納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置的製作方法

2023-05-21 23:22:01 1

專利名稱：納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置的製作方法
專利說明
一、技術領域本實用新型屬於金屬材料工模具表面硬質鍍膜裝置技術領域，具體涉及一種納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置二、背景技術為了使金屬材料工模具如切削刀具等獲得優良的綜合機械性能，提高其使用壽命和機械加工效率，解決思路之一是對工模具表面進行改性，使之覆蓋上硬質薄膜材料來獲得，因此，硬質薄膜材料及工模具表面改性技術是備受材料界關注的研究領域之一。
隨著納米科學與技術的研究日趨升溫，目前在工模具表面覆蓋的納米硬質薄膜可分為兩大類，一類納米複合超硬薄膜，另一類是納米超硬多層薄膜。納米複合超硬薄膜是德國慕尼黑工業大學S.Veprek教授在1995年提出的。S.Veprek教授在對Ti-Si-N納米複合超硬薄膜進行了較系統的基礎與應用研究後，已於上世紀末，將其在德國、瑞士、捷克等歐洲國家的塗層公司(如SHM、Platit)進行了工業化應用。S.Veprek教授的Ti-Si-N納米複合超硬薄膜主要是採用真空柱狀電弧離子鍍及等離子體輔助化學氣相沉積技術獲得的，且其工業化生產設備是建立在真空柱狀電弧離子鍍設備基礎之上的，並已申請了專利(S.Veprek，S.Reiprich and Li Shizhi，Superhard nanocrystallinecomposit materialsThe c-TiN/a-Si3N4 system，Appl.Phys.Lett.，66(1995)2640)。雖然獲得的Ti-Si-N納米複合超硬薄膜較之傳統的單一的氮化鈦(TiN)、碳化鈦(TiC)硬質薄膜，使刀具、模具的加工效率和使用壽命明顯得到了提高，但由於該項技術在工業化生產上主要採用的是真空柱狀電弧離子鍍技術，目前主要適合於硬質合金旋轉棒式切削刀具塗層，因而在可轉位刀片及大型齒輪刀具等工件鍍膜方面，並不具備技術上的優勢，且難於在大範圍及複雜型面的切削刀具上形成所謂的複合結構膜，另外，由該技術所形成的薄膜表面仍顯粗糙，從而影響了其在精密切削領域中的應用。
納米超硬多層薄膜研究的人員較多，如英國Sheffield Hallam大學的Dieter Munz教授在2000年提出的超晶格薄膜就是一種納米超硬多層薄膜。該薄膜的提出不僅為Ti-Si-N納米多層超硬薄膜的研究開闢了空間，同時也引發了各國學者的研究熱情。超晶格薄膜的超硬性和力學性主要來自於其組成物(包括氮化物/氮化物、氮化物/碳化物、碳化物/碳化物、氮化物或碳化物/金屬、氮化物/氧化物等)的性質及超細顯微結構，儘管這些組成物的常規塊狀材料硬度遠沒有達到40Gpa，但當膜的顯微結構組織達到納米數量級時，由兩種或兩種以上這些組成物構成的多層膜系的力學性能會發生極大的變化，得到任何單一組分膜所不具備的硬度和彈性模量(《納米表面工程》，化學工業出版社，ISBN7-5025-4789-4/TQ·1813，P147)。又如上海交通大學公開的「超硬納米多層薄膜及其製作工藝」(CN1254032A)製備的也是一種納米超硬多層薄膜。該工藝是在金屬或陶瓷或其他材料的基體上，利用反應濺射沉積法製取NbN層和TaN層多層薄膜，並可根據使用要求交替製取NbN層和TaN層，其製取工藝步驟為首先將金屬或陶瓷或其他材料的基體表面作鏡面拋光處理，然後再利用反應濺射沉積法交替製取NbN層和TaN層多層薄膜，各層厚度控制在1.5nm～9.0nm，且厚度比為1，交替沉積多層薄膜總厚度為1μm～3μm。