专利名称：深孔内壁电弧离子镀膜方法
技术领域：
本发明属于材料科学与工程技术领域，涉及一种用电弧离子镀技术在具有深孔结构的模 具和管子内壁沉积改性薄膜的方法。
背景技术：
材料表面的离子镀改性薄膜技术，如在工具、零件表面镀覆TiN硬质薄膜，早在上世纪 80年代就已成功商用化，并在工业生产中发挥着越来越重要的作用。但是有一个问题也变得 越来越值得重视，就是几乎所有的报道都是针对外表面的镀膜研究。而事实上，在生产实践 中以内表面为工作面的工件也占有很大的比例，如一些冲压模具、拉伸模具、发动机的缸筒 、运输管道、各种管状容器、离子加速管、枪管与炮筒等，这些工件经常因内壁磨损、腐蚀 等形式遭到破坏。因此开发在管孔结构工件的内壁上沉积耐磨、耐蚀、耐高温的改性薄膜的 工艺和方法，是离子镀技术领域越来越急需解决的问题。
薄膜的内孔沉积要比外表面沉积困难得多。在离子镀中，工件整体浸没于等离子体环境 中，等离子体鞘层围绕工件的外表面而形成，在负偏压电场的作用下，离子在鞘层中被加速 而到达工件表面，沉积成膜后离子还能从等离子体中源源不断地扩散过来，所以在外表面沉 积薄膜的厚度和质量都能得到很好的控制；但对于深孔内壁，尤其是仅一端开口的盲孔内壁 镀膜，由于受到孔状结构的屏蔽作用，等离子体只能通过仅有的一处开口向里扩散，随着离 子在成膜过程中的不断消耗，等离子体密度将随深度不断下降，决定着越往深处获得薄膜将 越发困难。 一般来讲，即使使用离化率最高的电弧离子镀方法，采用与外表面一样的常规工 艺，也只能得到与管孔直径一样的镀膜深度，即l: l的镀膜深径比。最新的研究表明，在电 弧离子镀膜过程中采用脉冲负偏压，可以增加镀膜深度到深管直径的l. 4倍[1]，即得到l. 4: 1的镀膜深径比。但是仅使用脉冲偏压却无法取得更深的镀膜深度，致使那些在生产实践中 管孔深度比直径大于1.4倍的绝大多数部件和模具都无法采用这一方法来实现镀膜从而提高 其使用寿命。
参考文献石昌仑，张敏，林国强.，脉冲偏压对电弧离子镀深管内壁沉积TiN薄膜的影响.真 空科学与技术学报，2007， 27 (6) : 517-521.
发明内容
本发明的目的是提供一种用电弧离子镀工艺在具有深孔结构的工件内壁沉积薄膜，镀膜深度达到管孔直径的2倍以上，即镀膜深径比达到2.0: l以上的深孔镀膜方法。
本发明的技术构思是，在电弧离子镀过程中同时使用脉冲偏压与工件周围的不均匀磁场 ，利用电场、磁场与等离子体相辅相成的交互作用，造成等离子体的中的带电粒子局部定向 流动，以及管孔内部的等离子体鞘层振荡以增强等离子体在管孔中的扩散，从而达到等离子
体内引后在深处沉积薄膜的目的。其基本原理为若在等离子体中放置一个不均匀磁场，则 带电粒子在磁场的作用下做垂直于磁力线方向的拉莫尔旋转运动(其旋转半径为r,v/qB) 和沿着磁场梯度方向做的直线运动(梯度磁场作用力F^ ydB/dx，其中y为磁矩)，因此， 当合理选择不均匀磁场的分布、位置和大小时，就有可能造成等离子体中的带电粒子在局部 向着某个方位定向流动从而形成带电粒子的区域聚集，如果将这个定向流动区域恰好选择在 深孔工件的管孔处，则在磁场的作用下等离子体会产生一定的内引倾向。