TWI595110B

TWI595110B - Preparation of Multivariate Alloy Reactive Coating by Vacuum Ion Evaporation

Info

Publication number: TWI595110B
Application number: TW105120861A
Authority: TW
Inventors: Jung Tsai Weng; Min Lang Fang; Chin Chuan Chen; Cheng Ta Tsai
Original assignee: Jung Tsai Weng; Min Lang Fang; Chin Chuan Chen; Cheng Ta Tsai
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2017-08-11
Also published as: TW201800600A

Description

以真空離子蒸鍍法製備多元合金反應性鍍膜製程

本發明係關於一種以真空離子蒸鍍法製備多元合金反應性鍍膜製程，係一濕式的鍍膜製程，係用於在工件表面形成二元、三元或多元合金材料薄膜的加工方法。

在工件表面上鍍上陶瓷薄膜可有效的提昇工件強度或使用效益，現有之技術中，尤其以真空離子蒸鍍法，多半都僅僅是以單一金屬或非金屬作為靶材配合反應性氣體反應而生成薄膜，然而，為了擁有多種材料不同的特性，也嘗試鍍上二元、三元或多元靶材，但多個靶材之間的熔點並不同，無法克服在同一坩鍋上同時置放二元、三元或多元靶材，僅可分開在多個坩鍋上分別置放不同的靶材，再依序的將各靶材鍍上工件表面，但此方式所鍍上的表面薄膜是每層各別存在不同材料特性，故各材料所可發揮的特性有限，實施蒸鍍的加工製程效益也不佳。

有鑑於上述缺失弊端，本發明人認為其有急待改正之必要，遂以其從事相關產品設計製造之多年經驗，及其一貫秉持具有之優良設計理念，針對以上不良處加以研究創作，在經過不斷的努力後，終乃推出本發明以真空離子蒸鍍法製備多元合金反應性鍍膜製程，其以更正優良之產品結構提升產品之功效。

本發明之主要目的係提供一種濕式的鍍膜製程，用於克服於單一坩鍋上置放多元靶材並有效實施將該多元靶材鍍於工件上，使鍍上的表面薄膜可漸層式的同時含有多個材料，進而可發揮最佳的材料特性以及提昇加工製程的效益者。

為達到前揭之目的，本發明以真空離子蒸鍍法製備多元合金反應性鍍膜製程，係於一真空蒸鍍爐所進行的製程，該製程係預先備一筒狀坩鍋，該坩鍋位於該真空蒸鍍爐中心或外側，該坩鍋內置放了所需之固態的合金靶材，該坩鍋內並配有環繞於合金靶材外圍的冷卻水路，而所述合金靶材可為二元、三元、或多元合金靶材，接著對該坩鍋內材料進行加熱，以控制材料融化的階段性，進而讓坩鍋內原料均勻地蒸發，蒸發上來的原子再被電子束解離成離子，於待鍍工件導以偏壓的同時(所述之偏壓為5~1000V帶負電之偏壓電源，電子束電流20~300A)，配合電場磁場使離子加速，選擇性的在導以偏壓電源步驟之前或之後進行導入反應氣體，該反應氣體也受到該電子束解離成離子，在被解離的正離子受帶負電之偏壓電源吸引而撞上位於該坩鍋周圍的待鍍工件，而於待鍍工件表面排列形成合金薄膜，待於該待鍍工件表面形成0.1~10μm之薄膜層後進行冷卻，冷卻後便可出爐。

藉此，該製程實現了於單一坩鍋上置放多元靶材並有效實施將該多元靶材鍍於工件上，進而可發揮最佳的材料特性以及提昇加工製程的效益者。

更進一步的，由於部分待鍍工件表面和鍍膜的薄膜層的性質差異相當大，若因此直接將薄膜層披覆於工件表面，則會產生極大之內應力，而內應力過高便會產生薄膜層剝離之現象，因此，需於待鍍工件表面和薄膜之間預鍍一過渡層，該過渡層係與待鍍工件表面性質差異較小的物質，為完成此操作，係在該製備合金靶材之步驟中，透過於合金靶材上方置放所述過渡層之材料，或者，該過渡層之材料亦可鑲埋於合金靶材中，亦或同時置放於合金靶材上方以及鑲埋於合金靶材中，使得該過渡層之材料亦可在鍍上薄膜層的合金靶材之前亦或於過程中披覆於工件表面上或薄膜層之間，進而形成所述之過渡層，或具有過渡層的漸層式薄膜層，實可強化該合金薄膜層。