雖然公開的製備納米多層超硬薄膜的現有技術各有其特點，但製備過程中仍然不同程度地存在以下一些問題①由於製備Ti-Si-N超硬多層薄膜普遍採用的是離化率低、離子能量低的陰極濺射法，儘管非平衡磁場、輔助離子源技術的建立彌補了該技術上的一些缺陷，但相對離化率仍然偏低、且繞鍍性差，因而在一定程度上影響了其在工模具領域的應用，尤其是不利於複雜型面的鍍膜；②調製周期的控制難度大、穩定性差，且目前所有的工業應用技術所能達到的調製周期約為100～200納米，而理論研究的出的數據通常要求低於50納米，否則超硬效應無法體現；③雖然在實驗室中能在拋光試片上可獲得納米多層薄膜，但在工業製備過程中存在薄膜與基材的粘結強度低，易剝落，無法滿足使用要求的現象；④Ti-Si-N納米多層薄膜具有較高的內應力，薄膜易破裂而導致剝落。因而在實際工模具上尚無法製備出符合應用要求的納米多層超硬薄膜，幾乎不存在工業應用價值。
三
發明內容
本實用新型的目的是針對已有技術存在的問題，提供一種納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置，該裝置製備的納米多層鈦矽氮超硬薄膜能符合使用要求，並能達到工業化生產水平。
本實用新型的設計理念來源於熱陰極離子鍍技術工業化生產的穩定性，且依據物理氣相沉積離子鍍膜能產生大密度、高能量離子，有助於薄膜組織的緻密性、均勻性及粘結強度提高的特點，在現有的Balzers熱陰極離子鍍膜機的工作原理基礎上，增加了磁控濺射蒸發源，從而創新性地建立了一種二元蒸發源離子鍍技術，並且根據該技術具體設計了實用性強，並能達到工業化生產水平的納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置。
本實用新型提供的納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置，包括底盤進出機構、底盤、底盤升降機構、坩堝、坩堝升降機構、輔助陽極、工模具夾具、工模具夾具轉動機構、真空蒸鍍室、支架、磁場線圈、氬氣充氣口、氮氣充氣口、大氣充氣口、真空測量口、熱陰極絲、真空抽氣管和真空機組，其中底盤進出機構位於真空蒸鍍室支架下部，並與支架相連；底盤升降機構位於支架內；底盤由底盤進出機構送入底盤升降機構，再由底盤升降機構提升與安裝在支架上的真空蒸鍍室相連；坩堝位於底盤中部，安放在固連於底盤的坩堝升降機構上；輔助陽極安裝在坩堝旁側的底盤上；工模具夾具分布固連於坩堝四周的底盤上，並與各自位於底盤下的工模具夾具轉動機構相連；真空蒸鍍室固定在支架上，室壁一側開有真空抽氣孔，並通過其上連接的真空抽氣管與真空機組相連，真空抽氣孔相鄰一側的室壁上開有觀察孔；磁場線圈為兩個，分別包覆在真空蒸鍍室上、下端的外壁上；熱陰極絲安裝在真空蒸鍍室頂蓋中部，並與坩堝相對；氬氣充氣口穿過熱陰極絲安裝在真空蒸鍍室頂蓋中心線上；氮氣充氣口、大氣充氣口和真空測量口位於氬氣充氣口外側的真空蒸鍍室頂蓋上，其特徵在於在真空蒸鍍室室壁四周還設置有2～6個磁控濺射源和與之相連的匹配電源，該磁控濺射源包括法蘭座、殼體、襯板、磁鋼、擋塊、冷卻底板、矽板、壓套、密封絕緣件和冷卻水嘴，其中法蘭座的截面形狀呈「π」形，鑲嵌焊接在真空蒸鍍室室壁匹配的孔中；殼體為一截面形狀呈「π」形的盤，由連接件固連在法蘭座的外端面上，密封絕緣墊安放其間，殼體盤內的階梯凹槽中依次安放襯板、磁鋼和擋塊，擋塊分布在磁鋼之間，並與磁鋼位於同一平面；冷卻底板覆蓋在殼體的階梯凹槽外，使磁鋼、擋塊和冷卻底板之間形成一空間作為冷卻水道；冷卻水嘴穿過殼體、襯板、磁鋼和擋塊，與冷卻水道相通；矽板安放在冷卻底板上，並由截面呈「凹」形的壓套固定，壓套的凹槽底開有通孔；壓套、冷卻底板通過連接件固連在殼體盤槽的底端面。