此外，脉冲偏压使 等离子体鞘层随偏压的脉动而涨落，等离子体鞘层的厚度d^[(2eoU)/(eni)]1/2 (其中e 0为 真空介电常数，U为偏压幅值，e为电子电量，ni为等离子体的密度)随着偏压的变化而变化 ，在偏压处于"占"时，鞘层较厚，离子加速能量大，镀膜质量好，但当鞘层过厚到管孔半 径的尺度时，离子会被鞘层屏蔽在管孔外部而不能进入管内壁使镀膜不能进行；在偏压处于 "空"时，鞘层较薄，离子加速能量小，镀膜质量不好，但此时鞘层尺度小不能在管口形成 对离子的屏蔽，离子能够扩散到管孔内部的较深处，当有不均匀磁场造成的等离子体定向流 动时，这种扩散会更加增强。因此合理选择脉冲偏压的"占"、"空"之比可以兼顾薄膜的 离子沉积和向内扩散两个过程，当同时有不均匀磁场造成等离子体的局部聚集时，这种兼顾 效果会更加明显。
本发明的技术解决方案是，是将具有管孔结构的工件清洗干燥后放入电弧离子镀的真空 室中，经过抽真空、通氩气、启弧、加负偏压、溅射清洗、通反应气体、镀膜、停弧、断电 和炉冷阶段后取出工件，其特征在于在具有管孔结构的工件周围布置永磁铁和在镀膜阶段 使用脉冲偏压，布置的永磁铁的磁感应强度为500 8000高斯，长度为20 100mm、宽度和高 度为5 40mm，磁铁几何中心点到工件3和孔6端面的距离L与磁铁的磁感应强度B成正比，并 符合L二B/40士50关系，其中B的单位为高斯，L的单位为毫米；使用的脉冲偏压的为幅值200 800V，频率5 40kHz，占空比5 40%。
在具有管孔结构的工件周围布置永磁铁，是在工件3的一侧与工件的孔轴方向成0 45。 角布置一个主永磁铁4。
在具有管孔结构的工件周围布置永磁铁，是在工件3的两侧与工件的孔轴方向成0 45。 角对称布置一个主永磁铁4和一个辅永磁铁5 。在具有管孔结构的工件周围布置永磁铁，是在工件3的一侧与工件的孔轴方向垂直布置 一个由第一磁铁7和第二磁铁8构成的磁铁组，第一磁铁7的S极朝向工件并位于临近弧源一侧 ，第二磁铁8的N极朝向工件并位于远离弧源一侧，二者保持平行且间距d与磁感应强度B成正 比，符合d二B/80士20关系，其中d的单位是毫米，B的单位是高斯；第一磁铁7和第二磁铁8 的近工件端连线中心点到工件3和孔6端面的距离L也与磁铁的磁感应强度B成正比，并符合L 二B/40士50关系，其中L的单位是毫米，B的单位是高斯。
具有管孔结构的工件是长度为20 150mm，直径为20 100mm，宽度和高度为20 100mm 的具有内孔结构的金属模具。
具有管孔结构的工件是直径为①10 100mm、长为50 400mm、厚度为l 10mm的金属管子。
具有管孔结构的工件是长度为20 150mm，直径为20 100mm，宽度和高度为20 100mm 的具有内孔结构的金属零件。
本发明的效果和益处是，解决了用电弧离子镀技术在具有深孔结构的工件内壁深处沉积 薄膜的技术难题，与采用常规的镀膜工艺相比，镀膜深度可从原来的1倍于管孔直径提高到2 倍以上，即镀膜深径比可达2.0以上，特别适合于以内表面服役为主的工件的镀膜改性，大 幅度提高其使用寿命。
图l是本发明的在工件一侧布置一个主永磁铁进行工件内壁电弧离子镀膜时的磁铁、工 件和阴极弧源的相对位置摆放示意图。
图2是本发明的在工件两侧布置一个主永磁铁和一个辅永磁铁进行工件内壁电弧离子镀 膜时的磁铁、工件和阴极弧源的相对位置摆放示意图。
图3是本发明的在工件一侧布置第一磁铁和第二磁铁构成的磁铁组进行工件内具有管孔 结构的工件内壁电弧离子镀膜时的磁铁组、工件和阴极弧源的相对位置摆放示意图。
