一种气体弧光放电装置、与真空腔体的耦合系统及离子渗氮工艺制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种气体弧光放电装置、与真空腔体的耦合系统及离子渗氮工艺，利用热阴极电子发射原理与辅助阴极进行配合产生等离子体，通过该装置的磁场模块与腔体轴向磁场模块耦合进行等离子体渗氮。通过控制气体弧光放电装置与腔体轴向磁场的参数进行耦合，选取最佳磁场参数，增加真空腔体内等离子体能量及密度，获得最佳的渗氮效果。利用本发明专利技术的装置和方法，对316L奥氏体不锈钢进行60min等离子体渗氮处理，渗氮层的硬度可以达到1100HV0.05,渗氮深度可以达到50μm上，渗氮层中无氮化物析出，且渗氮层为单一的γN相，保证了渗氮工件的高硬度和高耐磨损性能。

【技术实现步骤摘要】
一种气体弧光放电装置、与真空腔体的耦合系统及离子渗氮工艺
本专利技术属于金属材料表面处理
，尤其涉及一种气体弧光放电装置、与真空腔体的耦合系统及离子渗氮工艺。
技术介绍
传统的离子渗氮工艺的使用会产生对环境或者人身安全具有一定危害的含N元素的气体或者N2与H2的混合气体。在传统辉光离子渗氮技术中，有的使用纯氮气作为工作气体，但传统的辉光渗氮工艺普遍渗氮效率非常低，并且得到的渗氮层厚度比较薄；并且随着渗氮时间的增加会在工件表面形成一层氮化物的析出层，会影响材料本身的机械性能或者耐腐蚀性能；在传统的辉光离子渗氮中，工件作为放电阴极而存在，如果工件上存在小孔、缝隙，或者零件之间的间隙太小，会在上述部位产生空心阴极放电现象，造成工件局部烧伤。活性屏离子渗氮、空心阴极离子渗氮技术虽然解决了传统辉光渗氮作为放电阴极这一缺陷，但是仍然存在渗氮效率低，随着渗氮层深度的增加工件表面有氮化物析出层出现的问题。专利技术专利(CN102134706A)公开了一种等离子体弧光氮化装置，该公开专利技术专利将等离子弧光氮化装置放置于真空室上面。在该公开专利技术专利中阴极筒与热丝分别由两个独立的电源供电。上述装置中的结构会导致附图中2热丝与空心阴极筒18的电位不同，在剧烈的弧光放电中因为两电极之间的电位不同导致两者之间发生放电现象，这在弧光放电中极易造成2(热丝)与18(空心阴极筒)的损伤，在实际生产过程中是应该避免的。并且将弧光放电装置放置于真空室的上面，因为靠近弧光氮化装置越近等离子体能量、等离子体密度、弧光对工件的辐射热量越高，则会导致工件转台9上的上下不同位置的被处理工件8的处理效果不同。技术专利(CN205088299U)公开了一种弧光放电型离子源装置，在该公开技术专利中电弧电源6的正极与金属电极的正极相连接，负极与密封圆筒12相连接；密封圆通作为弧光放电型离子源装置的阴极，而空心圆筒13属于零电位悬浮在密封圆筒12内部；金属电极2放置于空心圆筒内部。在该技术专利中电弧电源的负极所连接的密封圆筒12与热丝即金属电极2之间会产生电压差，在长时间的弧光放电工作中会导致密封圆筒12或者金属电极2被击穿，导致整个真空系统暴露在大气压下，这对真空设备的损伤是非常大的；并且由于密封圆筒12在工作过程中作为阴极存在，所以会产生辉光放电现象，导致密封圆筒在长时间的使用过程中被损耗，同时金属电极2也存在上述情况。在该技术专利中没有辅助阳极引出系统，单纯的靠聚焦线圈的作用只是对电子有一定的作用，聚焦线圈很难将弧光离子源中的离子引出。针对上述弧光放电装置及辉光及弧光离子不锈钢渗氮工艺中存在的缺陷，亟需一种高效、改善渗氮层质量的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种气体弧光放电装置及通过该装置产生的弧光放电进行渗氮的方法。弧光放电对工作气体的离化率明显高于辉光放电，并且弧光放电比辉光放电剧烈。通过该方法制备的渗氮层，均匀性好，渗氮效率高，渗氮层深，克服了传统辉光渗氮因空心阴极效应引起的工件烧伤，渗氮层有氮化物析出，渗氮层薄，渗氮效率低等问题。本专利技术提供的一种气体弧光放电装置，通过该装置，与真空腔体上的轴向磁场及辅助阳极耦合来提高等离子体能量及密度的结构，用于弧光等离子体渗氮。