使用時，先將已清洗的、需鍍膜的工模具固定在位於底盤的工模具夾具上，放有金屬鈦的坩堝置於底盤的坩堝升降機構上，開動底盤進出機構和底盤升降機構將底盤送至真空蒸鍍室底部並與之連接為一體；然後打開真空機組對真空蒸鍍室抽真空，並通過真空測量口測量真空蒸鍍室的真空度，以保證整個塗層過程處於真空狀態；其後打開氬氣充氣口，向真空蒸鍍室內通入氬氣，並同時給熱陰極絲和磁場線圈通電，在低電壓、大電流的條件下，熱陰極絲髮射出強電子束，以對由工模具夾具轉動機構驅動而連續轉動的被鍍工模具進行加熱及離子刻蝕；再後，由於電子束受坩堝電位及磁場的影響，被引入坩堝，使置於坩堝中的金屬鈦被加熱熔化、蒸發，在坩堝上方形成等離子區，隨後打開氮氣充氣口通入氮氣，並開啟與磁控濺射源相連的匹配控制電源，使磁控濺射靶源產生輝光放電，並將矽以原子的形式從矽板上濺射出，同時在靶面附近被離化；由於置於工模具夾具上的工模具通過偏壓電源被施加以負電壓，一方面使離化了的鈦離子加速向工模具運動，並與氮離子一起在工模具表面上反應生成TiN薄膜，另一方面，由於磁控濺射源的矽板也在不斷地濺射形成矽離子，因而也使其與氮離子一起在工模具表面上反應生成SiNX薄膜。當被鍍工模具某一表面轉至正對坩堝時，則在該表面處反應生成TiN膜；當被鍍工模具繼續轉動，使該表面轉至正對於磁控濺射靶時，則可在此處反應生成SiNX膜。由於在整個鍍膜過程中，工模具始終處於連續轉動之中，從而保證了工模具各表面可連續、交替形成TiN、SiNX薄膜，達到製備多層Ti-Si-N薄膜的目的。當被鍍工模具鍍膜達到要求後，先關閉主電源、氬氣充氣口、氮氣充氣口，經過一段冷卻時間，然後打開大氣充氣口，使真空蒸鍍室內氣壓與室外大氣壓一致後，將底盤與真空蒸鍍室分離，並由底盤升降機構向下運送至底盤進出機構上，最後由底盤進出機構將其運送至支架外，即可將被鍍工模具從工模具夾具取下。
另外，由於坩堝可以通過坩堝升降機構進行升降，故而在鍍膜沉積過程中，可以通過控制坩堝位置的變化，在軸線方向實現對薄膜厚度的控制。
本實用新型與已有技術相比，具有以下優點1、由於本實用新型是將離子蒸發鍍與磁控濺射二元技術結合為一體設計的，因而可取長補短，既可充分發揮離子蒸發鍍具有較高離化率，有助於薄膜組織的緻密性、均勻性及粘結強度提高的特點，又有效的解決了原Balzers熱陰極離子鍍膜機不能蒸發Si材料的技術難題，且繞鍍性優於磁控濺射法，是工模具表面改性的一種新型的納米多層鈦矽氮超硬薄膜塗層裝置。
2、由於本實用新型可以使連續轉動的工模具在整個鍍膜過程中，始終保持在同一時間裡至少有兩個表面在被鍍中，因而與傳統的單一方法相比，本實用新型可保證工模具各表面薄膜生長過程的連續性，使之能交替形成TiN、SiNX薄膜，達到製備納米多層Ti-Si-N薄膜的目的，並可通過控制蒸發源與待塗工模具的轉動時間、空間關係，可以調節各膜層恰當的生長速度，使納米層調製周期能得到精準的控制。
3、由於用本實用新型獲得的塗層都是以離子結合方式形成的膜層，因此特別利於納米尺度膜層的形成及控制，並可使獲得的Ti-Si-N納米多層超硬薄膜與傳統的TiN薄膜相比硬度可提高50％以上，達到Hv3000以上；而高溫抗氧化溫度也由500℃提高到700℃。
4、由於用本實用新型可以通過電流分別控制兩個蒸發源的蒸發速率，實現對TiN/SiNX膜層結構的調整，獲得達到10Kg以上的理想粘結強度，並將薄膜內應力控制在合理的範圍內，因而解決了要使Ti-Si-N超硬薄膜達到應用水平，而必須解決的薄膜內應力的控制及與基材的粘結強度的提高這兩個關鍵技術。
