CN113151797A - 一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型真空镀膜前离子清洗工艺，包括以下步骤：1、超声波清洗等离子基体表面杂质，装炉；2、在真空涂层设备内进行弧光增强氩离子轰击以清除基体表面杂质，采用电弧离子镀作为离化源，提供的电子流密度可达10⁺¹⁹/m³，同时其对面的柱状镀膜阴极在此过程转换为阳极，将高密度的电子流引向通过被清洗工件区域，将Ar原子离化，Ar+流作为对工件的离子清洗源使用；3、进入真空镀膜工艺步骤。本申请所述工艺既可以提供高密度的离子流清洗工件，保证工件各个角度得到充分清洗；又可以在使用较低偏压的情况下，防止过高金属离子流对精密工件的过度轰击作用，损坏工件。

Description

一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺

技术领域

本发明涉及材料表面改性技术领域，具体涉及一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺。

背景技术

四面体非晶碳膜(简称ta-C膜)是一种类金刚石薄膜，沉积温度低，它的sp2与sp3键的比值较高，膜层sp3杂化键占比大于50％，与其他DLC涂层相比，具高硬度、高弹性模量、润滑性好、电阻率高以及良好化学惰性等特点，可以有效降低摩擦系数。在刀具进行切削过程中，为了提高切削性能，需要刀具的涂层厚度尽可能小，基于ta-C膜的诸多特点，在刀具表面涂覆性能优异的ta-C涂层可以提高刀具性能，并可延长刀具的使用寿命。

非晶碳薄膜主要由sp3碳原子和sp2碳原子相互混杂的三维网络构成，具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损、耐腐蚀以及化学稳定性等优异性能。物理气相沉积(Physicalvapor deposition,PVD)或化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)方法中，ta-C薄膜的形成是碳离子注入亚表面并在其内部生长的过程。沉积粒子能量直接影响薄膜中碳原子的键态结构和薄膜性能。因此，沉积过程中的粒子离化率和能量是调控ta-C薄膜结构和性能的关键参数，而统制备方法难以实现薄膜结构及其性能的综合调控。利用高功率脉冲磁控溅射(High power impulse magnetron sputtering,HiPIMS)离子沉积特性制备非晶碳薄膜，通过施加低占空比的瞬时高功率脉冲，大幅提高了磁控溅射等离子体密度(可达10⁺¹⁹/m³量级)，可用来调控薄膜组分和微结构，制备光滑致密薄膜，使其获得优异力学、光学和电学等特性。而非氢类金刚石也被称为无氢四面体非晶碳，其较为成功的制作方法主要是HIPIMS+OSC(高功率脉冲磁控溅射+振荡器)、Laser-Arc(激光弧沉积)以及FCVA(磁过滤阴极真空电弧)。

在硬质合金表面镀ta-C膜在很大程度上提高了材料性能，使得材料发挥了更大的作用，但膜基结合力稍差，从而限制了性能的提高，未达到预期的效果。提高膜基结合力一直是该领域的一个难题，而通过对材料进行简单离子清洗工艺的前处理方法来提高膜基结合力的效果并不好。现有的对于沉积ta-C膜的前处理工艺，主要是通过控制温度和压力，借助弧光电子流激发的等离子体清洗，进行离子轰击清洗，通过一些简单的离子轰击清洗，并未很好的提高膜基结合力，如果偏压较高反而可能会导致轰击过度，损坏工件。因此，开发一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺具有重要的实际意义。

发明内容

本发明技术在真空涂层设备内进行弧光增强氩离子轰击，设计了特殊的结构布局，采用电弧离子镀作为离化源，可以提供很高的电流密度，同时其对面的柱状镀膜阴极在此过程转换为阳极，将高密度的电子流引向通过被清洗工件区域，保证工件各个角度得到Ar⁺流的充分清洗，可以保证在较低偏压下进行，从而防止轰击过度损伤工件。