具体技术方案如下所述：一种气体弧光放电装置，包括金属筒模块、第一电磁线圈模块、热丝电极模块、真空壁和绝缘体；所述金属筒模块包括辅助阳极、金属筒、金属筒模块电源，金属筒模块电源阳极连接至辅助阳极，金属筒模块电源阴极连接至金属筒侧壁的底端；所述第一电磁线圈模块包括第一电磁线圈和第一电磁线圈控制模块，所述第一电磁线圈控制模块包括第一电磁线圈控制集合和第一电磁线圈电源，第一电磁线圈控制集合和第一电磁线圈电源连接，第一电磁线圈控制集合控制第一电磁线圈电源的电流，第一电磁线圈电源与第一电磁线圈连接。所述热丝电极模块包括热丝电极、热丝电极模块电源和两个金属电极，所述两个金属电极中的一个金属电极一端连接在热丝电极模块电源的阳极上，另一个金属电极的一端连接在热丝电极模块电源的阴极上，所述热丝电极连接在所述两个金属电极的另一端；热丝电极通电后，在热丝电极附近位置为弧光产生区；所述真空壁包括真空壁侧壁和真空壁顶盖，所述绝缘体包括第一绝缘体、第二绝缘体和第三绝缘体；所述真空壁侧壁的顶端和底部分别设置第二绝缘体和第三绝缘体，真空壁顶盖和真空壁侧壁之间通过第二绝缘体绝缘；所述两个金属电极通过第一绝缘体悬浮在真空壁顶盖上；真空壁顶盖中心设置进气孔；所述金属筒悬浮固定在真空壁顶盖上；真空壁侧壁围绕在金属筒外围；所述第一电磁线圈围绕在真空壁侧壁外围；真空壁侧壁和真空壁顶盖围成真空室，真空室下部为开放式，以与真空腔体对接，所述气体弧光放电装置安装在真空腔体上预留的法兰上。利用第一绝缘体和第二绝缘体确保真空壁顶盖、金属筒处于悬浮位置。所述热丝电极选用高熔点、耐高温、稳定性好的材料，热丝由独立的电源热丝电源供电。所述热丝电极的材料选自金属钼、金属钨和钨钼合金。优选的，所述热丝电极的材料为钨丝。金属筒作为偏压电源的阴极，将金属筒的偏压电源的阴极与热丝电机并联，使金属筒与热丝电极处于同一电位。所述金属筒选用金属钼，但不局限于金属钼，金属筒的材料可以选择钨钼合金，钛合金等一切导电性好的，耐高温的金属材料。热丝电极选择钨丝，但不局限于钨丝，可以为耐高温，稳定性，导电性能好的金属材料，包括钨钼合金，纯金属钼等一切金属。第一电磁线圈通过第一电磁线圈电源这一独立电源供电。第一电磁线圈中作用在弧光产生区，电磁场模块包括第一电磁线圈和第一电磁线圈电源，电磁线圈根据控制模块输入信号的不同而改变电磁场的强度和方向。本专利技术提供的气体弧光放电装置设计了可以改变磁场强度的结构第一电磁线圈模块，通过改变第一电磁线圈产生的电磁场的输入信号，可以降低弧光放电的条件，改变气体弧光放电装置产生的等离子体的密度及能量，实现更好的控制等离子体能量与密度的效果。本专利技术还提供了所述气体弧光放电装置与真空腔体的耦合系统，所述真空腔体为封闭的抽真空容器，所述气体弧光放电装置安装于真空腔体内，所述真空腔体内还设置工件架模块、第二电磁场模块、第三电磁场模块、热电偶和抽气系统；所述工件架模块包括工件架和偏压电源，偏压电源的负极与工件架连接，偏压电源的正极与真空腔体的腔体壁连接，真空腔体是用于放置气体弧光放电装置的容器；所述工件架、气体弧光放电装置的辅助阳极、热电偶位于真空腔体的内部；所述电源和电磁线圈均位于真空腔体外侧。所述第二电磁场模块包括第二电磁线圈和第二电磁线圈控制模块，所述第二电磁线圈控制模块包括第二电磁线圈控制集合和第二电磁线圈电源，所述第三电磁场模块包括第三电磁线圈和第三电磁线圈控制模块，所述第三电磁线圈控制模块包括第三电磁线圈控制集合和第三电磁线圈电源；所述第二电磁线圈控制集合和第三电磁线圈控制集合分别与第二电磁线圈电源和第三电磁线圈电源连接，控制电磁线圈电源的电流方向、电流大小和波形，电磁线圈电源分别与电磁线圈连接，电磁线圈根据控制模块的电流方向、大小和波形这些输入信号的不同而改变磁场的强度和方向；所述热电偶包括位于真空腔体内部顶端和底端的两个用于测量真空室内温度的热电偶；在真空腔体上设置法兰口，抽气系统通过法兰结构与真空腔连接。