專利名稱：一種降低dlc涂層內(nèi)應(yīng)力的等離子全方位離子沉積設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鍍膜領(lǐng)域，具體地說一種能有效降低DLC涂層內(nèi)應(yīng)力等離子全方位離子沉積設(shè)備。
背景技術(shù)：
二十世紀七十年代以來，鍍膜工藝在工業(yè)界掀起了狂潮，各種鍍膜技術(shù)紛紛都走向了產(chǎn)業(yè)化。在機械制造領(lǐng)域，涉及的問題主要是高耐磨，抗氧化，耐腐蝕，高疲勞壽命等。據(jù)不完全統(tǒng)計，在發(fā)達國家，由表面失效而造成的經(jīng)濟損失占GDP的4%，這意味著美國每年在表面失效上要花費2800億美元，在德國，用于降低磨損的潤滑油就達到了 20億美元/年，而且每年以5%的速度劇增，因此，關(guān)鍵零部件的表面處理變得尤為重要。類金剛石涂層在機械制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用，如活塞、活塞環(huán)、有色金屬加工的刀具、齒輪等。 1971年Aisenberg等人首次利用碳離子制備出類金剛石膜(Diamond LikeCarbon coating,簡稱DLC涂層)，類金剛石(DLC)涂層是含有金剛石相(sp3鍵或其雜化態(tài))和石墨相(sp2鍵)的非晶態(tài)碳膜。其中的碳原子部分處于金剛石的雜化狀態(tài)，部分處于石墨的雜化狀態(tài)，也有極少數(shù)的碳處于sp1雜化態(tài)。類金剛石涂層不僅具有高硬度、低摩擦系數(shù)，在工件表面鍍上DLC之后能起到很好的耐磨減摩效果。同時，DLC涂層還具有極高電阻率和極好的耐蝕性、光學透過性及生物相容性，它是機械、電子、航天航空、醫(yī)學、光學等領(lǐng)域的理想材料。作為表面處理技術(shù)的一個分支，等離子全方位離子沉積技術(shù)(Plasma ImmersionIon Deposition),簡稱為PIID技術(shù)，它是等離子增強化學氣相沉積技術(shù)的一種。利用PIID技術(shù)可以制備出類金剛石涂層，即DLC涂層。盡管DLC涂層具有高硬度、低摩擦系數(shù)、耐磨耐腐蝕能多種優(yōu)異的性能，隨著科技的進步，對材料性能的要求就越來越苛刻。傳統(tǒng)的類金剛石涂層已經(jīng)不能滿足工業(yè)化更高品質(zhì)，更好層次產(chǎn)品的需求。目前，國內(nèi)外關(guān)于類金剛石涂層的研究主要集中在以下幾個方面I、與基體材料的結(jié)合力問題。DLC與基體材料的結(jié)合力差導致其在服役過程中的剝落是目前面臨的最大的問題。如DLC涂層在ZnS基體上的附著力非常差，在陶瓷、玻璃、塑料、樹脂上的附著力也不夠好，在硅和鋼上面雖然有較強的附著力，但對于惡劣環(huán)境應(yīng)用仍有待進一步提高。其原因是DLC涂層和基體之間晶格結(jié)構(gòu)及物理性能如熱膨脹系數(shù)、彈性模量等的不兼容性。2、內(nèi)應(yīng)力大導致脆性崩裂。對附著力差的基體，巨大的內(nèi)應(yīng)力很容易引發(fā)膜的開裂和剝落。由于內(nèi)應(yīng)力大的緣故，DLC在刀具上的應(yīng)用就受到了限制，特別是在切割鋼鐵、硬質(zhì)合金等材料的時候，巨大的內(nèi)應(yīng)力會導致涂層崩裂而提前失效。另外，如何降低鍍膜成本、提高鍍膜速率、提高涂層的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能也是目前正在研究的方向。為了降低DLC涂層的內(nèi)應(yīng)力、提高涂層的結(jié)合強度、實現(xiàn)大批量產(chǎn)業(yè)化鍍膜，科研工作者們對于PIID設(shè)備進行了廣泛而深入的研究。