本發明之製程，亦可結合舊有技術完成更多元形式的製程，而可於真空蒸鍍爐內設單一或多個傳統的SPUTTER濺射裝置或者ARC電弧式放電濺射裝置，而該SPUTTER濺射裝置或者ARC電弧式放電濺射裝置配置至少一種靶材物質，繼於蒸鍍初期、中期或末段啟動該濺射裝置將靶材物質激發出來，藉此配合坩鍋之薄膜層的合金靶材而可形成漸層式或多段式之薄膜層。

因此，本發明之製程除了具有有別以往的合金靶材之製備，有效克服於單一坩鍋上置放多元靶材並有效實施將該多元靶材鍍於工件上，更可結合舊有技術完成更多元形式的製程以及受鍍薄膜結構。

1‧‧‧離子清潔

2‧‧‧製備合金靶材

3‧‧‧加熱至材料融化

4‧‧‧導以偏壓電源

5‧‧‧導入反應氣體

6‧‧‧薄膜形成

7‧‧‧冷卻出爐

第一圖係本發明製程之流程方塊圖。

第二圖係本發明製程中所述之坩鍋及合金靶材結構剖面示意圖。

第三圖係本發明製程中所述之合金靶材上方置放過渡層材料結構剖面示意圖。

第四圖係本發明製程中所述之合金靶材內部鑲埋過渡層材料結構剖面示意圖。

第五圖係本發明製程中所述之合金靶材內部鑲埋與上方置放過渡層材料結構剖面示意圖。

第六圖係本發明製程另一流程方塊圖。

本發明係有關一種以真空離子蒸鍍法製備多元合金反應性鍍膜製程，〔請參閱第一圖〕係於一真空蒸鍍爐所進行的製程，該製程的步驟主要包含有：離子清潔(1)，係以將惰性氣體解離成帶正電的離子撞向通入偏壓電源的待鍍工件，來清潔待鍍工件表面，係為傳統常用之步驟，故不再詳細論述；製備合金靶材(2)，〔請配合參閱第二圖〕係備一圓筒狀坩鍋，該坩鍋位於該真空蒸鍍爐中心，該坩鍋內置放了所需之固態的合金靶材，該坩鍋內並配有環繞於合金靶材外圍的冷卻水路，而所述合金靶材可為二元、三元、或多元合金靶材；加熱至材料融化(3)，對坩鍋內材料進行加熱，所述之加熱的方式可為電阻加熱、電子束加熱或高頻感應蒸發源或脈衝雷射熔射，以控制材料融化的階段性，進而讓坩鍋內原料均勻地蒸發，蒸發上來的原子再被電子束解離成離子；導以偏壓電源(4)，於待鍍工件導以偏壓的同時(所述之偏壓為5~1000V帶負電之偏壓電源，電子束電流20~3 00A)，配合電場磁場使離子加速，其中，以偏壓100V，電子束電流200A為最佳；導入反應氣體(5)，係可選擇性的在導以偏壓電源(4)步驟之前或之後進行，在原子受該電子束解離成離子的同時導入反應氣體，該反應氣體也受到該電子束解離成離子，所述之反應氣體係依照靶材所形成之薄膜而選擇；薄膜形成(6)，被解離的正離子受帶負電之偏壓電源吸引而撞上位於該坩鍋周圍的待鍍工件，而於待鍍工件表面排列形成合金薄膜；冷卻出爐(7)，待於工件表面形成預定厚度的薄膜層後，進行真空冷卻，且可選擇性的配合氮氣冷卻，冷卻後便可出爐。

本發明以真空離子蒸鍍法製備多元合金反應性鍍膜製程，〔請參閱第一圖〕以下透過以鈦(Ti)、鋁(Al)合金靶材蒸鍍於鎢鋼工件上作為實施案例說明，此實施例可完成受鍍有TiAlN合金的鎢鋼刀具或模具：處理該製程之真空蒸鍍爐的腔內壓力設定為10^-3torr~10^-4torr，溫度設定450℃，將鈦、鋁合金靶材以鈦50%、鋁50%的比例完成製作並置放於該特製坩鍋內，接著進行加熱，在本實施例係使用中空陰極式產生高功率的電子束對坩鍋內材料進行加熱，透過控制電子束的收斂或發散來控制材料融化之速度，使讓坩鍋內原料均勻地蒸發，蒸發上來的原子再被電子束解離成離子，導入反應氣體氮氣(N2)，該反應氣體也受到電子束解離成離子，接著，於待鍍工件導以偏壓100V，電子束電流200A的同時，配合電場磁場使離子加速，被解離的正離子受帶負電之偏壓電源吸引而撞上待鍍工件，而於待鍍工件表面排列形成合金薄膜，待形成0.1~10μm之合金薄膜層便可進行冷卻出爐，以完成其製程。

