一種多磁場結構適應性控制磁場組裝置的製作方法

2023-10-05 10:04:54

專利名稱：一種多磁場結構適應性控制磁場組裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及薄膜與塗層製備技術領域，具體地說是一種多磁場結構適應性控制磁場組裝置。
背景技術：
表面防護塗層技術是提高工模具及機械部件質量和使用壽命的重要途徑，作為材料表面防護技術之一的離子鍍膜技術，由於由於結構簡單、離化率高、入射粒子能量高，可以輕鬆得到其他方法難以獲得的高硬度、高耐磨性的陶瓷塗層、複合塗層，應用在工具、模具上面，可以使壽命成倍提高，較好地實現了低成本、高收益的效果；此外，離子鍍塗層技術具有低溫、高能兩個特點，幾乎可以在任何基材上成膜，應用範圍十分廣闊，展示出很大的經濟效益和工業應用前景。離子鍍電弧自持放電的必要條件是有持續大量的有效電子發射，從電子發射機理分析，大量電子發射發生的必要條件是有大量的電子能夠越過金屬表面勢壘與費米能級之間的勢壘高度(逸出功)，這種情況發生在兩種狀態下，一是熱陰極電子發散，即金屬表面有大量的高能態電子(大於逸出功)存在，高能態電子的數量隨著金屬的溫度升高而增加，亦即熱電子發散的效應越明顯；另外一種是降低表面勢壘即降低電子的逸出功，即提高陰極表面的外加電場強度，表面勢壘高度的降低值隨著外加電場強度的升高而增大。而陰極附近空間的正電荷密度決定了陰極處的電場強度，正離子電荷密度的增加促進了電場強度的增加，在冷陰極情況下，為了形成有效的電子發散，維持弧光放電，電流的集中放電是最有效的途徑。集中放電一方面可以將陰極局部加熱到高溫狀態，提高高能態電子的數量，另一方面可以在局部形成高密度的正電荷鞘層，提高局部的電場強度，降低功函數，促進電子的大量發射。在陰極弧斑放電中，只有那些溫度最高(離子轟擊和電阻熱效應)，電場最強，或者逸出功最低的微小區才能發射大量的電子，只有最有效的大量的電子發射才能維持弧斑的存在。因此觀察到的離子鍍弧斑的運動實際上是弧斑最有效位置的移動，更確切的說是正電荷密度最大值的位置的移動引起新弧斑的形成、舊弧斑的熄滅造成了弧斑的運動。而正是由於電弧離子鍍陰極斑點的尺寸很小，功率密度非常高，所以陰極斑點在作為強烈的電子，金屬原子、離子和高速金屬蒸汽發射源的同時，也不斷的噴射金屬大顆粒。從電弧離子鍍液滴的產生機制可知，欲減少大顆粒的發射，就應當避免靶材局部過熱產生較大較深的弧斑熔池和局部的離子轟擊。因此，必須採用一定的方式控制弧斑的運動以及改善弧斑的放電形式，提高弧斑的運動速度，縮短弧斑在一點的停留時間，降低局部的功率密度和高密度離子轟擊。離子鍍弧源是電弧等離子體放電的源頭，是離子鍍技術的核心部件。為了更好的提高沉積薄膜的質量和有效的利用靶材，提高放電穩定性，必須對弧斑的運動進行合理的控制，而弧斑的有效控制必須有合理的機械結構與磁場結構配
口 ο目前的電弧離子鍍技術主要是在靶材附近施加磁場來控制弧斑的運動，來提高放電穩定性和靶材刻蝕率。由於電弧離子鍍主要靠靶面上的陰極斑點的放電來沉積所需薄膜的，因此是一種點狀源，這些傳統的單純在靶面附近施加磁場的方法雖然可以有效地控制弧斑在靶面的運動，但是並沒有解決等離子在傳輸空間分布的不均勻性，同時，隨著磁場強度的增加，造成了部分離子隨著靶材周圍磁場的分布運動而流失，造成了基體處離子密度的下降。而且長時間的刻蝕容易在靶面上形成刻蝕軌道，造成靶材刻蝕的不均勻。由於真空電弧等離子體的物理特性，外加電磁場是改善弧斑放電、控制弧斑運動以及改善等離子體的傳輸特性的有效方法。離子鍍弧源是電弧等離子體放電的源頭，是離子鍍技術的核心部件，國內外在離子鍍弧源的設計上都離不開磁場的設計。合理的磁場可以有效的改善弧斑的放電，同時保證等離子體的有效傳輸，而單獨的一種磁場結構往往難以構建合適的空間磁場位形，既保證靶面所需磁場狀態，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布，因此高效優質的離子鍍源裝置必須要有合理緊湊的結構滿足設置多種耦合磁場發生裝置的需要。