本发明采用的技术手段如下：

一种真空涂层设备，所述设备本体包括真空腔及设于真空腔内的电弧增强源、圆柱形磁控溅射靶位、挡板和物料托盘；圆柱形磁控溅射靶位位于真空腔室的四个顶角，其中两个圆柱形磁控溅射靶位中间设有电弧增强源，电弧增强源前设有挡板；

真空涂层设备包括磁控溅射模式和清洗模式，当采用清洗模式时，电弧增强源对侧的两个圆柱形磁控溅射靶位可作为电弧增强靶位使用，电弧增强靶位为阳极靶位。

一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺，采用上述真空涂层设备，具体包括如下步骤：

(1)超声波清洗等离子基体表面杂质，然后装入真空涂层设备；

(2)在真空涂层设备内进行弧光增强氩离子轰击以清除基体表面杂质，工作步骤如下：

S1：对真空涂层设备的真空腔抽真空并加热；

S2：开启圆形的电弧增强源，使用Ti作为靶源，开启后产生大量钛离子Ti⁺和电子e^-，钛离子Ti⁺喷溅于靶前的挡板，防止污染物料托盘上待清洗工件；

S3：在进行S2的同时，向真空腔内通入氩气Ar，并将圆形的电弧增强源对侧的两个电弧增强靶位接通电源正极，柱状镀膜阴极在此过程转换为阳极，将S2产生的电子引向并通过待清洗工件区域；

S4：产生的大量电子e^-绕过挡板，被对侧正电位的电弧增强靶位吸引，与进入真空腔室内的氩气原子碰撞，形成高密度Ar⁺、Ar⁺⁺流；

S5：将物料托盘接负偏压，S4中产生的大量氩气离子Ar⁺、Ar⁺⁺在电场作用下轰击物料托盘上的待清洗工件，将其表面杂质清洗掉；

S6：待清洗完成后，两个接正极的电弧增强靶位转接负极，作为下一步的镀膜源使用，同时旋转180度，通入氩气Ar，在磁控溅射模式下自溅射清洗靶面，将其表面杂质溅射到真空腔室壁上，其靶前不设置挡板；

(3)进入真空镀膜工艺步骤。

进一步地，步骤(1)中超声波的频率为25～45kHz。

进一步地，步骤(2)中，针对S1中，真空腔的温度加热到350～550℃，去除基体表面水分，使真空度达到6×10^-3Pa以下。

进一步地，步骤(2)中，针对S3中，氩气Ar流量为40～160sccm，两个电弧增强靶位接通电源正极40～200V。

进一步地，步骤(2)中，针对S5中，物料托盘接负偏压为120～300V，清洗时间为15～40min，S4中产生的大量氩气离子Ar⁺、Ar⁺⁺在电场作用下轰击物料托盘上待清洗的工件，可以在使用较低偏压的情况下，防止过高金属离子流对精密工件的过度轰击作用，损坏工件。

进一步地，步骤(2)中，针对S6中，氩气Ar流量为50～200sccm。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

采用本发明技术方案可以避免高偏压产生离子轰击过度损伤工件，可以保持更高密度的电子流，通过阴阳极的转换，将高密度电子流引向被清洗工件区域，可以保证各个角度的充分清洗，可以更好的提高膜基结合力。本发明具有降低损伤工件，充分清洗，提高生产效率，促进更好的膜基结合力，提高膜的沉积厚度和硬度等优点，可应用于硬质合金镀ta-C膜的前处理工艺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明设备布局图，其中，1-电弧增强源，2-电弧增强靶位，3-挡板，4-物料托盘；

图2中(1)-(4)分别为实施例1-4制备的ta-C膜界面图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明技术方案作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

