[发明专利]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

说明书

本发明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1100HV_0.05,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γ_N相，保证了渗氮工件的高硬度和高耐磨损性能。

技术领域

本发明属于金属材料表面处理技术领域，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。

背景技术

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。

发明专利(CN102134706A)公开了一种等离子体弧光氮化装置，该公开发明专利将等离子弧光氮化装置放置于真空室上面。在该公开发明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。

实用新型专利(CN205088299U)公开了一种弧光放电型离子源装置，在该公开实用新型专利中电弧电源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。在该实用新型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。在该实用新型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。

发明内容

本发明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。

本发明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；