中國發明專利(專利號ZL200810010762.4)提出了一種利用旋轉磁場控制弧斑運動的電弧離子鍍裝置，但是該發明沒有對具體的弧源結構進行創新設計，弧源頭及圍繞於靶材之外的法蘭套結構不合理，佔用空間體積過大，不利於整體結構分布，整體結構不緊湊，磁場漏磁嚴重，不利於鍍膜整機設計安排；最主要的是該發明只利用旋轉橫向磁場約束弧斑放電，對等離子體的傳輸和弧斑放電不利，大大降低了弧光等離子體的傳輸效率，大部分的等離子體約束在靶面附近，造成了沉積不均勻性和速率降低，同時單獨強度過大的橫向磁場減弱了弧斑放電的穩定性。因此，正如前述，需要有合理緊湊的法蘭結構及控制磁場組滿足設置多種耦合磁場發生裝置的需要，既保證靶面所需磁場狀態、改善弧斑放電、降低放電功率密度、提高放電穩定性，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布。但是頻率強度匹配的旋轉橫向磁場可以大大改善弧斑放電，實現準擴散弧的狀態，這點是值得在設計中採用的。因此，本實用新型進一步創新發明，對傳統弧源的磁場裝置結構進行改進，提出了一種多磁場結構適應性控制磁場組裝置的設計方案。

實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種多磁場結構適應性控制磁場組裝置，提供多種弧斑控制磁場模式，既滿足靶面附近的弧斑磁場狀態，改善弧斑放電形式，降低功率密度、減少大顆粒發射，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和傳輸均勻性。本實用新型技術方案是:一種多磁場結構適應性控制磁場組裝置，由雙層水冷法蘭套和多磁場結構控制磁場組構成，法蘭套的外側設有法蘭套絕緣套，法蘭套絕緣套的外側設有多磁場結構控制磁場組；多磁場結構控制磁場組單獨或耦合設有二極旋轉橫向磁場發生裝置、單個或兩個以上軸向形成梯度或均勻的軸向磁場的磁場發生裝置、同軸聚焦磁場磁軛。所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，法蘭套中設有法蘭套冷卻水通道，法蘭套底部設有與法蘭套冷卻水通道相通的法蘭套進水管、法蘭套出水管，法蘭套冷卻水通道的一端設置環形法蘭盤，法蘭盤邊緣開有法蘭連接孔。所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，多磁場結構控制磁場組產生的磁場是以下單獨或耦合的磁場發生裝置形成的多型複合磁場之一:[0012](I)由單獨二極旋轉橫向磁場控制弧斑運動形成單型複合磁場；(2)由二極旋轉橫向磁場耦合法蘭端部軸向磁場形成兩型複合磁場；(3)由單獨軸向磁場裝置形成梯度或均勻複合磁場；(4)由兩個以上軸向磁場裝置形成梯度或均勻複合磁場。所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，法蘭套為空心結構，多磁場結構控制磁場組、法蘭套與弧源頭的靶材三者之間同軸，多磁場結構控制磁場組在法蘭套上的位置可調；法蘭套截面單邊形狀為L形，中間法蘭套冷卻水通道由雙層不鏽鋼筒同軸圍套組成，冷卻水通道上部設有環形法蘭盤。所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，法蘭盤的內徑與法蘭套內徑平齊，法蘭盤的外徑與弧源頭的爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤邊緣開有6-8個法蘭連接孔，法蘭盤整體通過法蘭連接孔與爐體連接；冷卻水通道下部連接不鏽鋼法蘭環，法蘭環內、外徑與法蘭套一致，法蘭環底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋孔為通孔，作為進出水口，另外6個作為離子鍍槍底盤連接孔。