技术领域：本发明涉及一种对圆球体和复杂形状的机械零件进行均 匀强化处理的方法和装置。

背景技术：机械零件的失效大多由于其工作表面磨损，腐蚀及疲劳 引起，为此，近百年来，各国学者一直在为提高机械零件表面抗磨损， 抗腐蚀及抗疲劳，延长其使用寿命而努力奋斗。提高零件表面抗磨损， 抗腐蚀及抗疲劳能力最常用的方法是在零件表面镀上一层膜，该膜层起 到保护表面的作用。为此，热处理、镀膜、多弧离子镀等等多种表面改 性技术获得了大规模的发展，并获得了实际应用。但是，由于热处理的 温度过高，金属零件易变形，其基体易受损；多种镀膜技术(包括磁控 溅射镀膜)虽然可得到均匀的、厚的膜层，但由于膜和基体之间有明显 的界面，膜基结合力不够牢固，膜层易剥落，对于抗磨损要求比较严格 的零件，上述技术不能满足实际应用的要求。近四十年来，束线离子注 入技术获得了很快的发展。在束线离子注入过程中，高能离子束直接轰 击零件表面，被注入到基体近表面层中的离子和晶格粒子相互作用，形 成超硬的、化学性能很稳定的、新的化合物，因而获得了膜基结合力非 常牢固的理想改性层。大量研究结果表明：束线离子注入技术是现代材 料表面强化处理的非常重要手段。近40年来，束线离子注入技术得到深 入研究，广泛应用，它有力地推动了材料表面强化处理技术的发展，由 此又发展出了非常有用的离子束增强沉积(IBED)和离子束辅助沉积 (IBAD)技术，它们把传统束线离子注入技术和薄膜涂覆技术有效地结 合起来，获得了比单纯离子注入技术或单纯薄膜涂覆技术好得多的表面 强化处理效果。但是，束线离子注入技术得到的膜层很薄，仅仅0.1～ 0.3微米，在强摩擦磨损应用中，这样薄的改性层是不能满足要求的； 特别是由于束线离子注入的直射性，它(包括IBED，IBAD)很难处理形 状复杂的零件，尤其是有沟槽的零件，如轴承内外滚道；加上束线离子 注入生产效率低，设备复杂，费用较高，因而它的应用实际上受到很大 限制。上世纪八十年代末发展起来的等离子体浸没离子注入(PIII)技 术，克服了束线离子注入的直射性限制，特别适用于处理形状复杂的零 件。在PIII过程中，待处理零件被放置在等离子体内，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。近十年来PIII技术在我国，在全世界都获得了 迅速发展。大量研究工作表明：PIII显著地改善了许多零件的抗磨损与 腐蚀能力。PIII在我国被称为全方位离子注入，该技术的研究与工业应 用的开发也被列入了我国第九，第十个五年计划。我们曾在1995年11 月15日申请了“用于材料表面改性的等离子体浸没离子注入装置”的发 明专利，在1999年8月28日被正式授专利权，专利号为ZL 951 18169.6， 国际专利主分类号：C23C 14/48。随着研究工作的深入开展，学者们发 现：初期PIII技术仍然存在许多不足之处，初期PIII主要是气体(氮) 等离子体注入，缺乏抗磨元素、合金元素、添加元素，对于含合金元素 很少或不含合金元素的金属来说，氮等离子体注入不起大的作用，因而 在进行PIII处理时，除了要有气体等离子体源外还应当有金属等离子体 源。虽然我们在“用于材料表面改性的等离子体浸没离子注入装置”上， 首先配置了“金属蒸汽真空电弧(MEVVA)等离子体源”，由于这种金 属源来自束线离子注入机，其技术指标远远不能满足要求，必须研制新 一代“强流阴极弧金属等离子体源”。单纯的PIII技术和束线离子注入 技术一样，由于它们获得的膜的膜层都很薄，在强摩擦磨损应用中仍然 受到很大的限制。美国劳伦茨贝克莱国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)首先报导了他们将强流阴极弧金属等离子体源用于 材料表面强化处理，实现了金属等离子体浸没离子注入与沉积 (MePIIID)，获得了比单纯PIII技术好得多的表面改性效果。我们的大量 研究工作也证明：强流阴极弧金属等离子体源是材料表面强化处理不可 缺少的手段，MePIIID是材料表面强化处理的最重要的，不可缺少的工 艺与技术。