專(zhuān)利名稱(chēng)：一種中空陰極電弧離子鍍涂層系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中空陰極電弧離子鍍涂層系統(tǒng)，屬于薄膜技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
離子鍍技術(shù)最早是由D. M. Mottox于1963年提出來(lái)。隨著其技術(shù)的不斷發(fā)展，目 前主要應(yīng)用的離子鍍技術(shù)包括活性反應(yīng)蒸鍍離子鍍(ARE)、空心陰極離子鍍(HCDIP)、感 應(yīng)加熱離子鍍、電弧離子鍍(AIP)等等。其中各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但電弧離子鍍應(yīng)用的最 為成功。進(jìn)入20世紀(jì)九十年代后，離子鍍技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。已經(jīng)取代了其它各種類(lèi)型 的離子鍍成為當(dāng)前功能鍍層應(yīng)用最為廣泛的生產(chǎn)工藝。 電弧離子鍍是在真空下點(diǎn)燃電弧，利用所產(chǎn)生的低溫等離子體進(jìn)行沉積鍍膜的方 法。能顯著提高工件表面微硬度、耐磨性及耐蝕性，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，在刀具行業(yè)和 裝飾鍍方面獲得了日益廣泛的應(yīng)用。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，特別是在微電子、光學(xué)等方 面的應(yīng)用中，該技術(shù)的發(fā)展遇到了一些障礙，最大的問(wèn)題是宏觀顆粒污染。傳統(tǒng)陰極電弧 中，弧源在發(fā)射大量電子及金屬離子同時(shí)由于局部區(qū)域的過(guò)熱而伴隨著一些熔化的大顆粒 的噴射。顆粒直徑一般在10ym左右，大大超過(guò)離子的直徑，稱(chēng)為宏觀顆粒。當(dāng)宏觀顆粒隨 同等離子體流一起到達(dá)被鍍工件表面時(shí)，使鍍層表面粗糙度增加，鍍層附著力降低并出現(xiàn) 剝落現(xiàn)象，鍍層嚴(yán)重不均勻。 為了克服顆粒污染，一是抑制宏觀顆粒的發(fā)射，如采用外加橫向磁場(chǎng)控制陰極斑 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)、采用易散熱陰極來(lái)降低表面局部區(qū)域的嚴(yán)重過(guò)熱，以及采用脈沖電弧放電降低 陰極斑點(diǎn)壽命等方法；二是設(shè)計(jì)宏觀顆粒過(guò)濾器，通過(guò)控制宏觀顆粒的運(yùn)動(dòng)，將其從等離子 體流中過(guò)濾掉。等離子束在過(guò)濾磁場(chǎng)的作用下沿圓弧軌跡沉積到基體上形成薄膜，而宏觀 粒子粘附在彎管壁上被過(guò)濾掉，因此可以獲得高質(zhì)量薄膜。但過(guò)濾技術(shù)的使用最大的問(wèn)題 就是沉積速率大幅度下降( 一般小于2 ii m/h)。 現(xiàn)有的許多涂層產(chǎn)品中(如汽車(chē)活塞環(huán))，不但要求涂層的高硬度(大于HV1000) 和致密度(無(wú)顆粒污染)，同時(shí)許多產(chǎn)品要求涂層厚度在50-100微米，如果采用常規(guī)的電 弧離子鍍，則需要鍍10-20小時(shí)，由于顆粒污染，涂層厚度比較厚時(shí)表面比較粗糙，不能滿 足耐磨和防腐蝕的要求。為了達(dá)到上述要求，電弧離子鍍技術(shù)的生長(zhǎng)速率必須在20微米/ 小時(shí)以上，現(xiàn)有的常規(guī)電弧離子鍍?cè)O(shè)備由于沉積速率較低，基本無(wú)法滿足厚涂層的要求。為 此，根據(jù)多年涂層經(jīng)驗(yàn)，本發(fā)明改進(jìn)了常規(guī)電弧離子鍍技術(shù)，提出了全新的中空陰極電弧離 子鍍技術(shù)，構(gòu)建快速電弧離子鍍涂層系統(tǒng)，滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種中空電弧離子鍍快速沉積系統(tǒng)，該裝置具有較好的離 子鍍效果和鍍厚膜能力。