5、由於用本實用新型的設計理念來源於熱陰極離子鍍技術工業化生產的穩定性，因而賦予了其極具工業化生產的功能，並通過應用試驗驗證了本實用新型可廣泛應用於各類高速鋼、硬質合金切削刀具的塗層加工，且已達到工業化生產水平，使獲得的各類切削刀具塗層的壽命比TiN塗層刀具可提高200％，對於高速鋼刀具而言，與目前國際水平的TiAlN塗層刀具壽命相當，而硬質合金Ti-Si-N塗層刀具壽命較TiAlN塗層刀具可提高50％～100％。
四

圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為本實用新型真空蒸鍍室的俯視結構示意圖；圖3為本實用新型磁控濺射源的剖視結構示意圖；圖4為本實用新型實施例的磁鋼和擋塊排布的半剖結構示意圖。
五具體實施方式
以下結合附圖給出實施例並對本發明進行具體描述。有必要在此指出的是以下實施例只用於對本發明作進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，該領域的專業技術人員根據上述本發明的內容做出的一些非本質的改進和調整，仍屬於本發明的保護範圍。
實施例1如圖1所示，本實用新型包括主要由底盤進出機構1、底盤4、底盤升降機構3、坩堝5、坩堝升降機構19、輔助陽極6、工模具夾具7、工模具夾具轉動機構2、真空蒸鍍室9、支架18、磁場線圈17、氬氣充氣口22、氮氣充氣口20、大氣充氣口14、真空測量口21、熱陰極絲10、真空抽氣管15、真空機組16構成的熱陰極離子鍍膜機、磁控濺射源8和與之相連的匹配電源37。
熱陰極離子鍍膜機本實施例選用由成都工具研究所製造的CTI-830熱陰極離子鍍膜機。該機中底盤進出機構1位於真空蒸鍍室9下部，並與支架18相連，底盤升降機構3位於支架18內，底盤4由底盤進出機構1送入底盤升降機構3，再由底盤升降機構3提升與安裝在支架18上的真空蒸鍍室9相連為一體。坩堝5位於底盤4中部，安放在固連於底盤的坩堝升降機構19上，可由其上升或下降來控制坩堝5在真空蒸鍍室9中的位置，以在軸線方向實現對薄膜厚度的控制。輔助陽極6與坩堝5同心，安裝在坩堝5旁，以通過產生的正電場來引導電子束離化坩堝5中的金屬鈦。工模具夾具7分布固連於坩堝四周的底盤4上，並與各自位於底盤下的工模具夾具轉動機構2相連。工模具夾具7的結構需與鍍膜工模具12的結構相匹配，這些都是本領域的普通技術人員熟知的知識。本實施例圖1中顯示的鍍膜工模具12為一滾刀。真空蒸鍍室9固定在支架18上，室壁一側開有真空抽氣孔13，並通過其上連接的真空抽氣管15與真空機組16相連，觀察孔11開在真空抽氣孔13相鄰一側的室壁上。磁場線圈17為兩個，分別包覆在真空蒸鍍室9上、下端的外壁上，與電源相連，並可通過電源控制產生的磁場大小。熱陰極絲10安裝在真空蒸鍍室9頂蓋中部，並與坩堝5相對。氬氣充氣口22穿過熱陰極絲10安裝在真空蒸鍍室9頂蓋中心線上，氮氣充氣口20、大氣充氣口14和真空測量口21位於氬氣充氣口22外側的真空蒸鍍室9頂蓋上，見圖2。
磁控濺射源8設置在真空蒸鍍室9室壁四周，可設置2～6個，本實施例設置了4個，見圖2。整個磁控濺射源8的形狀可設計為矩形或圓形，本實施例為矩形，見圖4。每個磁控濺射源8主要包括法蘭座23、殼體24、襯板31、磁鋼25、擋塊28、冷卻底板29、矽板32、壓套34、密封絕緣件35和冷卻水嘴30，如圖3所示。其中法蘭座23的截面形狀呈「π」形，鑲嵌焊接在真空蒸鍍室9室壁匹配的孔中。殼體24為一截面形狀呈「π」形的盤，由連接件36即螺釘固連在法蘭座23的外端面上，密封絕緣件35安放其間，殼體24盤內的階梯凹槽中依次安放襯板31、磁鋼25和擋塊28。