空度，调节电参数和真空度，使钽喷丝头保持５００～９００℃的温度，维持０．５～１．５小时，断电降温，到１００℃以下时停气、停泵，取出喷丝头。该工艺成本低廉，处理后喷丝头的形状，尺寸变化小，表面粗糙度低，处理工序少，处理后的喷丝头纺织质量和使用寿命都得到了提高。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种等离子体强化技术，尤其是化纤行业用钽喷丝头表面等离子体强化技术。喷丝头是安装在化学纤维纺丝机纺丝部位上的一个重要的精密零件，也是纺丝成型的基础元件,其上密布有成千上万个直径φ0.05～0.1mm的精密喇叭型微孔，纺丝原液经微孔喷出后成丝。喷丝头性能的好坏直接影响到劳动生产率,丝的质量和成本等多项指标。时喷丝头的材质要求有a)耐腐蚀性、要求能耐酸、耐碱的腐蚀；b)良好的机械加工性能；c)足够的机械物理性能，如强度、硬度，以保证在纺丝的工作压力下不变形，操作过程中不致于被划伤，破坏微孔形状；d)价格低廉。十几年前，人们逐渐用钽代替金铂来制作喷丝头，钽具有极好的耐酸腐蚀性能，优良的精密加工性能，价格仅为黄金的五分之一，钽的不足之处是硬度低，耐碱腐蚀性能较差，所以人们一直寻求通过表面处理来弥补不足。所有的表面处理方法都基于钽的极其活泼的化学性质,Ta2O5的生成自由能ΔF298为-1896.5-1908.2KJ/mol，而TaN的ΔF298为-218.2KJ/mol。可见，在自然条件下，钽有很强的自发生成氧化物、氮化物的倾向，生成氧化物的倾向更大。选择某种表面处理方法只不过是对反应过程进行选择，从而选择符合要求的表面强化层而已，如硬度、化学稳定性，表面粗糙度、尺寸及形状变化等。现有的表面处理方法按处理介质分类可分为两类一类是在液体介质中进行处理，一类是在气体介质中进行处理，按表面处理过程中互件是否加电压也可分成两类，但现在处理大多数都加电压，详见表一。目前报道的具体表面强化技术种类较多，归纳如下1、在含锂熔盐中进行阳极化处理，使其表面形成钽酸锂。2、在硫酸、磷酸、草酸中阳极化，生成五氧化二钽膜。3、在氧气、氮气、一氧化碳或丙烷和氩气中进行吸气或渗碳处理。4、用爆炸焊的方法将不锈钢或纯钽与钽合金结合在一起形成喷丝板，再在氮气中处理。5．化学气相沉积法沉积TIN6．表面离子注入氮。上述方法中，真正在市场中占有份额的只有第一种。表一处理方法分类 上述方法的缺陷是处理成本高，表面粗糙度高、处理工序多，如阳极化处理必须先进行电化学处理来扩大孔径以弥补由于表面处理导致的孔径缩小；而离子注入中的离子以强电场的加速，又在高真空中运动，相互碰撞几率较小，其运动基本上是一维的，因而其注入只能在一个方向上进行，不适合用于喷丝头的表面处理。本专利技术的目的在于克服已有表面处理技术所存的缺陷，提供一种成本非常低廉，处理后喷丝头的形状、尺寸变化小，表面粗糙度低，处理工序少，影响因素少的适用于钽喷丝头的表面强化处理工艺。本专利技术的任务是通过以下方式完成的，即在氢、氮及其它气体的等离子场中进行钽表面强化。具体地说，将洁净的钽喷丝头置于一真容容器中，将容器抽至1Pa数量级的真空度；给钽喷丝头加上200～1000V的直流阴极电压，并通入氢。氮混合气体，氢．氮的分压比为4∶1～10∶1；控制泵的抽速，使真空容器内保持300～1000Pa的真空度，在容器内形成均匀，稳定的低温等离子体；调节电参数和真空度，使钽喷丝头的温度保持在500～900℃之间，维持0.5～1.5小时；断电降温，到100℃以下时停气，停泵，打开容器，取出喷丝头。在本专利技术中,真空容器内除通入氢气、氮气外，还可通入氢气和含碳气体。在本专利技术中，含碳气体包括乙醇、丙酮、甲烷、乙炔等。在本专利技术中，工艺参数对钽喷丝头的影响简述如下1、温度，温度升高，渗入速度加快，同时有利于钽的氮化物的形成。另外，氢在钽中的溶解度随温度升高下降，直到温度升到700℃以上后，再升高温度，溶解度保持恒定，而氮在钽中的溶解度随温度升高一直增加，所以，升高温度有利于氮的渗入，阻止氢的渗入，这时喷丝头是有利的但随着温度的升高，变形增加，表面粗糙度上升，且受到钽再结晶温度的限制。2．时间，时间延长，渗层加厚，渗层厚度与时间的关系基本符合数学式S=×T(1/2)，K为比例常数，随温度升高而增加。在650℃时为15μm/h(1/2)。3．