MePIIID本质上是全方位离子束增强沉积，在MePIIID过程 中，当金属源电弧脉冲宽度小于等于高压偏压脉冲宽度时，可实现纯金 属离子注入；当只有金属源电弧脉冲，无高压偏压脉冲时，可实现纯金 属薄膜沉积；当金属源电弧脉冲宽度大于高压偏压脉冲宽度时，既可进 行金属离子注入，又可进行金属薄膜沉积。如果在有反应气体条件下进 行MePIIID，或将强流阴极弧金属等离子体源与气体等离子体源一起使 用，我们可获得化合物膜，梯度结构膜，因而可获得非常理想化学配比 的、一定膜厚的、膜基结合力非常牢固的改性层，从而完全克服了初期 PIII技术上不足之处。众所周知，轴承是使用最为广泛的机械零件，它 在航空、航天、核工业、汽车与高速列车、精密仪器与机械等等多种领 域起到十分关键的作用，一旦轴承失效将严重影响整个系统正常工作， 甚至于影响整个系统寿命。轴承也是很便宜的机械零件，但是一旦轴承 失效，在诸如人造卫星、航空航天飞行器、原子能反应堆、精密仪器与 机械等等系统中，更换失效轴承所需费用十分昂贵。近十几年来，国家 为提高航空、航天、核工业等等部门所用轴承的抗磨耐腐能力，延长使 用寿命，投入了大量人力物力。因而提高轴承的抗磨耐腐能力关系着我 国国防事业的发展，关系着我国工业总体水平的提高。轴承是一种精密 传动零件，主要由内外滚道及滚珠构成。滚珠材料可以是金属及陶瓷两 种。在这里，我们不讨论内外滚道及滚珠制造技术与工艺，仅讨论学者 们关心的如何进一步提高已制成的内外滚道及滚珠的抗磨耐腐能力，从 而有效地延长轴承的使用寿命。传统束线离子注入技术(包括IBED， IBAD在内)很难实现轴承内外滚道表面均匀强化处理。为了提高滚珠 的抗磨耐腐能力，最常用的技术手段是镀膜。前面已论述了，在对于抗 磨损要求比较严格的零件中，镀膜方法不可取，因为膜层容易剥落。近 十几年来，国家投巨资在束线离子注入上，由于高能离子束经束扫描器 扫描后，直接轰击滚珠表面，总有部分离子束不能完全垂直于滚珠表面， 带有切向角的离子束会使滚珠表面溅射，从而形成滚珠表面注入剂量不 均匀性，此技术仍然不能被工业界接受。

发明内容：本发明为解决现有的技术和设备难以对球形的工件表面 进行均匀强化处理的问题，而研制一种滚珠全方位离子沉积表面强化处 理方法及装置。本发明的滚珠全方位离子注入与沉积表面强化处理方法 是：运用金属等离子体浸没离子注入与沉积技术；所采用的设备是多功 能等离子体浸没离子注入装置和强流阴极弧金属等离子体源；工件放在 多功能等离子体浸没离子注入装置内的高电压慢速旋转靶台上，使工件 处于10～60KV的高电位，并在靶台上匀速自转。工件旋转的线速度控 制在0.01～0.5米/分之间。强流阴极弧金属等离子体源的最大脉冲弧流 为450A，弧流脉冲宽度4.5ms可调。本发明的滚珠全方位离子注入与沉 积表面强化处理的装置包含多功能等离子体浸没离子注入装置A和设置 在多功能等离子体浸没离子注入装置A上的强流阴极弧金属等离子体源 B，它还包含有高电压慢速旋转靶台C，该高电压慢速旋转靶台C包含 有设置在多功能等离子体浸没离子注入装置A的真空室A-2内的带有高 电位的工件旋转装置1、高压绝缘瓷套2、以及设置在真空室A-2外面 的高压绝缘瓷杆5、电机及减速器6、高压引入装置、不锈钢管8，工件 旋转装置1由一固定不动的固定盘1-1和绕垂直的中心轴线转动的动盘 1-2组成。在固定盘1-1上开有用于放置被处理工件K的通孔1-3，通孔 1-3的内侧面与被处理的工件K的外表面相吻合，动盘1-2的上面与被 处理工件K相接触，动盘1-2经不锈钢管8和高压绝缘瓷杆5与电机及 减速器6相连接。工作时动盘1-2转动并靠摩擦力带动被处理工件K自 转，而带有高电位的工件旋转装置1使工件处于高电位。本发明的方法 采用金属等离子体浸没离子注入与沉积(MePIIID)技术，本发明的设备应 用了“多功能等离子体浸没离子注入装置”(Model-4PIII装置)、“高电压 慢速旋转靶台”(GMXB)以及“强流阴极弧金属等离子体源”，其磁导管 出口处300mm处的靶上，可获得大于2/s沉积速率。这样高的技术指 标到目前为止未见国内外文献报导。用这种设备，我们可获得非常理想 化学配比的、一定膜厚的、膜基结合力非常牢固的大面积改性层，满足 了抗磨耐腐应用的需要。