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CN101403101A - 一种快速硬质陶瓷涂层离子镀装置 - Google Patents

一种快速硬质陶瓷涂层离子镀装置 Download PDF

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CN101403101A
CN101403101A CNA2008101976449A CN200810197644A CN101403101A CN 101403101 A CN101403101 A CN 101403101A CN A2008101976449 A CNA2008101976449 A CN A2008101976449A CN 200810197644 A CN200810197644 A CN 200810197644A CN 101403101 A CN101403101 A CN 101403101A
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ceramic coating
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杨兵
丁辉
付德君
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Wuhan University WHU
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Wuhan University WHU
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Abstract

本发明公开了一种快速硬质陶瓷涂层离子镀装置,该装置包括由炉壁围成的真空室,真空室设有抽真空口,炉壁一侧设有炉门,真空室内设有圆形电弧靶和大功率柱形旋转电弧靶,圆形电弧靶分成2N列,N≥1,均匀分布在炉壁上,柱形大功率旋转电弧靶位于真空室的中心部位,圆形电弧靶和中心大功率柱形电弧靶之间的空间为离子镀沉积区,工件架分布于离子镀沉积区。这种设备充分利用了电弧离子镀技术的高离化率,大幅度提高了陶瓷涂层的沉积效率,克服了现有技术中为了提高附着力需要增加昂贵的离子源等缺点。具有镀膜效率高、镀膜成本低、操作方便等优点。可以满足工业上超厚陶瓷涂层的要求。在工业化大生产方面具有较好的应用前景。

