離子鞘

電漿源離子注入離子鞘層及鞘層擴展動力學計算方法，負偏壓和氣體壓強的大小影響了離子鞘的厚度。

基本介紹

• 中文名：離子鞘
• 外文名：Ion sheath
• 用途：增加工業零件的性能和使用壽命
• 屬性：電子工程術語
• 相關：離子體

摘要

全方位離子注入與沉積技術能夠在複雜形狀零件表面獲得一層具有強膜基結合力、緻密和均勻的改性層，能夠大幅度提高材料表面的抗磨損，耐腐蝕和抗疲勞性能，是一種具有廣泛套用前景的表面強化技術。與束線離子注入相比，全方位離子注入與沉積技術最大的優點在於零件的批量處理。通過採用高壓慢速旋轉技術和窄脈衝保形離子注入技術、複合離子注入與沉積等方法，全方位離子注入與沉積技術已經能夠批量處理軸承內外套圈、滾珠、偏心軸等工業零件，能夠使這些零件的使用壽命和性能大大提高。

王浪平，哈爾濱工業大學現代焊接生產技術國家重點實驗室副教授，主要從事全方位離子注入與沉積技術基本理論及其工業化方法研究。

引言

上世紀八十年代末發展起來的全方位離子注入與沉積（PIII&D）技術，克服了傳統束線離子注入直射性限制，特別適用於複雜形狀精密機械零件批量處理[1-3]。在PIII過程中，待處理零件被浸泡在電漿內，脈衝負高壓加到零件上，零件周圍形成正離子鞘層，離子在鞘層電位作用下，從各個方向垂直地注入零件表面，顯著地改善了零件的抗磨損與腐蝕能力，因而近十年來，PIII技術在國內外獲得了迅速發展。將傳統束線離子注入技術和全方位離子注入技術相比較，人們可以清楚地看到全方位離子注入技術具有下列明顯的優點：不需要複雜的轉動靶台，也不需要束掃描裝置，不需要靶罩，不存在保持劑量問題，可大大減少靶的濺射等等。
現有研究表明：採用氣體或金屬離子注入的方法可以增加材料表面的顯微硬度，降低材料表面的摩擦係數和磨損失重，提高材料的抗腐蝕能力，採用離子注入+薄膜沉積的方法可以獲得具有強膜基結合力的薄膜[4-6]。此外，由於全方位離子注入技術利用離子鞘層來實現離子的加速，這種技術可以實現零件的批量處理。因此，全方位離子注入與沉積技術在材料表面改性方面具有廣泛的套用前景。

全方位離子注入與沉積設備

我課題組最新研製的用於批量處量的全方位離子注入與沉積設備。該設備主要由真空系統、金屬電漿源、高壓靶台、射頻電漿源、磁控濺射系統等組成。它能夠實現氣體離子注入、金屬離子注入、氣體+金屬離子混合注入、金屬膜沉積、類金剛石膜沉積、化合物沉積以及上述多種工藝的複合。

強化效果

近年來,我們採用氣體離子注入，金屬離子注入以及金屬+氣體離子混合注入的方法對9Cr18、Cr4Mo4V等軸承材料進行了PIII處理，並對處理後的樣品進行了測試結果。圖2為9Cr18試樣摩擦特性曲線的測試結果，試樣採用的處理工藝分別為N離子注入，Ta離子注入和Ti+C離子注入。

可以看出這三種工藝對摩擦係數的影響基本上是相似的，均從處理前的0.9降至0.2左右，但是改性層的磨透圈數不一樣，採用氣體離子注入時改性層在1500轉時已完全磨透，採用金屬離子注入時改性層的磨透圈數為2300轉，但是金屬+氣體離子混合注入的方法獲得的改性層在3000轉時仍然沒有磨透，表明採用金屬+氣體離子混合注入的方法對軸承材料的改性效果最為明顯，這主要是由於這種方法在材料表面合成了一些高硬度和高抗磨的強化相。
由於離子注入所獲得的改性層比較淺，而採用增加注入能量的方法將會導致注入成本急劇增加，對於工業套用來說是不太現實的。因此，要獲得足夠厚度的改性層，必須採用全方位離子注入與沉積方法。該方法可以在薄膜合成時引入高能離子轟擊，實際上是一種全方位的離子束增強沉積方法，它可以在複雜形狀零件表面合成具有足夠厚度、強膜基結合力、均勻和緻密的改性層，從而大大提高零件的抗磨損能力。圖3為我們採用該方法在9Cr18軸承鋼表面合成的類金剛石（DLC）薄膜的Raman測試結果，薄膜記憶體在明顯的sp3結構，表面這種方法能夠在工業零件表面有效合成抗磨損薄膜。

工業零件的批量處理研究

要真正實現全方位離子注入與沉積技術的工業化套用，必須實現工業零件的批量化處理，全方位離子注入與沉積處理的另外一個優點是批量處理技術。最近，通過採用高壓慢速旋轉技術和窄脈衝保形離子注入技術等方法，全方位離子注入與沉積技術已經能夠批量處理軸承內外套圈、滾珠，特種心軸，航天用密封環等工業零件，能夠使這些零件的使用壽命和性能大大提高。
我們對軸承滾珠的模擬研究表明：由於在滾珠與靶台之間存在接觸點，如果接觸點不動，接觸點的注入劑量為零，下半部分的注入劑量也明顯低於上半部分，因此注入劑量分布是不均勻的。如果採用高壓旋轉靶台，讓滾珠在注入過程中慢速旋轉，模擬研究表明注入劑量均勻性可以達到95%以上。在我們的設備上採用這種技術後，單次處理的滾珠可以超過50個。圖4為採用高壓旋轉靶台批量處理的不同直徑的軸承滾珠。圖5為對3個滾珠進行全方位離子注入批量處理注入劑量的模擬結果。

對於軸承外圈來說，主要對內滾道進行強化處理，因此軸承外圈的批量注入處理可以藉助內表面離子注入技術。採用全方位離子注入技術處理內表面的關鍵在於被處理件內部產生均勻的電漿。通過在軸承內圈中心部位加一柵網和電極，然後將射頻功率輸入，就可以在外圈內部產生穩定而且均勻的電漿。利用射頻的自偏壓效應，可以將電極作為一個濺射電極，如果同時在軸承外圈表面施加負高壓脈衝，就可以在內表面形成具有強結合力的TiN,TiC和DLC等改性層。

我們為一汽某配件廠批量處理的特種心軸，該心軸表面採用DLC膜製備工藝。採用帶有公轉的高壓慢速旋轉靶台，單次處理的心軸可達30根以上。工廠的實際使用表明：未進行處理前，該心軸的使用壽命不到1000次，採用DLC膜強化處理後，實際使用壽命達到了6000-7000次。

批量處理的特種心軸。

結論

對全方位離子注入與沉積技術的研究表明該技術能夠在複雜形狀的工業零件表面獲得性能優異的表明改性層，從而大大增加工業零件的性能和使用壽命。