所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，二極橫向旋轉磁場發生裝置由多磁極鐵芯骨架及漆包線繞組線圈組成，多磁極的數量為12η，η為整數，η彡2 ;鐵芯為環形矽鋼片疊壓而成，鐵芯內圓開有嵌放繞組線圈的槽，槽形有開口、半開口或半閉口形式，槽數有24、36、48、54或72，鐵芯內徑大於法蘭套外徑，鐵芯通過法蘭絕緣套圍套在法蘭套上；矽鋼片的表面塗有耐高壓絕緣漆，鐵芯採用冷軋或熱軋矽鋼或者採用非晶導磁材料的鐵芯；二極橫向旋轉磁場發生裝置的漆包線繞組線圈採用聚氨酯漆包銅線或者鋁線繞制結構，按二極磁場規律連接成對稱的三相繞組；繞組的連接方式有單層、雙層或單雙層混合，繞組端部的接線方式採用 疊式或者波式，繞組的端部形狀採用鏈式、交叉式、同心式或疊式，繞組採用相位差為120°的三相變頻正弦交流電源。所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，二極橫向旋轉磁場發生裝置放置於弧源頭的靶材周圍，其中心高於靶材表面。所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，梯度或均勻的軸向磁場發生裝置由漆包線繞制的單個或兩個以上電磁線圈組組成，電磁線圈組由漆包線繞制在線圈骨架上，電磁線圈組內外設有絕緣保護層，軸向磁場發生裝置與法蘭套之間設置法蘭絕緣套。所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，多磁場結構控制磁場組的外圍設置法
蘭套屏蔽罩。本實用新型的有益效果是:本實用新型採用由雙層水冷法蘭套和多磁場結構的控制磁場組成多磁場結構適應性控制磁場組裝置，多磁場結構控制磁場組單獨或耦合設有二極旋轉橫向磁場發生裝置、單個或兩個以上軸向磁場發生裝置(形成梯度或均勻的軸向磁場)、同軸聚焦磁場磁軛。多磁場結構適應性控制磁場組提供了多種耦合磁場可行性，既滿足靶面附近的磁場狀態，改善弧斑放電形式，降低放電功率密度、減少大顆粒發射、提高放電穩定性，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和傳輸均勻性，提高鍍膜效率和鍍膜均勻性，利於整機設計，促進工具鍍膜和裝飾鍍膜的發展，使得該多磁場結構適應性控制磁場組結構成為一種實用的離子鍍源輔助裝置。
圖1是本實用新型的結構示意圖。圖中，I法蘭套；2法蘭套冷卻水通道；3法蘭套屏蔽罩；4法蘭連接孔；5法蘭盤；6多磁場結構控制磁場組；7法蘭套進水管；8法蘭套出水管；9法蘭套絕緣套；10 二極旋轉橫向磁場發生裝置；11軸向磁場發生裝置；12同軸聚焦磁場磁軛。
具體實施方式
下面通過實施例和附圖對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1所示，本實用新型多磁場結構適應性控制磁場組裝置，由雙層水冷法蘭套和多磁場結構的控制磁場組成，主要包括:法蘭套1、法蘭套冷卻水通道2、法蘭套屏蔽罩3、法蘭連接孔4、法蘭盤5、多磁場結構控制磁場組6、法蘭套進水管7、法蘭套出水管8、法蘭套絕緣套9等,具體結構如下:法蘭套I的外側設有法蘭套絕緣套9，法蘭套絕緣套9的外側設有多磁場結構控制磁場組6 ;多磁場結構控制磁場組單獨或耦合設有二極旋轉橫向磁場發生裝置10、單個或兩個以上軸向磁場發生裝置(形成梯度或均勻的軸向磁場)11、同軸聚焦磁場磁軛12。法蘭套I中設有法蘭套冷卻水通道2，法蘭套I底部設有與法蘭套冷卻水通道2相通的法蘭套進水管7、法蘭套出水管8，法蘭套冷卻水通道的一端設置環形法蘭盤5，法蘭盤5邊緣開有法蘭連接孔4。多磁場結構控制磁場組6的外圍設置法蘭套屏蔽罩3，通過法蘭套屏蔽罩3對內部的磁場發生裝置進行保護。本實用新型中，多磁場結構控制磁場組6產生的磁場是以下單獨或耦合的磁場發生裝置形成的多型複合磁場之一:(I)由單獨二極旋轉橫向磁場控制弧斑運動形成單型複合磁場；(2)由二極旋轉橫向磁場I禹合法蘭端部軸向磁場形成兩型複合磁場；(3)由單獨軸向磁場裝置形成梯度或均勻複合磁場；(4)由兩個以上軸向磁場裝置形成梯度或均勻複合磁場。