擋塊28分布在磁鋼25之間，並與磁鋼25位於同一平面，見圖4，且磁鋼25的排布應使產生的磁場呈封閉磁場。冷卻底板29覆蓋在殼體24的階梯凹槽外，以使磁鋼25、擋塊28和冷卻底板29之間形成一空間作為冷卻水道。冷卻水嘴30穿過殼體24、襯板31、磁鋼25和擋塊28，與冷卻水道相通，以對矽板32進行冷卻。矽板32安放在冷卻底板29上，並由截面呈「凹」形的壓套34固定，壓套34的凹槽底開有通孔。壓套34、冷卻底板29通過連接件36即螺釘固連在殼體24盤槽的底端面。為了防止磁控濺射源的矽板32被其它的磁控濺射源8濺射的離子汙染和屏蔽真空蒸鍍室9的磁場對矽板32的影響，在每個磁控濺射源8中還設置了一個防護罩33，該防護罩33為一平板，中部開有通孔，由連接件36固連在位於真空蒸鍍室9室壁內的法蘭座23底端面。
另外，在每個磁控濺射源8中還設置了一個壓板26和一個絕緣板27，它們依次固連在殼體24外側，以固定殼體24和防止磁控濺射源8的電場對人體產生的影響。
與磁控濺射源8相連的匹配電源37為中頻電源，與磁控濺射源的壓板26連接。
實施例2本實施例納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置與實施例1不同之處在於磁控濺射源8為3個，形狀為圓形，其餘部件的結構、形狀和連接關係因同實施例1完全相同，故略去不述。
實施例3本實施例納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置與實施例1不同之處在於磁控濺射源8為5個，其餘部件的結構、形狀和連接關係因同實施例1完全相同，故略去不述。
權利要求1.一種納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置，包括底盤進出機構(1)、底盤(4)、底盤升降機構(3)、坩堝(5)、坩堝升降機構(19)、輔助陽極(6)、工模具夾具(7)、工模具夾具轉動機構(2)、真空蒸鍍室(9)、支架(18)、磁場線圈(17)、氬氣充氣口(22)、氮氣充氣口(20)、大氣充氣口(14)、真空測量口(21)、熱陰極絲(10)、真空抽氣管(15)和真空機組(16)，其中底盤進出機構(1)位於真空蒸鍍室支架(18)下部，並與支架(18)相連；底盤升降機構(3)位於支架(18)內；底盤(4)由底盤進出機構(1)送入底盤升降機構(3)，再由底盤升降機構(3)提升與安裝在支架上的真空蒸鍍室(9)相連；坩堝(5)位於底盤(4)中部，安放在固連於底盤的坩堝升降機構(19)上；輔助陽極(6)安裝在坩堝(5)旁；工模具夾具(7)分布固連於坩堝四周的底盤(4)上，並與各自位於底盤下的工模具夾具轉動機構(2)相連；真空蒸鍍室(9)固定在支架(18)上，室壁一側開有真空抽氣孔(13)，並通過其上連接的真空抽氣管(15)與真空機組(16)相連，真空抽氣孔(13)相鄰一側的室壁上開有觀察孔(11)；磁場線圈(17)為兩個，分別包覆在真空蒸鍍室(9)上、下端的外壁上；熱陰極絲(10)安裝在真空蒸鍍室(9)頂蓋中部，並與坩堝(5)相對；氬氣充氣口(22)穿過熱陰極絲(10)安裝在真空蒸鍍室(9)頂蓋中心線上；氮氣充氣口(20)、大氣充氣口(14)和真空測量口(21)位於氬氣充氣口(22)外側的真空蒸鍍室(9)頂蓋上，其特徵在於在真空蒸鍍室(9)室壁四周還設置有2～6個磁控濺射源(8)和與之相連的匹配電源(37)，該磁控濺射源(8)包括法蘭座(23)、殼體(24)、襯板(31)、磁鋼(25)、擋塊(28)、冷卻底板(29)、矽板(32)、壓套(34)、密封絕緣件(35)和冷卻水