本發明以真空離子蒸鍍法製備多元合金反應性鍍膜製程，該坩鍋內之合金靶材可以為非合金之純金屬材料或非金屬材料，各合金靶材之間所分配之比例係依照被鍍工件所需求之特性而設定，以下為目前可選擇相組合的合金元素及其適合的組合比例：可選擇相組合的合金元素有鈦(Ti)、鉻(Cr)、鋁(Al)、釸(Si)、鎢(W)、鉭(Ta)、碳(C)、釩(V)；常用之合金組合有Ti-Al、Ti-Cr、Ti-Si、Ti-Al-Cr、Ti-Al-Cr-Si、Ti-Ta、Ti-W、Ti-V；目前各合金適合的組合比例有Ti(30~70%)-Al(70~30%)、Ti(40~80%)-Cr(60~20%)、Ti(90~80%)-Si(10~20%)、Ti(30~45%)-Al(30~45%)-Cr(10~40%)、Ti(30~40%)-Al(30~40%)-Cr(15~30%)-Si(5~10%)、Ti(60~80%)-Ta(20~40%)、Ti(60~80%)-W(20~40%)、Ti(90~80%)-V(10~20%)。

本發明以真空離子蒸鍍法製備多元合金反應性鍍膜製程，目前適用之反應氣體有氮氣(N2)、甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)或甲矽烷(SiH4)，常用為氮氣(N2)與甲烷( CH4)：以氮氣(N2)作為反應氣體可配合Ti-Al、Ti-Cr、Ti-Si、Ti-Al-Cr、Ti-V或Ti-Al-Cr-Si材料可製備出TiAlN薄膜、TiCrN薄膜、TiSiN薄膜、TiAlCrN薄膜、TiVN或TiAlCrSiN薄膜；以甲烷(CH4)作為反應氣體可配合Ti或Ti-Cr材料可製備出TiCN薄膜或TiCrCN薄膜；另外，Ti-Ta、Ti-W、Ti-V等材料均可運用氮氣(N2)、甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)或甲矽烷(SiH4)等氣體。

本發明以真空離子蒸鍍法製備多元合金反應性鍍膜製程，可額外增製一過渡層，〔請參閱第一圖與第三圖〕該製備合金靶材(2)之步驟中，透過於合金靶材上方置放該過渡層之材料，該過渡層之材料係可在薄膜層的合金靶材之前預先披覆於工件表面上，進而形成所述之過渡層，亦即，〔請再一併參閱第四圖與第五圖〕該過渡層之材料亦可鑲埋於合金靶材中，或者同時置放於合金靶材上方以及鑲埋於合金靶材中，使得該過渡層之材料亦可在鍍上薄膜層的合金靶材之前亦或於過程中披覆於工件表面上或薄膜層之間，進而形成所述之過渡層，或具有過渡層的漸層式薄膜層，實可強化該合金薄膜層。

本發明以真空離子蒸鍍法製備多元合金反應性鍍膜製程，〔請參閱第六圖〕係可結合舊有技術完成更多元形式的製程，除了以上述方式改變坩鍋內之待蒸鍍合金靶材外，另於真空蒸鍍爐內設單一或多個傳統的SPUTTER濺射裝置或者ARC電弧式放電濺射裝置，而該SPUTTER濺射裝置或者ARC電弧式放電濺射裝置配置至少一種靶材物質，繼於蒸鍍初期、中期或末段啟動該濺射裝置將靶材物質激發出來，藉此配合坩鍋之薄膜層的合金靶材而可形成漸層式或多段式之薄膜層，對此，假設該SPUTTER濺射裝置或者ARC電弧式放電濺射裝置內配置靶材物質為鉻(Cr)，而該SPUTTER濺射裝置或者ARC電弧式放電濺射裝置係在蒸鍍中期才啟動，並且直至薄膜完成，故可控制該薄膜層最內層的鉻(Cr)元素0%，而在薄膜層的中間層鉻(Cr)元素逐漸拉伸至20%~40%，在薄膜層的外層鉻(Cr)元素平均達40%，如此一來，若配合有多個不同的靶材物質，且在鍍膜的不同階段開啟或關閉可製造出多段式之薄膜層。

綜上所述，當知本發明具有新穎性，且本發明未見之於任何刊物，當符合專利法第21、22條之規定。

現有已知之材料數量之多，可組合的可能性亦無法逐一舉出，且未被發現之可用材料亦不在少數，唯以上所述合金靶材選擇之元素組合、元素組合之比例、配合反應之氣體等可選擇替換之選項，僅為本發明常用且較佳實施例或選擇而已，當不能以之限定本發明之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。