[0009]目前，國內(nèi)外對于新型PIID設(shè)備的研制發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面I、提高真空室內(nèi)等離子體密度，如何快速高質(zhì)量地鍍膜；2、研制大型的真空鍍膜室體，能夠裝載更多更大的エ件，并能實現(xiàn)自動化、連續(xù)化鍍膜以降低鍍膜成本；3、對設(shè)備主體(包括真空設(shè)備和電源設(shè)備)進行優(yōu)化，解決DLC涂層與基體的結(jié)合力問題。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的提供一種降低DLC涂層內(nèi)應(yīng)カ的等離子全方位離子沉積設(shè)備，以提高DLC涂層的內(nèi)應(yīng)カ以及涂層的結(jié)合強度，同時降低鍍膜成本、提高涂層的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下方案一種降低DLC涂層內(nèi)應(yīng)カ的等離子全方位離子沉積設(shè)備，該設(shè)備包括真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、真空檢測系統(tǒng)以及高壓電源系統(tǒng)，所述真空鍍膜室內(nèi)設(shè)有用于放置鍍膜エ件的支架，其特征在干，該設(shè)備還設(shè)置有DLC涂層摻雜裝置，所述摻雜裝置包括與 真空鍍膜室通過管道相連的外置式氣源輸入裝置和位于真空鍍膜室內(nèi)的內(nèi)置式金屬蒸汽源高頻感應(yīng)加熱裝置。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在I、本發(fā)明在原有等離子全方位離子沉積設(shè)備的基礎(chǔ)上增設(shè)DLC涂層的摻雜裝置，降低DLC涂層的內(nèi)應(yīng)力，實現(xiàn)不同的功能需求。如對于自清潔功能的表面可選擇低表面能F-DLC、Si-O-DLC ;對于刀具模具強接觸應(yīng)カ的環(huán)境可使用Ti_DLC、Cr_DLC等含金屬的涂層；對于一般的需求，使用普通的DLC涂層即可。

圖I是本發(fā)明等離子全方位離子沉積設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖2是本發(fā)明金屬蒸汽源高頻感應(yīng)加熱原理圖。圖中標號1真空檢測系統(tǒng)、2等離子增強裝置、3充氣系統(tǒng)、4エ件、5高壓電源系統(tǒng)、6人機控制系統(tǒng)、7抽氣系統(tǒng)、8真空鍍膜室、9外置式氣源輸入裝置、10支架、11高頻感應(yīng)加熱裝置。
以下結(jié)合附圖通過具體實施方式
對本發(fā)明做進ー步說明。
具體實施方式
如圖所示，等離子全方位離子沉積設(shè)備，該設(shè)備包括8真空鍍膜室、7抽氣系統(tǒng)、3充氣系統(tǒng)、真空檢測系統(tǒng)I、等離子增強裝置2以及高壓電源系統(tǒng)5，真空鍍膜室8內(nèi)設(shè)有用于放置鍍膜エ件4的絕緣支架10，該設(shè)備還設(shè)置有DLC涂層摻雜裝置，摻雜裝置包括與真空鍍膜室通過管道相連的外置式氣源輸入裝置9和位于真空鍍膜室內(nèi)的內(nèi)置式金屬蒸汽源高頻感應(yīng)加熱裝置11。本發(fā)明設(shè)備采用兩種方式實現(xiàn)DLC涂層的摻雜，分別是氣源摻雜、金屬蒸汽摻雜。對于每一種摻雜，均做如下設(shè)置①氣源摻雜非金屬摻雜一般選擇在室溫下為氣態(tài)或飽和蒸汽壓較高的液體，通常將氣體或液體裝入圖I外置式氣源輸入裝置的罐體中，通過管道傳輸將氣體(蒸汽)均勻輸送到真空鍍膜室內(nèi)，通過等離子體的轟擊即可實現(xiàn)摻雜。在管道輸送過程中設(shè)有f 2個閥門控制氣體(蒸汽)流速，可以控制摻雜元素的含量。如含F(xiàn)的DLC膜可以實現(xiàn)表面的自清潔功能，H2SiF6、HF、CC12F2為可選氣源。