本发明的清洗工艺中所用到的仪器分别为：

(1)M308457超声波清洗机。

本发明所采用的测试方法：

(1)Quanta FEG场发射环境扫描电子显微镜(带能谱仪)；

(2)NANO Indenter G200型纳米压痕仪测量硬度和弹性模量；

(3)WS-2005涂层划痕试验机

(4)ESCALAB250型原子力显微镜观察表面粗糙度。

本发明的工艺包括如下步骤：

(1)超声波清洗等离子基体表面杂质，然后装入真空涂层设备；

(2)在真空涂层设备内进行弧光增强氩离子轰击以清除基体表面杂质；

所述设备本体包括真空腔及设于所述真空腔内的电弧增强源、圆柱形磁控溅射靶位、挡板和物料托盘；圆柱形磁控溅射靶位位于真空腔室的四个顶角，其中两个圆柱形磁控溅射靶位中间设有电弧增强源，电弧增强源前设有挡板；所述设备包括磁控溅射模式和清洗模式，当采用清洗模式时，电弧增强源对侧的两个圆柱形磁控溅射靶位可作为电弧增强靶位使用，此时电弧增强靶位为阳极靶位，如附图1所示；

具体工作步骤如下：

S1：对真空涂层设备的真空腔抽真空并加热至350～550℃，真空度达到6×10^-3Pa以下；

S2：开启圆形电弧增强源1，使用Ti作为靶源，开启后产生大量钛离子Ti⁺和电子e^-，钛离子喷溅于靶前挡板3，防止污染物料托盘4上待清洗工件；

S3：在进行S2的同时，向真空腔内通入氩气Ar，流量40～160sccm，并将圆形的电弧增强源对侧的两个电弧增强靶位2接通电源正极40～200V，将S2产生的电子引向并通过待清洗工件区域；

S4：产生的大量电子e^-绕过挡板，被对侧正电位电弧增强靶位2吸引，与进入真空腔室内的氩气原子碰撞，形成高密度Ar⁺、Ar⁺⁺流；

S5：将物料托盘接负偏压120～300V；S4中产生的大量氩气离子Ar⁺、Ar⁺⁺在电场作用下轰击物料托盘4上待清洗的工件，将其表面杂质清洗掉；清洗持续时间15～40min；

S6：待清洗完成后，两个接正极的圆形电弧增强靶位2转接负极，作为下一步的镀膜源使用，同时旋转180度，通入氩气Ar，流量为50～200sccm，磁控溅射模式下自溅射清洗靶面，将其表面杂质溅射到真空腔室壁上，不需要在其靶前设置挡板；

(3)进入真空镀膜工艺步骤。

实施例1

(1)超声波30kHz清洗等离子硬质合金基体表面杂质，装炉；

(2)在真空涂层设备内进行弧光增强氩离子轰击以清除硬质合金基体表面杂质；

(3)对真空涂层设备的真空腔抽真空，真空度达到1.5×10^-3Pa，并加热至450℃；

(4)开启圆形电弧增强源1，使用Ti作为靶源，开启后产生大量钛离子Ti⁺和电子e^-，钛离子喷溅于靶前挡板3，防止污染物料托盘4上待离子清洗工件；

(5)同时圆形电弧增强源对侧两个电弧增强靶位2接通电源正极150V，将大量产生的电子吸引过去；

(6)同时向真空腔内通入氩气Ar，流量85sccm；

(7)产生的大量电子e^-绕过挡板，被对侧正电位电弧增强靶位2吸引，与进入真空腔室内的氩气原子碰撞，形成高密度Ar⁺、Ar⁺⁺流；

(8)物料托盘4接负偏压200V；步骤(7)中产生的大量氩气离子Ar⁺在电场作用下轰击物料托盘4上待清洗的工件，将其表面杂质清洗掉，清洗持续时间30min；

(9)待清洗完成后，两个接正极的电弧增强靶位2转接负极，作为下一步的镀膜源使用，同时旋转180度，通入氩气Ar，流量为110sccm，磁控溅射模式下自溅射清洗靶面，将其表面杂质溅射到真空腔室壁上；

(10)进入真空镀膜工艺步骤，获得性能优越的ta-C膜，即ta-C涂层粗糙度Ra0.08μm，涂层的硬度46.3GPa，膜基结合力达到57N，涂层厚度为0.55μm。