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種中空陰極電弧離子鍍涂層系統(tǒng)， 包括真空室，真空室設(shè)有抽真空口 ，真空室內(nèi)設(shè)有陰極電弧靶和工件架，所述真空室與地絕緣，真空室內(nèi)壁裝上靶材，與電源負(fù)極連接，形成中空陰極電弧靶；工件架位于中空陰極電 弧靶所包圍空間的中心區(qū)域。 上述中空陰極電弧靶為拼裝靶或者整體靶。 上述真空室外設(shè)有可繞真空室轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈架，線圈架上固定有電磁線圈，電磁線 圈在直流電源驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過(guò)真空室壁到達(dá)中空陰極電弧靶的表面，控制電弧運(yùn) 動(dòng)。 本發(fā)明電磁線圈由若干小線圈組裝而成，線圈由漆包線繞成。 上述小線圈個(gè)數(shù)為50-150個(gè)，采用漆包線繞成，線圈匝數(shù)為100-300匝，線圈尺寸
長(zhǎng)為50-100mm，寬為50-100mm，厚度為10-20mm。 上述真空室內(nèi)壁直徑為300 1200mm，高度為300 1500，靶個(gè)數(shù)為一個(gè)。
上述中空陰極電弧靶材為Cr、 Ti或Zr，靶材厚度為5-20mm，靶材整體為桶形中空 結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑范圍在280 1180mm，且小于或等于真空室內(nèi)壁直徑。 本發(fā)明中空陰極電弧靶與真空室內(nèi)壁接觸，真空室壁為雙層水冷結(jié)構(gòu)，通過(guò)冷卻 真空室壁來(lái)冷卻與真空室壁接觸的中空陰極電弧靶靶材。 本發(fā)明由于采用上述結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用先進(jìn)的直流弧電源供電。使得真空室壁上桶 形中空陰極電弧靶工作時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定。中空陰極靶中心等離子體密度比常規(guī)電弧離子鍍更 強(qiáng)，使工件完全浸沒(méi)在等離子體中，這是常規(guī)電弧離子鍍裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，從而提高鍍膜效 率和離子鍍效果，大幅度提高了涂層沉積速率，降低鍍膜成本，提高涂層均勻性，使得鍍膜 過(guò)程更易于控制。


圖1為本發(fā)明中所采用的中空陰極電弧離子鍍涂層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明制得的TiN涂層表面形貌圖； 圖3為本發(fā)明在不同時(shí)間條件下制備的TiN涂層截面掃描電鏡形貌圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明 如圖1所示，本發(fā)明包括真空室IO，真空室10設(shè)有抽真空口 7，分子泵1固定在承 重底座6上，通過(guò)抽氣口 7抽氣。真空室整體可以通過(guò)液壓起動(dòng)裝置3升降，以方便工件的 裝卸。真空室10內(nèi)設(shè)有桶形中空陰極電弧靶5和獨(dú)立工件架4 ;桶形中空陰極電弧靶5可 以為拼裝靶或者整體靶；陰極靶5在真空室內(nèi)壁，由大功率逆變電源供電，工件架4位于桶 形中空陰極電弧靶5中心。在真空室10中，由于整個(gè)爐壁為電弧靶，等離子體被緊緊約束在 中空靶5中間，電弧靶5不但可以作為金屬源，同時(shí)也是強(qiáng)離化源，鍍膜過(guò)程中等離子體可 以不斷轟擊工件，提高涂層和基體的附著力。真空室10外設(shè)有可繞真空室10轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈固 定架9，線圈架9上固定有電磁線圈8，電磁線圈8位于陰極電弧靶5靶后并圍繞陰極電弧 耙5呈環(huán)形。線圈架9和旋轉(zhuǎn)電機(jī)2相連，通過(guò)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整線圈旋轉(zhuǎn)速度。該結(jié) 構(gòu)可以使靶后的電磁場(chǎng)自由旋轉(zhuǎn)，拖動(dòng)靶面弧靶高速運(yùn)動(dòng)，大幅度降低靶面大顆粒的發(fā)射， 克服涂層顆粒污染的問(wèn)題，提高燒蝕的均勻性和提高靶材的利用率。本發(fā)明靶電流可以加 到400A，而常規(guī)的電弧磁只能在150A以下工作。