本實用新型中，法蘭套I由不導磁的不鏽鋼製作，法蘭套為空心結構，通冷卻水保護；多磁場結構控制磁場組6、法蘭套I與弧源頭的靶材三者之間同軸，多磁場結構控制磁場組6在法蘭套I上的位置可調；法蘭套I截面單邊形狀為L形，中間法蘭套冷卻水通道2由雙層不鏽鋼筒同軸圍套組成，法蘭套冷卻水通道2上部焊接一環形法蘭盤5，法蘭盤5的內徑與法蘭套I內徑平齊，法蘭盤5的外徑與弧源頭的爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤5邊緣開有6-8個法蘭連接孔4，通過法蘭連接孔4將法蘭盤5整體與爐體連接；法蘭套冷卻水通道2下部連接不鏽鋼法蘭環，法蘭環內、外徑與法蘭套一致，法蘭環底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋孔為通孔，作為進出水口，另外6個作為離子鍍槍底盤連接孔。本實用新型中，多磁場結構控制磁場組6設有的二極橫向旋轉磁場發生裝置由多磁極(12η，η為整數，n ^ 2)鐵芯骨架及漆包線繞組線圈組成，鐵芯由導磁率高、厚
0.35-0.5mm的環形矽鋼片疊壓而成，鐵芯內圓開有嵌放繞組線圈的槽，槽形有開口、半開口或半閉口形式，槽數有24、36、48、54或72，鐵芯內徑按法蘭套尺寸選擇，大於法蘭套外徑，鐵芯外徑根據標準選擇，通過法蘭絕緣套圍套在法蘭套上；矽鋼片的表面塗有耐高壓絕緣漆，鐵芯材料採用冷軋或熱軋矽鋼或者採用非晶導磁材料；二極橫向旋轉磁場發生裝置的漆包線繞組線圈採用高強度聚氨酯漆包銅線或者鋁線繞制，按二極磁場規律連接成對稱的三相繞組；繞組的連接方式有單層、雙層或單雙層混合，繞組端部的接線方式採用疊式或者波式，繞組的端部形狀採用鏈式、交叉式、同心式或疊式；繞組採用相位差為120°的三相變頻正弦交流電源激勵，電流頻率和電壓可單獨調節，通過電壓調節二極橫向旋轉磁場的強度，通過電流頻率調節二極橫向旋轉磁場的旋轉速度。二極橫向旋轉磁場發生裝置放置於弧源頭的靶材周圍，其中心高於靶材表面。本實用新型中，多磁場結構控制磁場組6設有的梯度或均勻的軸向磁場發生裝置由漆包線繞制的單個或兩個以上電磁線圈組組成，電磁線圈組內外設有絕緣保護層，軸向磁場發生裝置與法蘭套之間設置法蘭絕緣套，軸向磁場發生裝置通過法蘭絕緣套與法蘭絕緣保護，電磁線圈組由漆包線繞制在線圈骨架上，電磁線圈組內外通過絕緣保護；電磁線圈組通直流電，通過不同線圈的電壓大小調節軸向磁場的強度和梯度分布。實施例結果表明，本實用新型採用由雙層水冷法蘭套和多磁場結構的控制磁場組成多磁場結構適應性控制磁場組裝置；多磁場結構適應性控制磁場組單獨或耦合設有二極旋轉橫向磁場發生裝置、單個或兩個以上形成梯度或均勻軸向磁場的軸向磁場發生裝置，提供了多種耦合磁場可行性，既滿足靶面附近的磁場狀態，改善弧斑放電形式，降低放電功率密度、減少大顆粒發射、提高放電穩定性，提高靶材刻蝕均勻性和靶材利用率，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和傳輸均勻性，提高鍍膜效率和鍍膜均勻性，利於整機設計，促進工具鍍膜和裝飾鍍膜的發展，使得該多磁場結構適應性控制磁場組結構成為一種實用的離子鍍源輔助裝置。
權利要求1.一種多磁場結構適應性控制磁場組裝置，其特徵在於，由雙層水冷法蘭套和多磁場結構控制磁場組構成，法蘭套的外側設有法蘭套絕緣套，法蘭套絕緣套的外側設有多磁場結構控制磁場組；多磁場結構控制磁場組單獨或耦合設有二極旋轉橫向磁場發生裝置、單個或兩個以上軸向形成梯度或均勻的軸向磁場的磁場發生裝置、同軸聚焦磁場磁軛。
2.按照權利要求1所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，其特徵在於，法蘭套中設有法蘭套冷卻水通道，法蘭套底部設有與法蘭套冷卻水通道相通的法蘭套進水管、法蘭套出水管，法蘭套冷卻水通道的一端設置環形法蘭盤，法蘭盤邊緣開有法蘭連接孔。
