一種硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置及方法
【專利摘要】一種硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置及方法，該裝置包括陰極弧源以及開設(shè)進(jìn)氣口的真空腔體；真空腔體與真空系統(tǒng)相連，真空腔體與陰極弧源之間設(shè)有用于聚束腔體；聚束腔體與真空腔體相連通，且聚束腔體內(nèi)設(shè)置有待測樣，待測樣與陰極弧源之間設(shè)有靶材，陰極弧源的電源正極分別與真空腔體和偏壓電源的正極相連，陰極弧源的電源正極、真空腔體、偏壓電源的正極分別接地。該方法為對真空系統(tǒng)抽真空，并利用氬氣和反應(yīng)氣清洗真空系統(tǒng)，然后對待測樣的表面進(jìn)行輝光清洗，然后在其表面沉積過渡金屬層，接著沉積硬質(zhì)涂層。相比傳統(tǒng)沉積裝置及方法，本發(fā)明沉積速率大大提高，節(jié)約靶材，更節(jié)約能源。
【專利說明】一種硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于表面工程領(lǐng)域，具體涉及一種硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在刀具、模具領(lǐng)域上應(yīng)用硬質(zhì)涂層，主要是提高其服役性能和延長使用壽命。目前，該領(lǐng)域的沉積方法主要有非平衡磁控濺射技術(shù)和陰極弧蒸發(fā)離子鍍技術(shù)，以及兩種技術(shù)相結(jié)合。主要的涂層種類包括TiN、CrN, TiCN, TiAlN等，磁控濺射技術(shù)沉積速度一般不超過I μ m/h,陰極弧離子鍍由于工藝參數(shù)的不同其沉積速度大約為I~4 μ m/h。
[0003]評估硬質(zhì)涂層的主要參數(shù)有厚度、硬度、結(jié)合強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、磨損率等，其中足夠的結(jié)合強(qiáng)度是判斷涂層能否使用的最基本參數(shù)，硬度的高低主要取決于晶格結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸、厚度等，摩擦系數(shù)的大小取決于涂層材料種類和表面粗糙度，磨損率則是對硬質(zhì)涂層服役狀況的綜合評估。據(jù)此，在確定涂層種類的前提下，增加涂層厚度勢必會優(yōu)化性能并延長壽命。大幅提聞沉積速度則會極大節(jié)約生廣成本，提聞生廣效率。但傳統(tǒng)的真空鍛I旲沉積速度較慢，沉積涂層的成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的 目的在于提供一種沉積速度快、成本低的硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置及方法。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置包括陰極弧源以及開設(shè)有進(jìn)氣口的真空腔體；所述的真空腔體與真空系統(tǒng)相連，真空腔體與陰極弧源之間設(shè)有用于為陰極弧源發(fā)出的等離子體提供聚束磁場的聚束腔體；聚束腔體與真空腔體相連通，且聚束腔體內(nèi)設(shè)置有待測樣，待測樣與陰極弧源之間設(shè)有靶材，陰極弧源的電源正極分別與真空腔體和為待測樣提供負(fù)偏壓的偏壓電源的正極相連，陰極弧源的電源正極、真空腔體、偏壓電源的正極分別接地。
[0006]所述的聚束腔體的直徑大于靶材，聚束腔體是由第一、二、三磁感線圈組成的，第
一、二、三磁感線圈沿等離子體發(fā)射方向依次布置，且第三磁感線圈接地，第一、二、三磁感線圈的電源為電壓電流可調(diào)電源。
[0007]所述的真空腔體內(nèi)設(shè)置有樣品架，待測樣通過樣品架與偏壓電源的負(fù)極相連。
[0008]所述的靶材為T1、Cr或Zr。
[0009]一種基于所述的快速沉積裝置的硬質(zhì)涂層沉積方法包括以下步驟:
[0010]I)將待測樣置于聚束腔體內(nèi)，并與偏壓電源的負(fù)極相連，然后利用真空系統(tǒng)對真空腔體抽真空，使真空度達(dá)到3.0XKT3Pa以下，再通過進(jìn)氣口向真空腔體內(nèi)通入氬氣和反應(yīng)氣體清洗真空腔體以除去殘余空氣；
[0011]2)真空腔體清洗完成后，從進(jìn)氣口向真空腔體內(nèi)持續(xù)通入氬氣，保持真空腔體
(I)內(nèi)的氣壓保持在2-3Pa ;然后打開聚束腔體的電源使聚束腔體產(chǎn)生磁場，同時打開偏壓電源使真空腔體和聚束腔體產(chǎn)生輝光，對待測樣表面進(jìn)行輝光清洗；[0012]3)測樣表面輝光清洗結(jié)束后，通過調(diào)節(jié)通入的氬氣流量使真空腔體內(nèi)的氣壓保持在0.8-1.2Pa，然后打開陰極弧源的電源，向待測樣上沉積過渡金屬層；
[0013]4)過渡金屬層沉積完成后，從進(jìn)氣口向真空腔體內(nèi)通入氬氣和反應(yīng)氣體，然后向已經(jīng)沉積了過渡金屬層的待測樣上沉積涂層，即在待測樣上沉積了硬質(zhì)涂層。
[0014]所述的步驟I)中清洗真空腔體時，真空腔體內(nèi)的氣壓小于5Pa。
[0015]所述的反應(yīng)氣為N2、CH4或C2H2。
[0016]所述的步驟2)中通入氬氣的氣流量為13sccm ;聚束腔體的電流為0.2~1A，電壓為5~20V ;偏壓電源的偏壓為800V，占空比為60%，對待測樣表面進(jìn)行輝光清洗的時間為15min。
[0017]所述的步驟3)中通入氬氣的氣流量為63sCCm，在打開陰極弧源前，調(diào)節(jié)偏壓電源的偏壓為100-200V，占空比為30-50%，向待測樣上沉積過渡金屬層時的蒸發(fā)功率為800~1000W，沉積時間為2min。
[0018]所述的步驟4)中気氣的氣流量為3~5sccm,反應(yīng)氣的氣流量為40~60sccm,沉積時間為15min。 [0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0020]本發(fā)明以多弧離子鍍鍍膜系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在多弧離子鍍鍍膜系統(tǒng)的真空腔體與陰極弧源之間增設(shè)了聚束腔體，將待測樣置于聚束腔體內(nèi)沉積硬質(zhì)薄膜，由于在本發(fā)明裝置中采用了聚束腔體，聚束腔體能夠使得原本雜亂無章的等離子體在磁場約束下定向運(yùn)動，因此，本發(fā)明裝置沉積硬質(zhì)薄膜的速率大大提高；另外，由于本發(fā)明裝置在沉積硬質(zhì)薄膜時并不需要特別設(shè)定陰極弧源的蒸發(fā)功率，因此，本發(fā)明在提高了沉積速率的同時節(jié)約了靶材更節(jié)約能源。
[0021]進(jìn)一步，本發(fā)明的磁場由磁感線圈提供，線圈的供電電源為電壓電流可調(diào)電源，能夠?yàn)榫凼惑w提供恒流、恒壓等多種模式以滿足不同的工藝要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的裝置圖；
[0023]其中，I一真空腔體，2—聚束腔體，3—陰極弧源，4一真空系統(tǒng)，5—偏壓電源，6—樣品架，7—第一磁感線圈，8—第二磁感線圈，9一第三磁感線圈。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0025]參見圖1，本發(fā)明硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置包括陰極弧源3以及開設(shè)有進(jìn)氣口的真空腔體I ;所述的真空腔體I與真空系統(tǒng)4相連，真空腔體I與陰極弧源3之間設(shè)有用于為陰極弧源3發(fā)出的等離子體提供聚束磁場的聚束腔體2 ;聚束腔體2與真空腔體I相連通，且聚束腔體2內(nèi)設(shè)置有待測樣，待測樣與陰極弧源2之間設(shè)有靶材，陰極弧源3的電源正極分別與真空腔體I和為待測樣提供負(fù)偏壓的偏壓電源5的正極相連，陰極弧源3的電源正極、真空腔體1、偏壓電源5的正極分別接地。真空腔體I內(nèi)設(shè)置有樣品架6，待測樣通過樣品架6與偏壓電源5的負(fù)極相連。本發(fā)明的陰極弧源3能夠提供高密度等離子體束流，這種高密度等離子體束流能在短時間內(nèi)將工件溫度提高的200°C左右，一方面保證了涂層較低應(yīng)力，另一方面節(jié)約了加熱所需電能。