同時(shí)由于外部閉合磁場(chǎng)可以把等離子體緊緊的約束在桶形中空電弧靶之間，等離子體密度大大提高，當(dāng)對(duì)各種復(fù)雜工件進(jìn)行鍍膜時(shí)， 工件完全浸沒(méi)在等離子體當(dāng)中，離子轟擊的效果非常顯著，涂層的致密度和均勻性得到了 良好的保證。 上述真空室壁上桶形中空陰極電弧靶中心區(qū)域?yàn)殡x子鍍膜區(qū)，工件架上有驅(qū)動(dòng)裝 置驅(qū)動(dòng)工件進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。 本發(fā)明電磁線圈由若干小線圈組裝而成，線圈由漆包線繞成。本發(fā)明真空室內(nèi)壁 直徑建議為300 1200mm，高度為300 1500，靶個(gè)數(shù)為一個(gè)。小線圈個(gè)數(shù)可以為50-150 個(gè)，采用紫銅繞成，線圈匝數(shù)為100-300匝，線圈尺寸長(zhǎng)為50-100mm，寬為50-100mm，厚度為 10-20mm。 本發(fā)明中空陰極電弧靶材為Cr、 Ti或Zr，耙材厚度為5-20mm，靶材整體為桶形中 空結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑范圍在280 1180mm，且小于或等于真空室內(nèi)壁直徑。 常規(guī)鍍膜設(shè)備中，雖然電弧靶的數(shù)量比較多，但整個(gè)涂層設(shè)備空間很大，導(dǎo)致從靶 面電弧蒸發(fā)出來(lái)的金屬離子向四面擴(kuò)散，工件運(yùn)動(dòng)到靶面前時(shí)則進(jìn)行鍍膜，如果不在靶前 區(qū)域則不能鍍膜，而蒸發(fā)出的金屬離子如果沒(méi)有沉積在工件上，則很快擴(kuò)散到作為陽(yáng)極的 真空爐壁上，形成鍍膜灰塵，利用效率很低，造成較大的浪費(fèi)。其導(dǎo)致的直接結(jié)果就是真 空室中金屬離子密度較低，引起沉積速率大幅度下降，不能進(jìn)行厚膜的制備。 一般為2 3 ii m/h，不能滿足50-100微米厚度涂層的要求。為此本發(fā)明把真空室內(nèi)壁設(shè)計(jì)成一個(gè)整體 電弧靶，當(dāng)電弧靶工作時(shí)，耙面所有噴射的金屬離子都朝中空靶中心的工件運(yùn)動(dòng)，在磁場(chǎng)的 作用下在中心鍍膜區(qū)域不斷碰撞和振蕩，由于不會(huì)快速擴(kuò)散到陽(yáng)極，使中心區(qū)域的金屬離 子密度非常高，工件在里面旋轉(zhuǎn)時(shí)可以不間斷的鍍膜，大幅度提高了涂層的效率(一般在 20 ii m/h以上)。此外靶材外旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)的使用不但可以提高等離子體密度，同時(shí)也可以提 高靶材的利用效率，大大簡(jiǎn)化了設(shè)備，非常適合工業(yè)化大生產(chǎn)。本發(fā)明中桶形中空陰極電弧 靶中心區(qū)域?yàn)榄h(huán)形離子鍍沉積區(qū)，由于電弧靶產(chǎn)生高強(qiáng)度等離子體，桶形中空電弧靶外部 閉合磁場(chǎng)又可以進(jìn)一步引起等離子體的碰撞，使沉積區(qū)等離子體密度大大提高。當(dāng)對(duì)各種 復(fù)雜工件進(jìn)行鍍膜時(shí)，工件完全浸沒(méi)在等離子體當(dāng)中，離子轟擊的效果非常顯著，涂層的均 勻性得到了良好的保證。 本發(fā)明中工件架可旋轉(zhuǎn)，真空室中沒(méi)有加熱設(shè)備，而是通過(guò)電弧放電轟擊加熱，不 但效率高，同時(shí)也不會(huì)造成顆粒污染，可以方便的調(diào)節(jié)真空室中的溫度。抽真空系統(tǒng)采用分 子泵，極限真空可以達(dá)到8 X 10—4Pa。 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)真空度達(dá)到5X10—3Pa時(shí)，啟動(dòng)電弧靶放電轟擊，進(jìn)行弧光加熱除
氣，去掉真空室壁、工件架以及工件上所吸附的空氣，工件架轉(zhuǎn)動(dòng)，保持30(TC左右的溫度，
等真空度達(dá)到5 X 10—3Pa時(shí)，停止加熱，充入工作氣體，開(kāi)始進(jìn)入鍍膜過(guò)程，等鍍膜過(guò)程結(jié)束
后，自然冷卻，等溫度降到15(TC以下時(shí)，取出工件，整個(gè)工作流程結(jié)束。 本發(fā)明與目前國(guó)內(nèi)外通用的鍍膜設(shè)備不同，充分綜合利用了中空陰極電弧技術(shù)、
