王浪平，王小峰，黄磊，解志文，汤宝寅
哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨150001

摘   要

全方位离子注入与沉积技术能够在复杂形状零件表面获得一层具有强膜基结合力、致密和均匀的改性层，能够大幅度提高材料表面的抗磨损，耐腐蚀和抗疲劳性能，是一种具有广泛应用前景的表面强化技术。与束线离子注入相比，全方位离子注入与沉积技术最大的优点在于零件的批量处理。通过采用高压慢速旋转技术和窄脉冲保形离子注入技术、复合离子注入与沉积等方法，全方位离子注入与沉积技术已经能够批量处理轴承内外套圈、滚珠、偏心轴等工业零件，能够使这些零件的使用寿命和性能大大提高。

关键词：全方位离子注入与沉积，批量处理，工业零件

王浪平，哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室副教授，主要从事全方位离子注入与沉积技术基本理论及其工业化方法研究。联系电话：0451-86418728， E_mail: aplpwang@hit.edu.cn. 

1. 引言
上世纪八十年代末发展起来的全方位离子注入与沉积（PIII&D）技术，克服了传统束线离子注入直射性限制，特别适用于复杂形状精密机械零件批量处理[1-3]。在PIII过程中，待处理零件被浸泡在等离子体内，脉冲负高压加到零件上，零件周围形成正离子鞘层，离子在鞘层电位作用下，从各个方向垂直地注入零件表面，显著地改善了零件的抗磨损与腐蚀能力，因而近十年来，PIII技术在国内外获得了迅速发展。将传统束线离子注入技术和全方位离子注入技术相比较，人们可以清楚地看到全方位离子注入技术具有下列明显的优点：不需要复杂的转动靶台，也不需要束扫描装置，不需要靶罩，不存在保持剂量问题，可大大减少靶的溅射等等。
现有研究表明：采用气体或金属离子注入的方法可以增加材料表面的显微硬度，降低材料表面的摩擦系数和磨损失重，提高材料的抗腐蚀能力，采用离子注入+薄膜沉积的方法可以获得具有强膜基结合力的薄膜[4-6]。此外，由于全方位离子注入技术利用离子鞘层来实现离子的加速，这种技术可以实现零件的批量处理。因此，全方位离子注入与沉积技术在材料表面改性方面具有广泛的应用前景。

2. 全方位离子注入与沉积设备
图1为我课题组最新研制的用于批量处量的全方位离子注入与沉积设备。该设备主要由真空系统、金属等离子体源、高压靶台、射频等离子体源、磁控溅射系统等组成。它能够实现气体离子注入、金属离子注入、气体+金属离子混合注入、金属膜沉积、类金刚石膜沉积、化合物沉积以及上述多种工艺的复合。

 
图1 全方位离子注入与沉积批量处理设备

3. 强化效果
近年来, 我们采用气体离子注入，金属离子注入以及金属+气体离子混合注入的方法对9Cr18、Cr4Mo4V等轴承材料进行了PIII处理，并对处理后的样品进行了测试结果。图2为9Cr18试样摩擦特性曲线的测试结果，试样采用的处理工艺分别为N离子注入，Ta离子注入和Ti+C离子注入。
 
图2 经PIII处理后的9Cr18试样摩擦特性曲线

从图2可以看出这三种工艺对摩擦系数的影响基本上是相似的，均从处理前的0.9降至0.2左右，但是改性层的磨透圈数不一样，采用气体离子注入时改性层在1500转时已完全磨透，采用金属离子注入时改性层的磨透圈数为2300转，但是金属+气体离子混合注入的方法获得的改性层在3000转时仍然没有磨透，表明采用金属+气体离子混合注入的方法对轴承材料的改性效果最为明显，这主要是由于这种方法在材料表面合成了一些高硬度和高抗磨的强化相。
由于离子注入所获得的改性层比较浅，而采用增加注入能量的方法将会导致注入成本急剧增加，对于工业应用来说是不太现实的。因此，要获得足够厚度的改性层，必须采用全方位离子注入与沉积方法。该方法可以在薄膜合成时引入高能离子轰击，实际上是一种全方位的离子束增强沉积方法，它可以在复杂形状零件表面合成具有足够厚度、强膜基结合力、均匀和致密的改性层，从而大大提高零件的抗磨损能力。图3为我们采用该方法在9Cr18轴承钢表面合成的类金刚石（DLC）薄膜的Raman测试结果，薄膜内存在明显的sp3结构，表面这种方法能够在工业零件表面有效合成抗磨损薄膜。
 
图3 9Cr18表面合成的DLC薄膜Raman谱

4. 工业零件的批量处理研究
要真正实现全方位离子注入与沉积技术的工业化应用，必须实现工业零件的批量化处理，全方位离子注入与沉积处理的另外一个优点是批量处理技术。最近，通过采用高压慢速旋转技术和窄脉冲保形离子注入技术等方法，全方位离子注入与沉积技术已经能够批量处理轴承内外套圈、滚珠，特种心轴，航天用密封环等工业零件，能够使这些零件的使用寿命和性能大大提高。
我们对轴承滚珠的模拟研究表明：由于在滚珠与靶台之间存在接触点，如果接触点不动，接触点的注入剂量为零，下半部分的注入剂量也明显低于上半部分，因此注入剂量分布是不均匀的。如果采用高压旋转靶台，让滚珠在注入过程中慢速旋转，模拟研究表明注入剂量均匀性可以达到95%以上。在我们的设备上采用这种技术后，单次处理的滚珠可以超过50个。图4为采用高压旋转靶台批量处理的不同直径的轴承滚珠。图5为对3个滚珠进行全方位离子注入批量处理注入剂量的模拟结果。
 
图4 批量处理前后的滚珠滚珠
 
图5 不同滚珠表面注入剂量分布

对于轴承外圈来说，主要对内滚道进行强化处理，因此轴承外圈的批量注入处理可以借助内表面离子注入技术。采用全方位离子注入技术处理内表面的关键在于被处理件内部产生均匀的等离子体。通过在轴承内圈中心部位加一栅网和电极，然后将射频功率输入，就可以在外圈内部产生稳定而且均匀的等离子体。利用射频的自偏压效应，可以将电极作为一个溅射电极，如果同时在轴承外圈表面施加负高压脉冲，就可以在内表面形成具有强结合力的TiN, TiC和DLC等改性层。图6为轴承外圈批量处理示意图以及批量处理前后的轴承外圈滚道形状。

    
a) 轴承批量处理示意图             b)批量处理前后的轴承外圈
图6 轴承外圈批量处理示意图以及批量处理前后的轴承外圈

图7我们为一汽某配件厂批量处理的特种心轴，该心轴表面采用DLC膜制备工艺。采用带有公转的高压慢速旋转靶台，单次处理的心轴可达30根以上。工厂的实际使用表明：未进行处理前，该心轴的使用寿命不到1000次，采用DLC膜强化处理后，实际使用寿命达到了6000-7000次。
 
图7 批量处理的特种心轴
5. 结论
对全方位离子注入与沉积技术的研究表明该技术能够在复杂形状的工业零件表面获得性能优异的表明改性层，从而大大增加工业零件的性能和使用寿命。

参考文献
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