[0026]具體的，聚束腔體2的直徑大于靶材，靶材為T1、Cr或Zr，聚束腔體2是由第一、
二、三磁感線圈7，8，9組成的，第一、二、三磁感線圈7，8，9沿等離子體發(fā)射方向依次布置，且第三磁感線圈9接地，第一、二、三磁感線圈7，8，9的電源為電壓電流可調(diào)電源。由于聚束腔體產(chǎn)生約束磁場是通過第一、二三磁感線圈實(shí)現(xiàn)的，因此，本發(fā)明能夠滿足不同直徑、不同長度、不同體積工件的表面改性。
[0027]本發(fā)明是在已有的多弧離子鍍鍍膜系統(tǒng)引入磁感線圈，無需訂購昂貴的設(shè)備；另外，本發(fā)明還可以根據(jù)工藝要求可更換靶材以實(shí)現(xiàn)不同種類硬質(zhì)涂層的制備；根據(jù)工件大小改變聚束磁場以達(dá)到節(jié)約靶材、降低污染的目的。
[0028]本發(fā)明基于上述快速沉積裝置的硬質(zhì)涂層沉積方法包括以下步驟:
[0029]I)將待測樣置于聚束腔體2內(nèi)，并與偏壓電源5的負(fù)極相連，然后利用真空系統(tǒng)4對真空腔體I抽真空，使真空度達(dá)到3.0X10_3Pa以下，再通過進(jìn)氣口向真空腔體I內(nèi)通入氬氣和反應(yīng)氣體清洗真空腔體I以除去殘余空氣；清洗真空腔體I時,真空腔體內(nèi)的氣壓小于 5Pa。 [0030]2)真空腔體I清洗完成后,從進(jìn)氣口向真空腔體I內(nèi)持續(xù)通入氬氣,保持真空腔體I內(nèi)的氣壓保持在2-3Pa;然后打開聚束腔體(2)的電源使聚束腔體2產(chǎn)生磁場，同時打開偏壓電源5使真空腔體I和聚束腔體2產(chǎn)生輝光，對待測樣表面進(jìn)行輝光清洗；其中，通入氬氣的氣流量為13sccm ;聚束腔體2的電流為0.2~1A，電壓為5~20V ;偏壓電源5的偏壓為800V，占空比為60%，對待測樣表面進(jìn)行清洗的時間為15min，這樣能夠確保目標(biāo)涂層與待測樣的結(jié)合強(qiáng)度不低于60N ；
[0031]3)測樣表面輝光清洗結(jié)束后，通過調(diào)節(jié)通入的氬氣流量使真空腔體I內(nèi)的氣壓保持在0.8-1.2Pa，然后打開陰極弧源3的電源，調(diào)節(jié)偏壓電源5的偏壓為100-200V，占空比為30-50% ;再向待測樣上沉積過渡金屬層；其中，通入氬氣的氣流量為63sCCm ;向待測樣上沉積過渡金屬層時的蒸發(fā)功率為800~1000W，沉積時間為2min ；
[0032]4) Ti層沉積完成后，從進(jìn)氣口向真空腔體I內(nèi)通入氬氣和反應(yīng)氣體，然后向已經(jīng)沉積了過渡金屬層的待測樣上沉積涂層，即在待測樣上沉積了硬質(zhì)涂層；其中，氬氣的氣流量為3~5sccm，反應(yīng)氣的氣流量為40~60sccm，沉積時間為15min。
[0033]上述步驟I)和步驟4)中的反應(yīng)氣為N2、CH4或C2H2。
[0034]本發(fā)明的主要特點(diǎn)是大大提高了單一過渡金屬氮化物硬質(zhì)涂層的沉積速率，以TiN為例:本發(fā)明裝置的硬質(zhì)涂層沉積方法與常規(guī)多弧離子鍍設(shè)備硬質(zhì)涂層沉積方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如表1所示:
[0035]表1本發(fā)明裝置的硬質(zhì)涂層沉積方法與常規(guī)多弧離子鍍設(shè)備的硬質(zhì)涂層沉積方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置，其特征在于:包括陰極弧源(3)以及開設(shè)有進(jìn)氣口的真空腔體⑴；所述的真空腔體⑴與真空系統(tǒng)⑷相連，真空腔體⑴與陰極弧源(3)之間設(shè)有用于為陰極弧源(3)發(fā)出的等離子體提供聚束磁場的聚束腔體(2);聚束腔體(2)與真空腔體(1)相連通，且聚束腔體(2)內(nèi)設(shè)置有待測樣，待測樣與陰極弧源(2)之間設(shè)有靶材，陰極弧源(3)的電源正極分別與真空腔體(1)和為待測樣提供負(fù)偏壓的偏壓電源(5)的正極相連，陰極弧源(3