图中l是阴极弧源，2是等离子体，3是工件，4是主永磁铁，5是辅永磁铁，6是工件 内孔，7是第一磁铁，8是第二磁铁。
具体实施例方式
实施例l
将①50 X 30mm的具有①10 X 20mm内孔的硬质合金模具3清洗、烘干后放入电弧离子镀设 备真空室的工件台上，如图1所示，将模具3的开口方向对准阴极弧源1的等离子体2的来源方 向，在模具3的一侧与模具的孔轴方向成0。角用绝缘材料固定放置一个磁感应强度B为4000高斯、长度为50mm的主永磁铁4，磁铁4几何中心点到模具3和内孔6端面的距离为100mm;将 真空抽至10—2Pa，通氩气到O. 5Pa，启钛弧，弧流为60A，加负偏压为800VX 20kHz X 50% ， 进行溅射清洗5分钟，而后负偏压降到500 VX20kHzX30%，提高钛弧流到80A、通氮气 100sccm开始镀膜，60分钟后停弧、停气、断电、炉冷30分钟后，放掉真空取出模具。
本实施方式可以在模具内壁20mm的深处都沉积有致密的TiN薄膜，其纳米硬度》20GPa， 能提高模具内壁的耐蚀和耐磨性能，进而提高模具的使用寿命。
实施例2
将①50X100mm的具有①40X100mm内孔的不锈钢管子3清洗、烘干后放入电弧离子镀设 备真空室中的工件台上，如图2所示，将管子3的开口方向对准阴极弧源1的等离子体2的来源 方向，在管子3左右两侧与管子的孔轴方向平行用绝缘材料分别固定放置1个主永磁铁4和1个 辅永磁铁5，它们的磁感应强度B为8000高斯、长度为60mm，磁铁的S极朝向弧源1方向，磁铁 到管子3和管子内孔6端面的距离都为200mm;将真空抽至10—2Pa，通氩气到O. 5Pa，启钛弧， 弧流为60A，加负偏压为800VX20kHzX50X，进行溅射清洗5分钟，而后负偏压降到500 VX 20kHz X 40%，提高钛弧流到80A、通氮气100sccm开始镀膜，60分钟后停弧、停气、断电、 炉冷30分钟后，放掉真空取出管子。
本实施方式可以在不锈钢管子内壁一直到大于80mm的深处都沉积有致密的TiN薄膜，其 纳米硬度》20GPa，能提高管子内壁的耐蚀和耐磨性能，进而提高管子的使用寿命。
实施例3
将①50 X 100mm的具有040 X 80mm内孔的不锈钢一端封口的管子3清洗、烘干后放入电弧 离子镀设备真空室中的工件台上，如图3所示，将管子3的开口一端对准阴极弧源1的等离子 体2的来源方向，在管子3的上方与管子的孔轴方向垂直用绝缘材料固定放置由第一磁铁7和 第二磁铁8构成的磁铁组，它们的磁感应强度B为8000高斯、长度为60mm，第一磁铁7的S极朝 下并位于临近弧源一侧，第二磁铁8的N极朝下并位于远离弧源一侧，二者在竖直方向上保持 平行且间距为100毫米，磁铁7和磁铁8的下端连线中心点到管子3和？L6端面的距离都为200毫 米；将真空抽至10—2Pa，通氩气到O. 5Pa，启钛弧，弧流为60A，加负偏压为800V X 20kHz X 50%，进行溅射清洗5分钟，而后负偏压降到500 VX20kHzX40%，提高钛弧流到80A、通氮 气100sccm开始镀膜，60分钟后停弧、停气、断电、炉冷30分钟后，放掉真空取出管子。
本实施方式可以在不锈钢管子内壁一直到大于80mm的深处都沉积有致密的TiN薄膜，其纳米 硬度》20GPa，能提高管子内壁的耐蚀和耐磨性能，进而提高管子的使用寿命。