閉合場(chǎng)磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)技術(shù)、大功率電弧放電技術(shù)，不但可以制備各種單一厚涂層如TiN、
CrN、ZrN等，還可以制備多元厚涂層如TiAlN、CrAlN、TiAlSiN、CrAlSiN等，很好地改進(jìn)了涂
層厚度的均勻性，改善了涂層質(zhì)量，提高了涂層附著力?？梢院芊奖愕亻_(kāi)展各種各樣涂層的
研究和生產(chǎn)工作。本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，其重復(fù)性能大大提高。因此，本發(fā)明不
僅使應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，具有更高的生產(chǎn)效率，而且保證了大范圍內(nèi)設(shè)備涂層均勻性，鍍膜質(zhì)量更高，附著力更強(qiáng)。 總之，本發(fā)明提供的設(shè)備充分體現(xiàn)了獨(dú)創(chuàng)的中空電弧放電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn) 有電弧離子鍍系統(tǒng)顆粒污染和沉積速率低的缺點(diǎn)，具有鍍膜效率高、鍍膜成本低、操作方便 等特點(diǎn)。可以很方便的進(jìn)行工業(yè)化大生產(chǎn)，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
實(shí)施例1 :在0.02Pa、負(fù)200V偏壓的條件下利用電磁場(chǎng)控制的金屬Ti電弧靶 制備純Ti金屬過(guò)渡層；金屬過(guò)渡層的沉積厚度為100-200納米；然后通入氮?dú)?，氣壓?持lPa，打開(kāi)爐壁上的電弧靶，利用氮?dú)夂蛷陌忻鏋R射出來(lái)的Ti反應(yīng)生成TiN。制備溫 度400-45(TC，偏壓為負(fù)200V。 TiN涂層厚度在20-30微米。其中通入氮?dú)鈿怏w流量為 50-200sccm ;中空陰極電弧靶的電流為300A。 上述中空陰極電弧靶控表面弧靶的控制由放置在電弧靶后面的電磁線圈產(chǎn)生。在 靶面產(chǎn)生強(qiáng)度為50-60高斯均勻分布的磁場(chǎng)。 實(shí)施例2 :在0.05Pa、負(fù)150V偏壓的條件下利用電磁場(chǎng)控制的金屬Cr電弧靶 制備純Cr金屬過(guò)渡層；金屬過(guò)渡層的沉積厚度為200-300納米；然后通入氮?dú)?，氣壓?持2. 3Pa，打開(kāi)爐壁上的電弧靶，利用氮?dú)夂蛷陌忻鏋R射出來(lái)的Cr反應(yīng)生成CrN。制備溫 度400-45(TC，偏壓為負(fù)150V。 CrN涂層厚度在20-30微米。其中通入氮?dú)鈿怏w流量為 180-250sccm ;中空陰極電弧靶的電流為350A。 上述中空陰極電弧靶控表面弧靶的控制由放置在電弧靶后面的電磁線圈產(chǎn)生。在 靶面產(chǎn)生強(qiáng)度為60-70高斯均勻分布的磁場(chǎng)。 實(shí)施例3 :在0. 04Pa、負(fù)250V偏壓的條件下利用電磁場(chǎng)控制的金屬Zr電弧靶 制備純Zr金屬過(guò)渡層；金屬過(guò)渡層的沉積厚度為300-400納米；然后通入氮?dú)?，氣壓?持3. 3Pa，打開(kāi)爐壁上的電弧靶，利用氮?dú)夂蛷陌忻鏋R射出來(lái)的Zr反應(yīng)生成ZrN。制備溫 度350-45(TC，偏壓為負(fù)250V。 ZrN涂層厚度在25-50微米。其中通入氮?dú)鈿怏w流量為 250-300sccm ;中空陰極電弧耙的電流為400A。 上述中空陰極電弧靶控表面弧靶的控制由放置在電弧靶后面的電磁線圈產(chǎn)生。在 靶面產(chǎn)生強(qiáng)度為70-80高斯均勻分布的磁場(chǎng)。 圖1是自制的高密度電弧離子鍍涂層系統(tǒng)，設(shè)備尺寸為①300X500mm。分子泵1 通過(guò)抽氣口 7對(duì)真空室IO進(jìn)行抽氣。從圖中可以看出，整個(gè)真空室10內(nèi)壁為耙材5，真空 室外面是可旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)8，當(dāng)工作時(shí)，等離子體被緊密的束縛在真空室中，工件完全浸沒(méi)在 等離子體中。爐壁中空電弧靶可提供高度離化的金屬離子，大幅度提高涂層效率。由于電 磁鐵可高速旋轉(zhuǎn)，耙面上不會(huì)形成溝槽，靶材利用率可提高到70%以上。本系統(tǒng)充分利用了 閉合場(chǎng)和電弧增強(qiáng)離化效應(yīng)，涂層沉積速率大幅度提高，可以滿足工業(yè)化的大生產(chǎn)。