在PIII，或MePIIID过程中，靶台处于高电位， 要求滚珠和靶台接触非常好，不良的接触或断断续续的接触会造成严重 的高电压打火，高电压打火会严重损伤滚珠表面。保证在PIII或MePIIID 处理过程中，既保持滚珠能在靶台上均匀翻滚，也能保持滚珠和靶台有 良好的电接触是“高电压慢速旋转靶台”的技术关键，我们研制的“高 电压慢速旋转靶台”完全满足了技术要求，而且所研制的“高电压慢速 旋转靶台”在任何时候都能始终保持油冷却，使被处理滚珠保持低的工 作温度，避免了工作过程中由于高的工作温度损伤滚珠。在我们研制的 “高电压慢速旋转靶台”结构中，完全可以实现滚珠大批量处理，被处 理滚珠数量只和靶台大小有关，在我们的设计中靶台完全可以定标放大， 因而有很高的处理(生产)效率。本发明采用了金属等离子体浸没离子 注入与沉积(MePIIID)技术与工艺，强化处理滚珠(包括多种复杂形 状精密机械零件)表面，可获得比采用镀膜技术强得多的膜基结合力， 而且膜的化学配比更为理想；可获得比束线离子注入好得多的注入剂量 均匀性，薄膜厚度沉积均匀性。因而，和镀膜及束线离子注入技术相比， MePIIID是一种对于滚珠(包括多种复杂形状精密机械零件)表面强化 处理非常有效的技术与工艺。本发明所提出的第三代“强流阴极弧金属 等离子体源”可保证在Model-4PIII装置内实现MePIIID这种先进的技 术与工艺。和传统束线离子注入机相比，本发明具有以下特点：(1)设 备简单，容易维护，投资费用低；(2)滚珠(或圆球体)表面可获得非 常理想的均匀强化批量处理，其耐磨抗腐性能力可显著提高；(3)本发 明也适用于处理绝大多数复杂形状精密机械零件(包括轴承内外滚道)； (4)处理(生产)效率高，处理费用低；(5)本发明对环境无任何污染。 本发明应用领域非常广泛，它适用于处理磨损应用中的绝大多数复杂形 状精密机械零件；本发明提出的MePIIID技术与工艺也广泛适用于处理 半导体、微电子器件、陶瓷零件和聚合物。因为轴承是使用最广泛的工 业零件，提高它的抗磨耐腐能力，有效地延长它的使用寿命，不仅能产 生巨大的经济效益，而且能产生巨大的社会效益，它将有效地提高我国 高技术产业的水平，它也将有效地提高我国工业的总体质量。

附图说明：图1是本发明的滚珠全方位离子注入与沉积表面强化处 理装置的总体结构示意图，图2是图1中强流阴极弧金属等离子体源B 的结构示意图，图3是图1中高电压慢速旋转靶台C的结构示意图，图 4是具体实施方式一中旋转装置1的结构示意图，图5是具体实施方式 二中工件旋转装置1的结构示意图，图6是图5的N-N剖视图，图7是 具体实施方式三中工件旋转装置1和金属栅网M的结构示意图。

具体实施方式一：本实施方式的滚珠全方位离子注入与沉积表面强 化处理方法是：运用金属等离子体浸没离子注入与沉积技术(MePIIID)。 所采用的设备是多功能等离子体浸没离子注入装置(Model-4PIII)、高电 压慢速旋转靶台(GMXB)以及强流阴极弧金属等离子体源，工件放在多 功能等离子体浸没离子注入装置内的高电压慢速旋转靶台上，使工件处 于30KV的高电位，并在靶台上以0.1米/分的线速度自转。强流阴极弧 金属等离子体源的最大脉冲弧流为450A，弧流脉冲宽度4.5ms。

本实施方式的滚珠全方位离子注入与沉积表面强化处理装置(参阅 图1)由多功能等离子体浸没离子注入装置A、强流阴极弧金属等离子体 源B、高电压慢速旋转靶台C组成。多功能等离子体浸没离子注入装置 A由射频放电装置A-1、真空室A-2、灯丝电子枪装置A-3、真空装置 A-4和供气装置A-5组成；射频放电装置A-1安装在真空室A-2的顶部； 一个强流阴极弧金属等离子体源B安装在真空室A-2顶部的中心处，多 个强流阴极弧金属等离子体源B均匀分布在真空室A-2的侧壁上；高电 压慢速旋转靶台C安装在真空室A-2的底部。参阅图2，强流阴极弧金 属等离子体源B由磁导管B-1、阳极电极B-2、触发电极B-3、阴极电极 B-4组成，磁导管B-1为弧形导管，阴极电极B-4设置在磁导管B-1的 外端管口处，触发电极B-3设置在阴极电极B-4的下端，阳极电极B-2 设置在触发电极B-3的下方。