Description

一种快速硬质陶瓷涂层离子镀装置
技术领域
本发明涉及一种快速硬质陶瓷涂层离子镀装置,属于镀膜技术领域。
背景技术
电镀铬广泛应用在航空航天、机械、电子、化工、五金等各个行业,是应用最为广泛的表面涂层。然而电镀铬过程中所排放的废水含有多种重金属,尤其是致癌的六价铬严重污染周边环境。随着对环保问题的日益重视,发达国家已经全面禁止电镀铬技术的使用,全部转包到包括中国在内的发展中国家,对环境造成了严重的污染。针对日益严重的环境问题,国家采取了更加严格的环境政策。最近规定,国内要逐步减少镀铬最关键的原料-铬酐的生产,将导致众多电镀企业关闭。
为了寻求替代技术,国际国内进行了长期大量的工作。主要集中在化学镀镍磷、热喷涂、电刷镀。化学镀镍磷处理工艺存在一定程度的污染,并且硬度较低(Hv 500-600);热喷涂的效率较高,但对基体材料有一定要求,喷涂的材料有限,喷涂的表面粗糙,需要二次加工;电刷镀具有比电镀更好的附着力,对形状比较简单的部件使用效果较好,在大型机械设备大轴的修复中发挥了良好的作用,而对形状复杂的工件则无法进行有效的镀层,在性能上无法和电镀铬相比。用无污染的物理气相沉积技术(Physical Vapor Deposition:简称PVD)镀陶瓷涂层来代替传统的电镀铬涂层是近年来发展的趋势,国内外不少研究机构进行了许多有益的尝试,包括电子束蒸法、离子束溅射、阴极电弧沉积以及磁控溅射等。其中电子束蒸发镀膜效率较高,但其镀膜方向性较强、均匀性较差、附着力低、不利于复杂外型工件的制备;传统磁控溅射方法制备的涂层没有液滴问题,同时制备温度较低,可以在各种基体材料(如钢铁、有色金属、塑料等)上进行制备,但载能离子较少,涂层速率较低,难以进行厚膜制备。上述方法在进行厚膜制备时达到一定厚度后涂层生长速率降低,同时由于应力增大会导致涂层脱落,不能进行规模化的工业生产。
电弧离子镀技术由于具有离化率高、沉积速率快、离子能量大、成本低等特点,可在室温下制备出面积大、致密性好、结晶优良的薄膜,制备方法简单,工艺参数容易控制,适合工业化生产,是目前硬质涂层的主要制备技术。但常规电弧离子镀设备靶的数量较少,真空室较大,导致整个设备中等离子体密度比较低,涂层的沉积速率、硬度以及附着力比较差。沉积速率一般在3微米/小时以下。现有的电镀产品中,许多产品要求涂层在80-100微米,为了达到替代的要求,PVD陶瓷涂层的厚度必须在20微米以上,现有的常规电弧离子镀涂层设备由于沉积速率较低,基本无法满足厚涂层的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有电弧离子镀设备存在的涂层沉积速率、硬度以及附着力差的缺点,并提供一种快速硬质陶瓷涂层离子镀装置,该装置具有较好的离子镀效果和镀厚膜能力。
实现本发明目的的技术方案是:一种快速陶瓷涂层离子镀装置,至少包括由炉壁围成的真空室,真空室设有抽真空口,炉壁一侧设有炉门,真空室内设有圆形电弧靶和磁场控制的大功率旋转电弧靶,圆形电弧靶分成2N列,N≥1,均匀分布在炉壁上,大功率旋转电弧靶位于真空室的中心部位,圆形电弧靶和大功率旋转电弧靶之间的空间为离子镀沉积区,工件架分布于离子镀沉积区,圆形电弧靶和大功率旋转电弧靶分别与供电电源连接。
上述圆形电弧靶分成四列,均匀分布在炉壁上。圆形电弧靶的后面设有磁铁,大功率旋转电弧靶后设有线圈,磁场由线圈通电产生,大功率旋转电弧靶呈柱形,其电流范围为150~300A。圆形电弧靶直径为60-100mm,设有12-16个圆形电弧靶,圆形电弧靶和大功率旋转电弧靶靶材均为Cr、Zr或者Ti。真空室高度为0.5-1.5米,直径为700-900mm。全部离子镀沉积区为环形区域。真空室内靠近炉壁处设有多个加热器。且工件架下方设有驱动机构,以及由驱动机构驱动的自转转盘和公转转盘,工件架安装于自转转盘上,自转转盘则安装于公转转盘上。
由上述技术方案可知本发明的真空室内设有圆形电弧靶、柱形大功率旋转靶和独立工件架,圆形电弧靶在真空炉壁上均布,柱形大功率旋转电弧靶位于真空炉的中心,工件架位于圆形电弧靶和柱形电弧靶之间的离子镀沉积区。在真空室中,一共有12-16电弧靶,通过这样的布局方式,磁场把等离子体紧紧的约束在圆形电弧靶和大功率电弧靶之间,等离子体密度大大提高,当对各种复杂工件进行镀膜时,由于电弧靶的高离化率,工件浸没在等离子体当中,离子轰击的效果非常显著,涂层的均匀性得到了良好的保证。
本发明中电弧靶和磁控靶之间的空间为环形离子镀沉积区,由于电弧靶的高离化率,磁场又把等离子体紧紧的约束在电弧靶和磁控靶之间,使沉积区等离子体密度大大提高。常规镀膜设备中,由于靶的数量较少,镀膜时由于工件要旋转进行公转和自转,当工件面对靶时则进行涂层沉积,而当工具转过靶面前而远离靶时则不能进行镀膜过程,所以导致镀膜速率较低,不能进行厚涂层的制备。而在本镀膜装置中,由于整个真空室壁上全部装满靶,同时真空室中间也有靶,在镀膜时,工件可以面对更多的靶,当工件转到炉壁靶前时进行镀膜,而当其转到面对真空室中间的靶时一样还在进行镀膜,几乎没有空余的不镀膜时间,因此涂层的沉积速率比常规的设备要快两倍以上。此外,当对各种复杂工件进行镀膜时,工件完全浸没在等离子体当中,离子轰击的效果非常显著,涂层的均匀性得到了良好的保证。
本发明中工件架由驱动机构带动在环形离子镀沉积区自转和公转,提高了涂层的均匀性。真空室壁上安装有加热器,可以方便的调节真空室中的温度。
本发明与目前国内外通用的镀膜设备不同,充分综合利用了电弧离子技术、柱形大功率旋转电弧靶技术,不但可以制备各种单一厚涂层如TiN、CrN、ZrN等,还可以制备多元厚涂层如TiAlN、CrAlN等,很好地改进了涂层厚度的均匀性,改善了涂层质量,提高了涂层附着力。可以很方便地开展各种各样涂层的研究和生产工作。本发明可采用计算机进行自动控制和半自动控制生产过程,其综合性能大大提高。因此,本发明不仅使应用领域更为广泛,具有更高的生产效率,而且保证了大范围内设备涂层均匀性,镀膜质量更高,附着力更强。