实施例2

(1)超声波40kHz清洗等离子硬质合金基体表面杂质，装炉；

(2)在真空涂层设备内进行弧光增强氩离子轰击以清除硬质合金基体表面杂质；

(3)对真空涂层设备的真空腔抽真空，真空度达到4.5×10^-3Pa，并加热至370℃；

(4)开启圆形电弧增强源1，使用Ti作为靶源，开启后产生大量钛离子Ti⁺和电子e^-，钛离子喷溅于靶前挡板3，防止污染物料托盘4上待清洗工件；

(5)同时圆形电弧增强源对侧两个电弧增强靶位2接通电源正极80V，将大量产生的电子吸引过去；

(6)同时向真空腔内通入氩气Ar，流量112sccm；

(7)产生的大量电子e^-绕过挡板，被对侧正电位电弧增强靶位2吸引，与进入真空腔室内的氩气原子碰撞，形成高密度Ar⁺，Ar⁺⁺流；

(8)物料托盘接4负偏压260V；步骤(7)中产生的大量氩气离子Ar⁺在电场作用下轰击物料托盘4上待清洗的工件，将其表面杂质清洗掉；清洗持续时间25min；

(9)待清洗完成后，两个接正极的电弧增强靶位2转接负极，作为下一步的镀膜源使用，同时旋转180度，通入氩气Ar，流量为170sccm，磁控溅射模式下自溅射清洗靶面，将其表面杂质溅射到真空腔室壁上；

(10)进入真空镀膜工艺步骤，获得性能优越的ta-C膜，即ta-C涂层粗糙度Ra0.09μm，涂层的硬度31.5GPa，膜基结合力达到51N，涂层厚度为0.32μm。

实施例3

(1)超声波40kHz清洗等离子硬质合金基体表面杂质，装炉；

(2)在真空涂层设备内进行弧光增强氩离子轰击以清除硬质合金基体表面杂质；

(3)对真空涂层设备的真空腔抽真空，真空度达到4.5×10^-3Pa，并加热至550℃；

(4)开启圆形电弧增强源1，使用Ti作为靶源，开启后产生大量钛离子Ti⁺和电子e^-，钛离子喷溅于靶前挡板3，防止污染物料托盘4上待清洗工件；

(5)同时圆形电弧增强源对侧两个电弧增强靶位2接通电源正极40V，将大量产生的电子吸引过去；

(6)同时向真空腔内通入氩气Ar，流量160sccm；

(7)产生的大量电子e^-绕过挡板，被对侧正电位电弧增强靶位2吸引，与进入真空腔室内的氩气原子碰撞，形成高密度Ar⁺，Ar⁺⁺流；

(8)物料托盘4接负偏压160V；步骤(7)中产生的大量氩气离子Ar⁺在电场作用下轰击物料托盘4上待清洗的工件，将其表面杂质清洗掉；清洗持续时间40min；

(9)待清洗完成后，两个接正极的电弧增强靶位2转接负极，作为下一步的镀膜源使用，同时旋转180度，通入氩气Ar，流量为170sccm，磁控溅射模式下自溅射清洗靶面，将其表面杂质溅射到真空腔室壁上；

(10)进入真空镀膜工艺步骤，获得性能优越的ta-C膜，即ta-C涂层粗糙度Ra0.09μm，涂层的硬度28.5GPa，膜基结合力达到53N，涂层厚度为0.45μm。