圖2為采用本裝置制備的TiN涂層的表面形貌，從表面可以看出涂層表面非常光 滑，無(wú)明顯的空洞和顆粒。 圖3是TiN涂層的截面形貌圖，可看出涂層結(jié)構(gòu)致密，沒(méi)有明顯的柱狀晶存在。
權(quán)利要求
一種中空陰極電弧離子鍍涂層系統(tǒng)，包括真空室，真空室設(shè)有抽真空口，真空室內(nèi)設(shè)有陰極電弧靶和工件架，其特征在于所述真空室與地絕緣，真空室內(nèi)壁裝上靶材，與電源負(fù)極連接，形成中空陰極電弧靶；工件架位于中空陰極電弧靶所包圍空間的中心區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于中空陰極電弧靶為拼裝靶或者整體靶。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于真空室外設(shè)有可繞真空室轉(zhuǎn)動(dòng)的線 圈架，線圈架上固定有電磁線圈，電磁線圈在直流電源驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的磁場(chǎng)穿過(guò)真空室壁到 達(dá)中空陰極電弧靶的表面，控制電弧運(yùn)動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于電磁線圈由若干小線圈組裝而成，線圈由 漆包線繞成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于小線圈個(gè)數(shù)為50-150個(gè)，采用漆包線繞 成，線圈匝數(shù)為100-300匝，線圈尺寸長(zhǎng)為50-100mm，寬為50-100mm，厚度為10-20mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于真空室內(nèi)壁直徑為300 1200mm，高 度為300 1500，靶個(gè)數(shù)為一個(gè)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于中空陰極電弧靶材為Cr、Ti或Zr，耙 材厚度為5-20mm，靶材整體為桶形中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑范圍在280 1180mm，且小于或等于真空 室內(nèi)壁直徑。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其特征在于中空陰極電弧靶與真空室內(nèi)壁接觸， 真空室壁為雙層水冷結(jié)構(gòu)，通過(guò)冷卻真空室壁來(lái)冷卻與真空室內(nèi)壁接觸的中空陰極電弧靶 靶材。
全文摘要
一種中空陰極電弧離子鍍涂層系統(tǒng)，包括真空室，真空室設(shè)有抽真空口，真空室內(nèi)設(shè)有陰極電弧靶和工件架，所述真空室與地絕緣，真空室內(nèi)壁裝上靶材，與電源負(fù)極連接，形成中空陰極電弧靶；工件架位于中空陰極電弧靶所包圍空間的中心區(qū)域。本發(fā)明與常規(guī)電弧離子鍍技術(shù)不同，本發(fā)明采用可旋轉(zhuǎn)的電磁線圈產(chǎn)生控弧磁場(chǎng)，線圈旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明對(duì)常規(guī)電弧離子鍍技術(shù)進(jìn)行大幅度的改進(jìn)，首次提出了中空陰極電弧離子鍍技術(shù)。大幅度提高了涂層的沉積效率，簡(jiǎn)化了涂層設(shè)備。具有鍍膜效率高、成本低、操作方便等特點(diǎn)?？梢詽M足工業(yè)上超厚涂層的要求。具有較好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C23C14/32GK101698934SQ20091027250
公開(kāi)日2010年4月28日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者丁輝, 楊兵 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)