一种金属内表面改性的装置和方法

摘要

一种金属内表面改性的装置和方法，属于等离子体表面改性技术领域。其特征是利用空心阴极放电的原理在内表面产生等离子体，实现渗氮或沉积类金刚石薄膜，以提高金属内表面硬度，耐磨性和耐蚀性。被处理件为阴极，内设阴极，调整工件与阴极之间的距离和真空度达到放电条件，阳极设置在阴极空腔四周，阴阳极之间加入直流脉冲电源。渗氮时，反应气体为氮气或氨气，载气为氩气；沉积硬碳薄膜时，反应气体为甲烷或乙炔，载气为氩气。本发明的效果和益处是具有工艺简单，成本低，效率高的特点，特别适合处理金属内表面和大长径比的管件。

权利要求

1.一种金属内表面改性的装置，是利用空心阴极效应在空腔内产生高密度的等离子体，来实现金属内表面的改性，既能实现化学渗，也能沉积硬碳膜，提高金属内表面的硬度、耐磨性和耐蚀性物理化学性能，其特征在于被处理件为阴极，根据被处理件表面形状，增加与阴极材料相同、轮廓相似的阴极，形成双阴极；反应气体由阴极均匀引入到阴极与阴极之间的空腔内，反应之后的残余气体需由阴极内表面边缘四周由机械泵抽出；阴极与阴极间距d和真空室反应压力P之间满足P·d＝0.5-10Torr·cm关系，钼制阳极位于空腔边缘四周，阴极与阳极间距为双阴极间距的2-5倍；通入反应气体，阴阳极之间加入直流脉冲偏压，控制被处理件的温度，进行化学渗或薄膜沉积。

2.一种金属内表面改性的方法，利用权利要求1所述的一种金属内表面改性的装置，其特征在于：-3

a)首先，抽真空使反应室达到本底真空～10 Torr，通入氩气至0.05Torr对被处理件进行表面清洗和活化预处理5-20min，之后按比例通入反应气体；氮气或氨气和氩气混合-2气体中，氮气或氨气比例为20～80％，调节真空度在5×10 ～5Torr之间，阴阳极间加入脉冲电压0～10kV或电流0～5A，在空心阴极等离子体的作用下，被处理件被自然加热到

400～700℃之间，渗氮时间为0.5～4h；

b)沉积硬碳膜时，将反应气体改为乙炔或甲烷和氩气混合气体，乙炔或甲烷比例为-2

5～40％，通水冷却保证工件温度在50～300℃之间；调节真空度在5×10 ～5Torr之间，阴阳极间加入脉冲电压0～10kV或电流0～5A，硬碳膜沉积时间0.5～4h。

说明书

一种金属内表面改性的装置和方法

技术领域

[0001] 本发明属于等离子体表面改性技术领域，涉及到表面化学渗和硬碳膜的沉积，特别涉及到对金属内表面实现化学渗或薄膜沉积的方法，以提高金属内表面的硬度、耐磨性和耐蚀性等物理化学性能。

背景技术

[0002] 内表面为工作面的工件门类众多，如发动机的缸筒、运输管道、离子加速管、炮筒、内孔模具和轴套等，这些工件经常因内壁磨损、腐蚀等形式遭到破坏，为了提高工件内壁的硬度、耐磨耐和腐蚀性，进而提高其工作效率和寿命，在其内壁化学渗或沉积薄膜是非常必要的技术手段。但是目前关于内壁表面改性的相关报道不多，与内表面服役部件的大量需求相比技术贮备严重短缺，因此发展内壁表面改性技术具有及其紧迫的现实意义。管内表面可以不仅仅局限在管状工件的内表面，而是可以推广到复杂工件上凹陷面、孔和内腔。所以管内表面处理研究具有极大的应用潜力。

[0003] 目前主要采用的方法有电镀、激光强化处理、物理气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、离子注入等。电镀和化学镀是管筒件内表面处理的优选方法，其特点是改性效果好，可以对内径非常小的管件进行处理，最小可达几个毫米。但是电镀和化学镀对环境造成严重的污染，涂层的耐磨性较低，附着性差。