用该阴极弧金属等离子体源B可以在 Model-4PIII装置内对滚珠(包括复杂形状精密零件)表面实现理想的 MePIIID强化处理。该金属源可单独使用，可在待处理滚珠表面上实现 纯金属离子或气体离子注入，或纯金属薄膜沉积，或离子注入与金属薄 膜沉积；可在有反应气体条件下使用该金属源，可在待处理滚珠表面上 形成化合物膜；该金属源和气体等离子体源共用，可在待处理滚珠表面 上形成所需膜厚，有理想化学配比，强膜基结合力的化合物膜，梯度结 构膜，从而使待处理滚珠表面获得非常理想的表面强化处理效果。该金 属等离子体源采用了双磁约束，即放电电弧的磁约束及输运金属等离子 体的磁约束；采用了脉冲磁场，在增加对放电电弧与金属等离子体的磁 约束能力的同时，大大减少了金属等离子体源的发热，有效地延长了金 属等离子体源连续工作的时间；在磁导管根部增加了磁场线圈，有效地 约束了磁导管根部处金属等离子体，减少了金属等离子体的损失，增加 了金属等离子体输运路程。参阅图3，高电压慢速旋转靶台C由设在真 空室A-2内的工件旋转装置1、高压绝缘瓷套2、以及设置在真空室A-2 外面的高压冷却油箱4、高压绝缘瓷杆5、电机及减速器6、高压引入装 置、不锈钢管8组成。高压绝缘瓷套2设置在真空室A-2的底部的中心 处，高压绝缘瓷套2的底端与真空室底部的真空室法兰3固定连接，工 件旋转装置1安装在高压绝缘瓷套2的上方。参阅图4，工件旋转装置1 由一固定不动的固定盘1-1和绕垂直的中心轴线转动的动盘1-2组成， 在固定盘1-1上开有用于放置被处理工件K的通孔1-3，通孔1-3的内侧 面为球形面，用于放置待处理的滚珠等球形工件，动盘1-2的上面与被 处理工件K相接触。动盘1-2经不锈钢管8和高压绝缘瓷杆5与电机及 减速器6相连接。高压冷却油箱4的上端与真空室法兰3形成密封连接， 高压绝缘瓷杆5和不锈钢管8位于高压冷却油箱4的内部，电机及减速 器6安装在高压冷却油箱4的下面。高压引入装置由下不锈钢电极9和 上不锈钢电极10组成，上不锈钢电极10安装在高压绝缘瓷套2的上端， 工件旋转装置1安装在上不锈钢电极10上，上不锈钢电极10和下不锈 钢电极9分别与不锈钢管8的上下端电连接，下不锈钢电极9连接电缆 12。在固定盘1-1的下面还连接有托盘11，托盘11与上不锈钢电极10 的基座10-1固定连接。负的高电压脉冲通过高压电缆12从油箱侧面引 入，通过高压引入电极和不锈钢管2使工件旋转装置处于高电位。在固 定盘1-1上的通孔1-3的直径为待处理工件直径的三分之二，滚珠表面 大部分露在固定盘1-1的上方，滚珠的下面与动盘1-2接触，靠摩擦力 使滚珠转动，并使滚珠处于高电位。冷却油从油箱底部进入到不锈钢管 中，流经高电压不锈钢电极从不锈钢管外向下流入油箱，从油箱底部流 出。

具体实施方式二：参阅图5、图6，本实施方式与具体实施方式一不 同的是：工件旋转装置1的固定盘1-1上的通孔1-3为沿圆周切向的长 条形孔，其两端的侧面为圆柱面，该通孔用于放置轴承内外环等工件。 其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：参阅图7，本实施方式与具体实施方式一、二不 同的是，在工件旋转装置1的固定盘1-1上的被处理工件K的上面设有 金属栅网M，金属栅网M的透明度为90％～99％。金属栅网的材料是钛 金属或镀铬不锈钢。用该金属栅网M后可以增加氮化钛或氮化铬的形 成，增强表面强化处理效果。目前在PIII，或MePIIID技术中，绝缘材 料表面改性处理是一个大难题，陶瓷材料表面改性处理仍然处于研究阶 段，技术上仍有一定的困难。我们用金属栅网法成功地解决了陶瓷滚珠 的表面强化处理，获得了很理想的改性效果。陶瓷滚珠被放置在金属圆 盘内，金属栅网被放置在离陶瓷滚珠0.5～9mm处，加负高压脉冲的金 属栅网与正离子鞘层之间的强电场，使鞘层处的离子向金属栅网加速， 有的被加速离子打在金属栅网上，由于金属栅网有高的透明度，大多数 被加速离子穿过栅网孔，打在翻滚着的陶瓷滚珠表面上。我们的研究工 作表明：对于直径不大的陶瓷滚珠，可以不加金属栅网也能实现均匀的 离子注入与沉积。