总之,本发明提供的设备充分体现了各种先进镀膜技术的优点,克服了现有许多制备系统的缺点,具有镀膜效率高、镀膜成本低、操作方便等特点。可以很方便的进行工业化大生产,具有极大的应用价值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为用本发明装置制得的CrN厚涂层表面形貌图。
图3为用本发明装置在30分钟条件下制备的CrN涂层截面扫描电镜形貌图
图4为本用发明装置在120分钟条件下制备的CrN涂层截面扫描电镜形貌图。
图中1.炉门、2.真空抽气口、3.加热器、4.大功率旋转电弧靶、5.工件架、6.圆形电弧靶
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明:
由图1所示,本发明提供的快速硬质陶瓷涂层离子镀装置的真空室由炉壁围成,真空室高度为0.5-1.5米,直径为700-900mm。真空室侧面设有炉门1,以方便工件的装卸。真空室设有抽真空口2,抽真空机组通过抽真空口2对真空室进行抽真空,抽真空机组可由扩散泵和机械泵组成,也可以采用分子泵,极限真空可以达到8×10-4Pa。圆形电弧靶6分四列均布在炉壁上,圆形电弧靶直径为60-100mm,圆形电弧靶的后面设有磁铁,设有12-16个圆形电弧靶,真空室的中心部位为大功率旋转电弧靶4,大功率旋转电弧靶后设有线圈,磁场由线圈通电产生,大功率旋转电弧靶4呈柱形,由大功率逆变中频电源供电,其电流范围为150~300A,通过靶中高速旋转的磁铁来控制电弧运动。圆形电弧靶和大功率旋转电弧靶靶材均为Cr、Zr或者Ti。炉壁上安装有多个加热器3,可以方便的调节真空室中的温度。圆形电弧靶6和大功率旋转电弧靶4之间的空间为离子镀沉积区,离子镀沉积区为环形区域,工件架5分布于离子镀沉积区,且工件架5下方设有驱动机构,以及由驱动机构驱动的自转转盘和公转转盘,工件架5安装于自转转盘上,自转转盘则安装于公转转盘上,驱动机构可以是常见的直流电机带动的齿轮传动机构。齿轮传动机构转速通过变频器调节。公转大齿轮由直流电机带动,整个工件架公转。自转小齿轮与公转大齿轮啮合,由公转大齿轮带动使工件自转;通过调整转速调节涂层的结构,提高涂层的均匀性。样品装在工件架5上,在中心柱形大功率旋转电弧靶4和炉壁上的圆形电弧靶6之间进行公转和自转。该布局使真空室中等离子体密度大幅度增加,工件完全浸没在等离子体中。使涂层沉积速率、硬度、附着力得到较大的提高。
本发明提供的快速硬质陶瓷涂层离子镀装置的具体使用实例如下:
实验靶材为99.95at.%高纯Cr、Ti或者Zr靶;镀膜试样分别为硬质合金和数控线切割机床切割成20mm×50mm×1mm的不锈钢片,经预磨、抛光和严格的清洗处理后放入沉积系统中进行CrN涂层制备。衬底负偏压为0~1200V连续可调。工作气体为N2和Ar,由质量流量计控制。衬底转速可调。
实例1:在0.5Pa、负150V偏压的条件下利用磁场控制的金属Cr靶电弧放电制备纯Cr金属过渡层;然后通入氮气,气压升到2.3Pa,打开炉壁上所有的电弧靶和中间的旋转靶,利用氮气和从靶面蒸发出来的Cr反应生成CrN。其中通入氮气气体流量为200-600sccm;炉壁上单个圆形电弧靶电流金属靶的电流为60-80A。中心旋转靶电流在250-300A。
上述炉壁上圆形靶控制电弧运动的磁场由放置在电弧靶的后面由磁铁产生。在靶面产生强度为50高斯均匀分布的磁场。
上述辉光放电清洗在350-400℃,氩气环境下进行;辉光清洗结束后,金属Cr靶阴极电弧放电在0.5Pa条件下进行,金属过渡层的沉积厚度为100-200纳米;CrN涂层厚度在20-30微米。通入氮气气体流量为200-600sccm,氩气为10-50sccm。制备温度400-450℃,偏压为负150V。
实例2:在0.5Pa、负200V偏压的条件下利用磁场控制的金属Ti靶电弧放电制备纯Ti金属过渡层;然后通入氮气,气压升到1Pa,打开炉壁上所有的电弧靶和中间的旋转靶,利用氮气和从靶面蒸发出来的Ti反应生成TiN。其中通入氮气气体流量为100-250sccm;炉壁上单个圆形电弧靶电流金属靶的电流为40-60A。中心旋转靶电流在180-250A。
上述炉壁上圆形靶控制电弧运动的磁场由放置在电弧靶的后面由磁铁产生。在靶面产生强度为50高斯均匀分布的磁场。
上述辉光放电清洗在350-400℃,氩气环境下进行;辉光清洗结束后,金属Ti靶阴极电弧放电在0.5Pa条件下进行金属Ti过渡层的沉积,厚度为100-200纳米;TiN涂层厚度在15-20微米。通入氮气气体流量为100-200sccm,氩气为10-50sccm。制备温度400-450℃,偏压为负200V。
实例3:在0.5Pa、负100V偏压的条件下利用磁场控制的金属Zr靶电弧放电制备纯Zr金属过渡层;然后通入氮气,气压升到1.5Pa,打开炉壁上所有的电弧靶和中间的旋转靶,利用氮气和从靶面蒸发出来的Zr反应生成ZrN。其中通入氮气气体流量为150-350sccm;炉壁上单个圆形电弧靶电流金属靶的电流为80-110A。中心旋转靶电流在200-280A。
上述炉壁上圆形靶控制电弧运动的磁场由放置在电弧靶的后面由磁铁产生。在靶面产生强度为50高斯均匀分布的磁场。
上述辉光放电清洗在350-400℃,氩气环境下进行;辉光清洗结束后,金属Zr靶阴极电弧放电在0.5Pa条件下进行金属Zr过渡层的沉积,厚度为100-200纳米;ZrN涂层厚度在25-30微米。通入氮气气体流量为150-300sccm,氩气为10-50sccm。制备温度400-450℃,偏压为负200V。
图2为采用本装置制备的CrN厚涂层的表面形貌,从表面可以看出存在一定的孔洞和颗粒,这是电弧方法本身所具有的缺陷。
图3、图4分别是制备时间为30分钟、60分钟制得的涂层的截面形貌的扫描电镜图片,从图3中可以看出30分钟可以沉积5微米左右厚度的CrN涂层。从图4中可以看出经过120分钟沉积则可以获得近20微米的CrN涂层。达到每小时近10微米的生长速度,可以满足工业化陶瓷涂层快速制备的要求。