3.按照權利要求1所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，其特徵在於:多磁場結構控制磁場組產生的磁場是以下單獨或耦合的磁場發生裝置形成的多型複合磁場之一: (O由單獨二極旋轉橫向磁場控制弧斑運動形成單型複合磁場； (2)由二極旋轉橫向磁場I禹合法蘭端部軸向磁場形成兩型複合磁場； (3)由單獨軸向磁場裝 置形成梯度或均勻複合磁場； (4)由兩個以上軸向磁場裝置形成梯度或均勻複合磁場。
4.按照權利要求1所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，其特徵在於:法蘭套為空心結構，多磁場結構控制磁場組、法蘭套與弧源頭的靶材三者之間同軸，多磁場結構控制磁場組在法蘭套上的位置可調；法蘭套截面單邊形狀為L形，中間法蘭套冷卻水通道由雙層不鏽鋼筒同軸圍套組成，冷卻水通道上部設有環形法蘭盤。
5.按照權利要求4所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，其特徵在於:法蘭盤的內徑與法蘭套內徑平齊，法蘭盤的外徑與弧源頭的爐體法蘭外徑平齊，法蘭盤邊緣開有6-8個法蘭連接孔，法蘭盤整體通過法蘭連接孔與爐體連接；冷卻水通道下部連接不鏽鋼法蘭環，法蘭環內、外徑與法蘭套一致，法蘭環底部開有8個螺紋孔，其中對稱兩個螺紋孔為通孔，作為進出水口，另外6個作為離子鍍槍底盤連接孔。
6.按照權利要求1所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，其特徵在於:二極橫向旋轉磁場發生裝置由多磁極鐵芯骨架及漆包線繞組線圈組成，多磁極的數量為12η，η為整數，η > 2 ;鐵芯為環形矽鋼片疊壓而成，鐵芯內圓開有嵌放繞組線圈的槽，槽形有開口、半開口或半閉口形式，槽數有24、36、48、54或72，鐵芯內徑大於法蘭套外徑，鐵芯通過法蘭絕緣套圍套在法蘭套上；矽鋼片的表面塗有耐高壓絕緣漆，鐵芯採用冷軋或熱軋矽鋼或者採用非晶導磁材料的鐵芯； 二極橫向旋轉磁場發生裝置的漆包線繞組線圈採用聚氨酯漆包銅線或者鋁線繞制結構，按二極磁場規律連接成對稱的三相繞組；繞組的連接方式有單層、雙層或單雙層混合，繞組端部的接線方式採用疊式或者波式，繞組的端部形狀採用鏈式、交叉式、同心式或疊式，繞組採用相位差為120°的三相變頻正弦交流電源。
7.按照權利要求1或6所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，其特徵在於，二極橫向旋轉磁場發生裝置放置於弧源頭的靶材周圍，其中心高於靶材表面。
8.按照權利要求1所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，其特徵在於:梯度或均勻的軸向磁場發生裝置由漆包線繞制的單個或兩個以上電磁線圈組組成，電磁線圈組由漆包線繞制在線圈骨架上，電磁線圈組內外設有絕緣保護層，軸向磁場發生裝置與法蘭套之間設置法蘭絕緣套。
9.按照權利要求1所述的多磁場結構適應性控制磁場組裝置，其特徵在於:多磁場結構控制磁場組的外圍設置法蘭套屏蔽罩 。
專利摘要本實用新型涉及薄膜與塗層製備技術領域，具體地說是一種多磁場結構適應性控制磁場組裝置。多磁場結構適應性控制磁場組裝置由雙層水冷法蘭套和多磁場結構控制磁場組構成，法蘭套的外側設有法蘭套絕緣套，法蘭套絕緣套的外側設有多磁場結構控制磁場組；多磁場結構控制磁場組單獨或耦合設有二極旋轉橫向磁場發生裝置、單個或兩個以上軸向形成梯度或均勻的軸向磁場的磁場發生裝置、同軸聚焦磁場磁軛。本實用新型採用多磁場結構適應性控制磁場組，提供多種弧斑控制磁場模式，既滿足靶面附近的弧斑磁場狀態，改善弧斑放電形式，降低功率密度、減少大顆粒發射，又保證等離子體傳輸空間的磁場分布，提高等離子體的傳輸效率和傳輸均勻性。
文檔編號C23C14/54GK203065569SQ20132009090
公開日2013年7月17日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者郎文昌 申請人:溫州職業技術學院