实施例4

(1)超声波30kHz清洗等离子硬质合金基体表面杂质，装炉；

(2)在真空涂层设备内进行弧光增强氩离子轰击以清除硬质合金基体表面杂质；

(3)对真空涂层设备的真空腔抽真空，真空度达到5.0×10^-3Pa，并加热至350℃；

(4)开启圆形电弧增强源1，使用Ti作为靶源，开启后产生大量钛离子Ti⁺和电子e^-，钛离子喷溅于靶前挡板3，防止污染物料托盘4上待清洗工件；

(5)同时圆形电弧增强源对侧两个电弧增强靶位2接通电源正极200V，将大量产生的电子吸引过去；

(6)同时向真空腔内通入氩气Ar，流量40sccm；

(7)产生的大量电子e^-绕过挡板，被对侧正电位电弧增强靶位2吸引，与进入真空腔室内的氩气原子碰撞，形成高密度Ar⁺，Ar⁺⁺流；

(8)物料托盘4接负偏压300V；步骤(7)中产生的大量氩气离子Ar⁺在电场作用下轰击物料托盘4上待清洗的工件，将其表面杂质清洗掉；清洗持续时间25min；

(9)待清洗完成后，两个接正极的电弧增强靶位2转接负极，作为下一步的镀膜源使用，同时旋转180度，通入氩气Ar，流量为170sccm，磁控溅射模式下自溅射清洗靶面，将其表面杂质溅射到真空腔室壁上；

(10)进入真空镀膜工艺步骤，获得性能优越的ta-C膜，即ta-C涂层粗糙度Ra0.09μm，涂层的硬度33.5GPa，膜基结合力达到48N，涂层厚度为0.6μm。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种真空涂层设备，其特征在于，所述设备本体包括真空腔及设于所述真空腔内的电弧增强源、圆柱形磁控溅射靶位、挡板和物料托盘；所述圆柱形磁控溅射靶位位于真空腔室的四个顶角，其中两个圆柱形磁控溅射靶位中间设有电弧增强源，所述电弧增强源前设有挡板；

所述真空涂层设备包括磁控溅射模式和清洗模式，当采用清洗模式时，所述电弧增强源对侧的两个圆柱形磁控溅射靶位可作为电弧增强靶位使用，所述电弧增强靶位为阳极靶位。

2.一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺，其特征在于，采用权利要求1所述真空涂层设备，包括如下具体步骤：

(1)超声波清洗等离子基体表面杂质，然后装炉；

(2)在真空涂层设备内进行弧光增强氩离子轰击以清除基体表面杂质，工作步骤如下：

S1：对真空涂层设备的真空腔抽真空并加热；

S2：开启圆形的电弧增强源，使用Ti作为靶源，开启后产生大量钛离子Ti⁺和电子e^-，钛离子Ti⁺喷溅于靶前挡板上；

S3：在进行S2的同时，向真空腔内通入氩气Ar，并将电弧增强源对侧的两个电弧增强靶位接通电源正极，将S2产生的电子引向并通过待清洗工件区域；

S4：产生的电子e^-绕过挡板，被对侧正电位的电弧增强靶位吸引，与进入真空腔室内的氩气原子碰撞，形成高密度Ar⁺、Ar⁺⁺流；

S5：将物料托盘接负偏压，S4中产生的氩气离子Ar+、Ar⁺⁺在电场作用下轰击物料托盘上的待清洗工件；

S6：待清洗完成后，两个接正极的电弧增强靶位转接负极，作为下一步的镀膜源使用，同时旋转180度，通入氩气Ar，在磁控溅射模式下自溅射清洗靶面，将其表面杂质溅射到真空腔室壁上，其靶前不设置挡板；

(3)进入真空镀膜工艺步骤。

3.如权利要求2所述的一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺，其特征在于：所述步骤(1)中超声波的频率为25～45kHz。

4.如权利要求2所述的一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，针对S1中，真空腔的温度加热到350～550℃，真空度达到6×10^-3Pa以下。

5.如权利要求2所述的一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，针对S3中，氩气Ar流量为40～160sccm，两个电弧增强靶位接通电源正极40～200V。

6.如权利要求2所述的一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，针对S5中，物料托盘接负偏压为120～300V，清洗时间为15～40min。

7.如权利要求2所述的一种基于硬质合金表面镀ta-C膜的新型离子清洗工艺，其特征在于：所述步骤(2)中，针对S6中，氩气Ar流量为50～200sccm。

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