[0004] 利用光纤传导激光，从而使管内表面激光淬火不受管长的限制，可以实现细长管的内表面激光相变强化，但是激光只能应用于一些特殊的场合；采用等离子体离子注入时，如果被处理的管筒内径太细，由于鞘层交叉，管内等离子体电位与施加电位差值就会减小，结果注入效应可能会大大降低，甚至根本不可能产生注入效应。为此有研究者提出内电极法，即在管筒内放置一个接地电极。但由于多数采用外部离子源，等离子体靠外部产生，随后扩散进入圆筒内部，这样必然造成管体内部等离子体密度不均匀，也就造成了注入剂量的轴向不均匀，并且在处理细长管时，这种现象较为明显。总的来说，内电极法提高了注入能量，未对注入剂量的不均匀性给出解决办法。

发明内容

[0005] 本发明提供一种金属内表面改性的装置和方法，是利用空心阴极效应，即内孔阴极辉光区重叠，在重叠区内辉光电流急剧增大，在金属内表面产生高密度的等离子体，实现化学渗或沉积硬质薄膜，解决金属内表面改性，提高内表面硬度、耐磨性和耐蚀性的目的。

[0006] 本发明的技术方案是：金属内表面改性的装置是利用空心阴极效应在空腔内产生等离子体，来实现等离子渗或等离子体化学气相沉积。被处理件为阴极，根据被处理件表面形状，增加与阴极材料相同、轮廓相似的阴极，形成双阴极。反应气体由阴极均匀引入到阴极与阴极之间的空腔内，反应之后的残余气体需由阴极内表面边缘四周由机械泵抽出。阴极与阴极间距d和真空室反应压力P之间满足P·d=0.5～10Torr·cm关系，钼制阳极位于空腔边缘四周，阴极与阳极间距为双阴极间距的2～5倍。

[0007] 金属内表面改性的方法是通入反应气体，阴阳极之间加入直流脉冲偏压，控制被处理件的温度，进行化学渗或薄膜沉积。在空心阴极等离子体的作用下，被处理件被加热到400～700°C之间，通入氮气或氨气与氩气的混合气体，对管件内表面渗氮；沉积硬碳薄膜时，被处理工件与水冷铜电极接触，使被处理工件的温度控制在50～300°C之间，通入乙炔或甲烷与氩气的混合气体，加脉冲电压在管件内表面沉积硬碳薄膜。

[0008] 本发明的效果和益处是：可以处理大长径比的管件和各种复杂形状的内表面；既能实现化学渗，包括单元素渗和多元共渗，也能进行薄膜沉积，如沉积硬碳膜等；表面改性效率高。

附图说明

[0009] 附图1是管件内表面改性装置示意图。

[0010] 附图2是内表面沉积硬碳膜的装置示意图。

[0011] 图中：1电源；2被处理管件；3阴极送气口；4阴极；5阳极；6绝缘陶瓷管；7抽气口；8真空测量；9密封垫圈；10石英管；11密封法兰。

具体实施方式

[0012] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

[0013] 本发明具体实施方式是，首先，抽真空使反应室达到本底真空～10-3Torr，通入氩气至0.05Torr对被处理件进行表面清洗和活化预处理5-20min，之后按比例通入反应气-2体。氮气或氨气和氩气混合气体中，氮气或氨气比例为20～80%，调节真空度在5×10 ～
5Torr之间，阴阳极间加入脉冲电压0～10kV或电流0～5A，在空心阴极等离子体的作用下，被处理件被自然加热到400～700°C之间，渗氮时间为0.5～4h。

[0014] 沉积硬碳膜时，将反应气体改为乙炔或甲烷和氩气混合气体，乙炔或甲烷比例为-25～40%，通水冷却保证工件温度在50～300°C之间。调节真空度在5×10 ～5Torr之间，阴阳极间加入脉冲电压0～10kV或电流0～5A，硬碳膜沉积时间0.5～4h。

[0015] 实施例1：

[0016] 如图1所示，调整阴极间距为5mm，阴阳极间距20mm，抽真空至10-3Torr，通入氩气至0.05Torr，加入直流脉冲电压2kV，等离子体清洗样品10min。通入40%氮气，调整真空室的压力为3Torr，加入直流脉冲电源，放电电流维持在0.3A，衬底温度约500°C，反应时间为2h。

[0017] 实施例2：

[0018] 如图2所示，调整阴极间距为10mm，阴阳极间距40mm，抽真空至10-3Torr，通入氩气至0.05Torr，对衬底架通水冷却，衬底温度不超过300°C。加入直流脉冲电压2kV，等离子体清洗样品10min。通入20%乙炔气体，调整真空室的压力为0.5Torr，加入直流脉冲电源，放电电流维持在0.2A，反应时间为2h。