气体比，随着氢、氮分压比增加，表面层中的钽的氧化物减少，当R/N大于9∶1时，钽的氧化物基本消失。4．容器内压力，容器内压力首先影响电参数，在总压力小于1Pa或大于1500Pa时，几乎不能形成等离子体，此时电压力为电源电压，电流为零。在本专利技术工艺所处的异常放电区内，在1～1500Pa之间改变总压力，电流有一极大值，而电压有一极小值，两者变化相反。随着压力增加，产生电弧放电的可能性增加，而电弧放电容易烧坏喷丝头表面，导致喷丝头报度。其次，压力影响阴极表面的溅射速度，压力低，阴极溅射速度大，不利于渗入。5．阴极电流及电压，两者相互影响不能单独调节。在总压力一定时，两者同时增加或下降。如前所述，改变总压力时，两者变化趋势相反。电流与电压的乘积为喷丝头加热的总功率。总功率愈高，升温愈快，最终温度愈高。电流表征等离子体中的离子流，离子流增加有利于表面渗入材料的富集，从而增加渗速；电压表征等离子体中的单个离子的能量。能量增加，对喷丝头表面的溅射增加。工艺参数的选择原则是，喷丝头互作压力大，耐腐蚀性要求高，则采用厚渗层，即选择较高温度，较长时间。其他参数几乎可以不变。等离子态是物质除固态、液态、气态以外的第四种存在形态。在等离子场中，虽整体能量不高，但单个离子能量可以很高，使得在此温度下通常不能进行的物理化学过程在等离子场中可以进行。如在1000℃的含C等离子体中可形成金刚石。本专利技术中等离子体的作用可通过以下试验来验证，将一块原始表面粗糙度为Ra=0.1μm的钽材放在真空中，使其一面处于等离子场中，另一面屏蔽掉(使其不处于等离子场中)，在相同的温度,气氛中保持相同的时间，将如此处理的钽片两面进行分析，结果为处于等离子场中的一面表面粗糙度为0.3μm，肉眼看上去表面几乎无变化，而被屏蔽掉的一面表面粗糙度为2μm，已完全没有金属光泽。经X射线衍射物相分析，两面的表面层晶体结构也不相同。可见等离子体的存在改变了原有的化学反应，抑制了较粗糙的Ta2O5生成。本专利技术与离子注入方法不同，离子注入需要高得多的真空度和电压，因而对设备要求很高，而且其注入只能在一个方向上进行，本专利技术不存在单向性的问题，所有暴露在等离子体中的表面都可以得到强化。本专利技术相对于现有的其它处理工艺，一个明显的特点就是处理成本极其低廉。如都不考虑设备的一次性投资，本专利技术的处理成本只相当于阳极化处理的十分之一，设备投资略高于阳极化处理的设备。本专利技术的另一个优点是处理后喷丝头的形状，尺寸变化小，不需要象阳极化处理那样应预先进行电化学处理来扩大孔径以弥补由于表面处理导致的孔径缩小。另外，经本专利技术互艺处理的喷丝头的表面粗糙度相对于现有其它处理工艺也是最低的，不需要象阳极化处理那样进行后处理，处理工序少，影响因素少，工艺稳定性，再现性都很好。本专利技术无任何环保问题。经本专利技术处理的钽喷丝头表面硬度可达HV500～1200，整体抗变形能力大大加强，在保证了钽喷丝头优异的耐酸腐蚀性的基础上使钽喷丝头的耐碱腐蚀性大大提高，使其在NaOH水溶液中的电极电位提高一个数量级，腐蚀速率仅为纯钽的五分之一，经处理的钽喷丝头具有更好的纺丝质量和更高的使用寿命。下面结合实施例对本专利技术作更为详细的描述。实施例1将表面粗糙度为0.1μm的钽喷丝头置于真空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钽喷丝头表面等离子体强化技术，其特征在于：ａ、将洁净的钽喷丝头置于一真空容器中，将容器抽至１Ｐａ数量级的真空度；ｂ、给钽喷丝头加上２００～１０００Ｖ的直流阴极电压，并通入氢、氮混合气体，氢、氮的分压比为４∶１～１０∶１；ｃ、 控制泵的抽速，使真空容器内保持３００～１０００Ｐａ的真空度，在容器内形成均匀、稳定的低温等离子体；ｄ、调节电参数和真空度，使钽喷丝头的温度保持在５００～９００℃之间，维持０．５～１．５小时；ｅ、断电降温，到１００℃以下时停气，停泵， 打开容器，取出喷丝头。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张德元，李放，陆德平，朱福如，许兰萍，彭文屹，罗文，张友亮，付青峰，邓鸣，蔡莉，
申请(专利权)人：江西省科学院应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：36[中国|江西]