嘴(30)，其中法蘭座(23)的截面形狀呈「π」形，鑲嵌焊接在真空蒸鍍室(9)室壁匹配的孔中；殼體(24)為一截面形狀呈「π」形的盤，由連接件(36)固連在法蘭座(23)的外端面上，密封絕緣件(35)安放其間，殼體(24)盤內的階梯凹槽中依次安放襯板(31)、磁鋼(25)和擋塊(28)，擋塊(28)分布在磁鋼(25)之間，並與磁鋼(25)位於同一平面；冷卻底板(29)覆蓋在殼體(24)的階梯凹槽外，使磁鋼(25)、擋塊(28)和冷卻底板(29)之間形成一空間作為冷卻水道；冷卻水嘴(30)穿過殼體(24)、襯板(31)、磁鋼(25)和擋塊(28)，與冷卻水道相通；矽板(32)安放在冷卻底板(29)上，並由截面呈「凹」形的壓套(34)固定，壓套(34)的凹槽底開有通孔；壓套(34)、冷卻底板(29)通過連接件(36)固連在殼體(24)盤槽的底端面。
2.根據權利要求1所述的納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置，其特徵在於在每個磁控濺射源(8)中還包括一個防護罩(33)，該防護罩(33)為一平板，中部開有通孔，由連接件(36)固連在位於真空蒸鍍室(9)室壁內的法蘭座(23)底端面。
3.根據權利要求1或2所述的納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置，其特徵在於在每個磁控濺射源(8)中還包括一個壓板(26)和一個絕緣板(27)，它們依次固連在殼體(24)外側。
4.根據權利要求3所述的納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置，其特徵在於與磁控濺射源(8)相連的匹配電源(37)為中頻電源，與磁控濺射源的壓板(26)連接。
5.根據權利要求1或2所述的納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置，其特徵在於通過在真空蒸鍍室(9)室壁四周設置的磁控濺射源(8)為4個，形狀為矩形。
6.根據權利要求3所述的納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置，其特徵在於在真空蒸鍍室(9)室壁四周設置的磁控濺射源(8)為4個，形狀為矩形。
7.根據權利要求4所述的納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置，其特徵在於在真空蒸鍍室(9)室壁四周設置的磁控濺射源(8)為4個，形狀為矩形。
專利摘要本實用新型公開的納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置，是在已有的熱陰極離子鍍膜機結構的基礎上，在其真空蒸鍍室室壁四周設置了2～6個磁控濺射源和與之相連的匹配電源。每個磁控濺射源主要由法蘭座、殼體、襯板、磁鋼、擋塊、冷卻底板、矽板、壓套、密封絕緣件和冷卻水嘴等構成。由於本實用新型將離子蒸發鍍與磁控濺射二元技術結合為一體，因而既可發揮離子蒸發鍍較高離化率，使薄膜組織的緻密性、均勻性及粘結強度提高的特點，又解決了已有熱陰極離子鍍膜機不能蒸發Si材料的技術難題，且繞鍍性好，使之能連續交替形成符合使用要求的TiN、SiNx薄膜，是工模具表面改性的一種新型的、具有工業化價值的納米多層鈦矽氮超硬薄膜工模具塗層裝置。
文檔編號C23C14/54GK2910965SQ20062003435
公開日2007年6月13日 申請日期2006年5月29日 優先權日2006年5月29日
發明者趙海波, 周彤, 穆建生 申請人:趙海波, 周彤, 穆建生