)的電源正極、真空腔體(1)、偏壓電源(5)的正極分別接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置，其特征在于:所述的聚束腔體(2)的直徑大于靶材，聚束腔體(2)是由第一、二、三磁感線圈(7，8，9)組成的，第一、二、三磁感線圈(7，8，9)沿等離子體發(fā)射方向依次布置，且第三磁感線圈(9)接地，第一、二、三磁感線圈(7，8，9)的電源為電壓電流可調(diào)電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置，其特征在于:所述的真空腔體(1)內(nèi)設(shè)置有樣品架(6)，待測樣通過樣品架(6)與偏壓電源(5)的負(fù)極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)涂層的快速沉積裝置，其特征在于:所述的靶材為T1、Cr或Zr。
5.一種基于權(quán)利要求1~4中任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的快速沉積裝置的硬質(zhì)涂層沉積方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將待測樣置于聚束腔體(2)內(nèi)，并與偏壓電源(5)的負(fù)極相連，然后利用真空系統(tǒng)(4)對真空腔體⑴抽真空,使真空度達(dá)到3.0X KT3Pa以下，再通過進(jìn)氣口向真空腔體(1)內(nèi)通入氬氣和反應(yīng)氣體 清洗真空腔體(1)以除去殘余空氣； 2)真空腔體(1)清洗完成后，從進(jìn)氣口向真空腔體(1)內(nèi)持續(xù)通入氬氣，保持真空腔體⑴內(nèi)的氣壓保持在2-3Pa;然后打開聚束腔體⑵的電源使聚束腔體(2)產(chǎn)生磁場，同時打開偏壓電源(5)使真空腔體(1)和聚束腔體(2)產(chǎn)生輝光，對待測樣表面進(jìn)行輝光清洗； 3)測樣表面輝光清洗結(jié)束后，通過調(diào)節(jié)通入的氬氣流量使真空腔體(1)內(nèi)的氣壓保持在0.8-1.2Pa，然后打開陰極弧源(3)的電源，向待測樣上沉積過渡金屬層； 4)過渡金屬層沉積完成后，從進(jìn)氣口向真空腔體(1)內(nèi)通入氬氣和反應(yīng)氣體，然后向已經(jīng)沉積了過渡金屬層的待測樣上沉積涂層，即在待測樣上沉積了硬質(zhì)涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的沉積方法，其特征在于:所述的步驟I)中清洗真空腔體(1)時，真空腔體(1)內(nèi)的氣壓小于5Pa。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的沉積方法，其特征在于:所述的反應(yīng)氣為N2、CH4或C2H2。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的沉積方法，其特征在于:所述的步驟2)中通入氬氣的氣流量為13SCCm ;聚束腔體⑵的電流為0.2~1A，電壓為5~20V ;偏壓電源(5)的偏壓為800V，占空比為60%，對待測樣表面進(jìn)行輝光清洗的時間為15min。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或8所述的沉積方法，其特征在于:所述的步驟3)中通入氬氣的氣流量為63SCCm，在打開陰極弧源(3)前，調(diào)節(jié)偏壓電源(5)的偏壓為100-200V，占空比為30-50%，向待測樣上沉積過渡金屬層時的蒸發(fā)功率為800~1000W，沉積時間為2min。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的沉積方法，其特征在于:所述的步驟4)中氬氣的氣流量為3~5sccm,反應(yīng)氣的氣流量為40~60sccm,沉積時間為15min。
【文檔編號】C23C14/32GK104032267SQ201410186643
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】宋忠孝, 雷哲鋒, 邢聰, 程亮亮, 宋佳豪 申請人:西安交通大學(xué)