Claims (9)

1.一种快速硬质陶瓷涂层离子镀装置,至少包括由炉壁围成的真空室,真空室设有抽真空口,炉壁一侧设有炉门,其特征在于:真空室内设有圆形电弧靶和磁场控制的大功率旋转电弧靶,圆形电弧靶分成2N列,N≥1,均匀分布在炉壁上,大功率旋转电弧靶位于真空室的中心部位,圆形电弧靶和大功率旋转电弧靶之间的空间为离子镀沉积区,工件架分布于离子镀沉积区,圆形电弧靶和大功率旋转电弧靶分别与供电电源连接。
2.根据权利要求1所述的快速硬质陶瓷涂层离子镀装置,其特征在于:圆形电弧靶的后面设有磁铁,大功率旋转电弧靶后设有线圈,磁场由线圈通电产生。
3.根据权利要求1所述的快速硬质陶瓷涂层离子镀装置,其特征在于:圆形电弧靶分成四列,均匀分布在炉壁上,大功率电弧靶呈柱形,其电流范围为150~300A。
4.根据权利要求1或2所述的快速离子镀膜沉积装置,其特征在于:圆形电弧靶直径为60-100mm,设有12-16个圆形电弧靶,圆形电弧靶和大功率旋转电弧靶靶材均为Cr、Zr或者Ti。
5.根据权利要求1或2所述的快速离子镀膜沉积装置,其特征在于:大功率旋转电弧靶的供电电源为大功率逆变中频电源。
6.根据权利要求1或2所述的快速硬质陶瓷涂层离子镀装置,其特征在于:真空室高度为0.5-1.5米,直径为700-900mm。
7.根据权利要求1或2所述的快速硬质陶瓷涂层离子镀装置,其特征在于:全部离子镀沉积区为环形区域。
8.根据权利要求1或2所述的快速硬质陶瓷涂层离子镀装置,其特征在于:炉壁上安装有多个加热器。
9.根据权利要求1或2所述的快速硬质陶瓷涂层离子镀装置,其特征在于:工件架下方设有驱动机构,以及由驱动机构驱动的自转转盘和公转转盘,工件架安装于自转转盘上,自转转盘则安装于公转转盘上。
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PB01 Publication
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
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