與常規(guī)DLC相比，F(xiàn)-DLC具有更低的表面能，與水的接觸角在120°以上。如果將含有F的DLC應(yīng)用在大型場館的玻璃上，玻璃可以實現(xiàn)自清潔，可以避免人員高空作業(yè)的危險。金屬氣源摻雜的金屬包括Ti、Cr、W等，要想使用PIID設(shè)備進行鍍膜，必須使用其氣態(tài)的形式。將含有金屬的TiCl4,CrCl4,WF6的液體加入到外置式氣源輸入裝置的罐體中，利用溫控裝置加熱罐體的外壁，并使溫度穩(wěn)定在60°C左右，TiCl4, CrCl4, WF6的液體受熱蒸發(fā)，通過管道輸送到鍍膜室，金屬蒸汽受到電子的轟擊被電離，和傳統(tǒng)的PIID鍍膜原理相同，之后在エ件表面形成了 Ti-DLC，Cr-DLC, W-DLC等第三代DLC涂層。 對于Ti、Cr、W等金屬，要想使用PIID設(shè)備進行鍍膜，必須使用其氣態(tài)的形式?？紤]到TiCl4, CrCl4, WF6金屬氣體具有劇烈的毒性和腐蝕性，在鍍膜過程中一般采用以下三種方式進行防護a.真空鍍膜室內(nèi)壁使用不銹鋼襯板和烘烤裝置，防止金屬蒸汽的吸附，同時便于襯板取出噴砂用于下次鍍膜；b.采用分子泵，羅茨泵和機械泵鍍膜，并在每次鍍膜后換油；c.排氣后使用氣體收集和壓縮裝置，避免了金屬氣體對大氣的污染。②金屬蒸汽摻雜金屬蒸汽摻雜是在真空鍍膜室加入金屬蒸汽源，其原理如圖2所示。在真空鍍膜室內(nèi)加坩堝，坩堝內(nèi)加入所需要摻雜的元素顆粒，使用高頻感應(yīng)加熱裝置對坩堝進行加熱，加熱后的金屬蒸汽會擴散到真空鍍膜室的各個位置。和DLC鍍膜原理相同，エ件表面釋放的電子與金屬氣體原子和C、H氣體發(fā)生碰撞后,使其電離,受到エ件負偏壓的吸引，帶正電的離子轟擊到エ件表面，最終形成Me-DLC。選用的摻雜元素主要有以Ti、Cr、Al、Co、Cu等金屬，具體加熱溫度可以通過坩堝上的熱電偶反饋。對于不同的金屬，在鍍膜氣壓(IPa)下，其熔化溫度和蒸發(fā)溫度見表I所示。表I DLC摻雜常用金屬的熔化溫度及其在Pv=IPa時的蒸發(fā)溫度
權(quán)利要求1.一種降低DLC涂層內(nèi)應(yīng)力的等離子全方位離子沉積設(shè)備，該設(shè)備包括真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、真空檢測系統(tǒng)以及高壓電源系統(tǒng)，所述真空鍍膜室內(nèi)設(shè)有用于放置鍍膜工件的支架，其特征在于，該設(shè)備還設(shè)置有DLC涂層摻雜裝置，所述摻雜裝置包括與真空鍍膜室通過管道相連的外置式氣源輸入裝置和位于真空鍍膜室內(nèi)的內(nèi)置式金屬蒸汽源高頻感應(yīng)加熱裝置。
專利摘要一種降低DLC涂層內(nèi)應(yīng)力的等離子全方位離子沉積設(shè)備，該設(shè)備包括真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、真空檢測系統(tǒng)以及高壓電源系統(tǒng)，所述真空鍍膜室內(nèi)設(shè)有用于放置鍍膜工件的絕緣支架，其特征在于，該設(shè)備還設(shè)置有DLC涂層摻雜裝置，所述摻雜裝置包括與真空鍍膜室通過管道相連的外置式氣源輸入裝置和位于真空鍍膜室內(nèi)的內(nèi)置式金屬蒸汽源高頻感應(yīng)加熱裝置。本實用新型在原有等離子全方位離子沉積設(shè)備的基礎(chǔ)上增設(shè)DLC涂層的摻雜裝置，降低DLC涂層的內(nèi)應(yīng)力，實現(xiàn)不同的功能需求。
文檔編號C23C14/32GK202595255SQ2012202507
公開日2012年12月12日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者李燦民, 陶滿 申請人:合肥永信等離子技術(shù)有限公司