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体弧光放电装置，其特征在于，包括金属筒模块、第一电磁线圈模块、热丝电极模块、真空壁和绝缘体；所述金属筒模块包括辅助阳极、金属筒、金属筒模块电源，金属筒模块电源阳极连接至辅助阳极，金属筒模块电源阴极连接至金属筒侧壁的底端；所述第一电磁线圈模块包括第一电磁线圈和第一电磁线圈控制模块，所述第一电磁线圈控制模块包括第一电磁线圈控制集合和第一电磁线圈电源，第一电磁线圈控制集合和第一电磁线圈电源连接，第一电磁线圈控制集合控制第一电磁线圈电源的电流，第一电磁线圈电源与第一电磁线圈连接；所述热丝电极模块包括热丝电极、热丝电极模块电源和两个金属电极，所述两个金属电极中的一个金属电极一端连接在热丝电极模块电源的阳极上，另一个金属电极的一端连接在热丝电极模块电源的阴极上，所述热丝电极连接在所述两个金属电极的另一端；所述真空壁包括真空壁侧壁和真空壁顶盖，所述绝缘体包括第一绝缘体、第二绝缘体和第三绝缘体；所述真空壁侧壁的顶端和底部分别设置第二绝缘体和第三绝缘体，真空壁顶盖和真空壁侧壁之间通过第二绝缘体绝缘；所述两个金属电极通过第一绝缘体悬浮在真空壁顶盖上；真空壁顶盖中心设置进气孔；所述金属筒悬浮固定在真空壁顶盖上；真空壁侧壁围绕在金属筒外围；所述第一电磁线圈围绕在真空壁侧壁外围；真空壁侧壁和真空壁顶盖围成真空室，真空室下部为开放式。...

【技术特征摘要】
1.一种气体弧光放电装置，其特征在于，包括金属筒模块、第一电磁线圈模块、热丝电极模块、真空壁和绝缘体；所述金属筒模块包括辅助阳极、金属筒、金属筒模块电源，金属筒模块电源阳极连接至辅助阳极，金属筒模块电源阴极连接至金属筒侧壁的底端；所述第一电磁线圈模块包括第一电磁线圈和第一电磁线圈控制模块，所述第一电磁线圈控制模块包括第一电磁线圈控制集合和第一电磁线圈电源，第一电磁线圈控制集合和第一电磁线圈电源连接，第一电磁线圈控制集合控制第一电磁线圈电源的电流，第一电磁线圈电源与第一电磁线圈连接；所述热丝电极模块包括热丝电极、热丝电极模块电源和两个金属电极，所述两个金属电极中的一个金属电极一端连接在热丝电极模块电源的阳极上，另一个金属电极的一端连接在热丝电极模块电源的阴极上，所述热丝电极连接在所述两个金属电极的另一端；所述真空壁包括真空壁侧壁和真空壁顶盖，所述绝缘体包括第一绝缘体、第二绝缘体和第三绝缘体；所述真空壁侧壁的顶端和底部分别设置第二绝缘体和第三绝缘体，真空壁顶盖和真空壁侧壁之间通过第二绝缘体绝缘；所述两个金属电极通过第一绝缘体悬浮在真空壁顶盖上；真空壁顶盖中心设置进气孔；所述金属筒悬浮固定在真空壁顶盖上；真空壁侧壁围绕在金属筒外围；所述第一电磁线圈围绕在真空壁侧壁外围；真空壁侧壁和真空壁顶盖围成真空室，真空室下部为开放式。2.根据权利要求1所述的一种气体弧光放电装置，其特征在于，所述金属筒材质选自金属钼、钨钼合金和钛合金。3.根据权利要求1所述的一种气体弧光放电装置，其特征在于，所述金属筒材质为金属钼。4.根据权利要求1所述的一种气体弧光放电装置，其特征在于，所述热丝电极选自钨钼合金、纯金属钼和钨丝，优选为钨丝。5.一种根据权利要求1～4任一项所述气体弧光放电装置与真空腔体的耦合系统，其特征在于，所述真空腔体为封闭的抽真空容器，所述气体弧光放电装置安装于真空腔体内，真空壁侧壁下端与真空腔体对接，所述气体弧光放电装置安装在真空腔体上预留的法兰上；所述真空腔体内还设置工件架模块、第二电磁场模块、第三电磁场模块、热电偶和抽气系统；所述工件架模块包括工件架和偏压电源，偏压电源的负极与工件架连接，偏压电源的正极与真空腔体的腔体壁连接，真空腔体是用于放置气体弧光放电装置的容器；所述工件架、气体弧光放电装置的辅助阳极、热电偶位于真空腔体的内部；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴龙，蔺增，
申请(专利权)人：泰安东大新材表面技术有限公司，东北大学，
类型：发明
国别省市：山东,37