权利要求
1.深孔内壁电弧离子镀膜方法，是将具有管孔结构的工件清洗干燥后放入电弧离子镀的真空室中，经过抽真空、通氩气、启弧、加负偏压、溅射清洗、通反应气体、镀膜、停弧、断电和炉冷阶段后取出工件，其特征在于在具有管孔结构的工件周围布置永磁铁和在镀膜阶段使用脉冲偏压，布置的永磁铁的磁感应强度为500～8000高斯、长度为20～100mm，磁铁几何中心点到工件(3)和孔(6)端面的距离L与磁铁的磁感应强度B成正比，并符合L＝B/40±50关系，其中B的单位为高斯，L的单位为毫米；使用的脉冲偏压的为幅值200～800V，频率5～40kHz，占空比5～40％。
2 根据权利要求l所述深孔内壁电弧离子镀膜方法，其特征在于所 述的在具有管孔结构的工件周围布置永磁铁，是在工件(3) —侧与工件的孔轴方向成0 45 °角布置一个主永磁铁(4)。
3 根据权利要求l所述深孔内壁电弧离子镀膜方法，其特征在于所 述的在具有管孔结构的工件周围布置永磁铁，是在工件(3)的两侧与工件的孔轴方向成0 45°角对称布置一个主永磁铁(4)和一个辅永磁铁(5)。
4 根据权利要求l所述深孔内壁电弧离子镀膜方法，其特征在于所 述的在具有管孔结构的工件周围布置永磁铁，是在工件(3)的一侧与工件的孔轴方向垂直 布置一个由第一磁铁(7)和第二磁铁(8)构成的磁铁组，第一磁铁(7)的S极朝向工件并 位于临近弧源一侧，第二磁铁(8)的N极朝向工件并位于远离弧源一侧，二者保持平行且间 距d与磁感应强度B成正比，符合d二B/80士20关系，其中d的单位是毫米，B的单位是高斯； 第一磁铁(7)和第二磁铁(8)的近工件端连线中心点到工件(3)和孔(6)端面的距离L 也与磁铁的磁感应强度B成正比，并符合L二B/40士50关系，其中L的单位是毫米，B的单位是 高斯。
5 根据权利要求l所述深孔内壁电弧离子镀膜方法，其特征在于所 述的具有管孔结构的工件是长度为20 150mm的具有内孔结构的金属模具。
6 根据权利要求l所述深孔内壁电弧离子镀膜方法，其特征在于所述的具有管孔结构的工件是直径为①10 100mm、长为50 400mm、厚度为l 10mm的金属管子。
7 根据权利要求l所述深孔内壁电弧离子镀膜方法，其特征在于所述的具有管孔结构的工件是长度为20 150mm的具有内孔结构的金属零件。
全文摘要
深孔内壁电弧离子镀膜方法属于材料科学与工程技术领域。涉及一种用电弧离子镀在具有深孔结构的模具和管子内壁沉积薄膜的方法。其特征在于，在镀膜过程中同时使用工件周围的不均匀磁场与脉冲偏压，利用电磁场与等离子体的相互作用达到在深处镀膜的目的。使用的磁铁的磁感应强度为500～8000高斯、长度20～150mm，磁铁到工件孔内壁和孔端面的距离与磁感应强度成正比，符合L＝(B±500)/40(mm)关系；使用的脉冲偏压幅值为200～800V，频率5～40kHz，占空比5～40％。其效果和益处是在具有管孔结构的工件内壁镀膜，镀膜的深度大于2倍孔径。广泛用于机械制造领域中具有内孔结构的零件和模具的内表面镀膜。
文档编号C23C14/32GK101597750SQ20091030393
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者琪 刘, 林国强, 王文涛, 石昌仑 申请人:大连理工大学