真空納米鍍膜爐的製作方法
2023-05-17 23:54:46 2
專利名稱：真空納米鍍膜爐的製作方法
技術領域：
本發明專利真空納米鍍膜爐屬於材料領域表面改性的真空離子物理鍍膜(PVD)技術和設備。利用本發明專利設備，可在工件表面實現多種膜系的多層納米膜複合鍍層，用以改善材料表面的性能。
背景技術：
自上世紀八十年代以來，以TiN(氮化鈦，俗稱「鈦金」)為代表的提高工具性能的離子鍍技術與裝備，作為材料表面的改性技術之一，已在製造業中得到了廣泛的應用。我國在上世紀八十年代末，開發了相關的真空鍍膜爐設備和技術，目前主要用在裝飾行業方面，工具行業也得到了一定的應用。
但隨著製造業的發展，各種新材料的應用，對工具、模具及機械零件的性能，如硬度、耐磨性、耐蝕及抗氧化性等有更高的要求，以提高其加工效率、使用性能和壽命。目前國際上新的真空鍍膜爐，能夠進行碳氮化鈦(TiCN)、氮鋁鈦(TiAlN)、氮化鋯(ZrN)等化合物及類金剛石(DLC)等，比TiN性能更好的鍍膜。例如Metaplas Ionon公司生產的MZR-373和MZR-323型陰極弧靶真空鍍膜爐，主要生產TiAlN單層鍍膜；德國CemeCon公司生產的CC800/9型磁控濺射靶真空鍍膜爐，可以生產金剛石和其他多種單層鍍膜。CemeCon公司已經有多層膜鍍層產品，但僅是在TiAlN鍍層外再鍍一薄層Al2O3，形成所謂的TIALNOX「外殼」，改善了TiAlN鍍膜的硬度和結構。
目前國內少數工具廠已進口真空鍍膜爐進行TiAlN等鍍膜生產，但因設備價格昂貴，應用受到了限制。一些外企在國內設鍍膜中心開展刀具的TiAlN等鍍膜業務，但其規模尚小。
國內已有多層複合膜生產的報導，西安交大與北京航空航天大學合作開發的「新型脈衝PCVD模具表面強化設備與技術」，可以生產多層複合膜。但其用的是等離子體化學氣相沉積法(PCVD)，由於加工時溫度相對較高等原因，它很難製備納米量級的膜。
理論上講，VI-V族金屬元素及其碳化物、氮化物及其他化合物(見下表)膜層，在硬度、耐磨性、耐蝕及抗氧化性等方面各有特點。使用不同的離子源的真空鍍膜爐，由於各種離子源的特性不同，其生產的鍍膜品種也各有偏重。但不管何種真空鍍膜爐，當其生產的單層膜厚度達到微米級時，由於膜層晶粒長大、內部應力大而易於產生微裂紋，與基體的結合強度減弱等方面的不足，限制充分發揮鍍膜材料本身固有的性能。
研究表明，當膜厚度為20～50納米左右時，由於材料晶體結構中點缺陷和線缺陷(位錯)少，故其硬度和韌性等性能可達到材料本身最佳狀態。另外，材料科學研究表明，當不同材料相互結合在一起時，其表面以原子、分子狀態獨立存在的晶體結構鍵聯結將產生互相滲透。當厚度在10～40納米左右的單層膜相互結合時，晶體結構鍵聯結的相互滲透效果最佳，這種滲透將強化材料的性能。國際上已有關於多層納米膜優化性能的研究報導，但尚未見有實現生產多層納米膜複合鍍層和相應的真空鍍膜爐的報導。
三、發明內容1)技術問題眾所周知，多層膜複合鍍層可以克服了單層鍍膜存在的缺點，另外，最新科研結果更表明，複合鍍層中的每層膜的厚度降低至幾十納米時，更可顯示材料的納米尺寸效應，使鍍層材料性能處於最佳狀態。
因此，研製一種能根據需要鍍制不同材質、厚度可控制在納米量級、並能保證納米膜與基體間和各納米膜之間有良好的結構鍵聯結的多層納米膜複合鍍層的真空鍍膜爐，是本發明的目標。
實現上述思想的主要技術問題在可以同爐鍍制不同材質的膜；控制每層膜的厚度在納米量級；保證各納米膜與基體間、膜層之間有良好的晶體結構鍵聯結。
2)技術方案要阻止單層膜繼續增厚，改變後續沉積膜的晶粒結構是最直接的辦法。通過將具有不同特性的等離子槍、陰極弧靶和磁控濺射靶等離子源置於同一臺真空鍍膜爐中，就可以實施不同材質、不同晶粒結構的鍍膜。
採用的技術方案內容1、多種離子源共置將裝有不同靶材的等離子槍、磁控濺射靶和陰極弧靶等多種離子源置於同一真空室內的適當位置上，每個離子源都有其特定的功能，易於實現交叉鍍制不同材料的膜；2、特製的離子源電源和電氣控制系統和工件轉動架保證按要求將工件依次鍍膜、控制膜層厚度，使每層鍍膜的厚度控制變得簡單。
3、專門的工藝程序工藝程序按工件鍍層要求，控制工件在各鍍膜區的停留時間、轉動速度接受均勻鍍膜，保證鍍層間的結合強度。
3)效果已製造了本發明真空納米鍍膜爐的試驗爐，其生產的多層納米膜複合鍍層的納米尺寸效應明顯，下表以TiN+TiAlN組合的多層納米膜複合鍍層的維氏硬度(Hv)為例，與其他鍍膜產品的比較
各種鍍膜的維氏硬度(Hv)
本發明真空納米鍍膜爐的試驗爐生產的鍍膜刀具，已在國內某工具廠作過切削試驗，其切削效率和使用壽命比單層鍍膜都有明顯提高。
四
圖中1、真空室(爐體)，2、真空室門，3、視鏡，4、磁控濺射靶或陰極弧靶，5、磁控濺射靶或陰極弧靶，6、陰極弧靶或磁控濺射靶，7、陰極弧靶或磁控濺射靶，8、骨架，9、等離子槍，10、工件轉動架。
圖中工件轉動架(10)可以整體轉動(公轉)，其中的每個子架部分可單獨轉動(自轉)。它們的轉速可以分別控制。
五、具體實施方案為實現本發明的技術思想，解決技術問題採用的方案如下1、本發明真空納米鍍膜爐裝有三種離子源，爐頂部為等離子槍，爐體周圍裝有磁控濺射靶及陰極弧靶(見附圖)。
2、不同金屬靶材裝在不同的位置上，每種離子源形成獨立的鍍膜區，在不同區域內產生不同金屬離子，與反應氣體在負偏壓作用下，實現該種材料的鍍膜。
3、可公、自轉的工件轉動架，公、自轉速度可分別獨立控制，可按工件尺寸調節每個工件在不同鍍膜區的轉動速度，保證工具表面鍍膜均勻性。
4、專門設計的等離子槍、磁控濺射靶及陰極弧靶的電源和電氣控制系統，使等離子槍、磁控濺射靶及陰極弧靶可同時或間歇進行鍍膜，可控制每層膜的晶粒尺寸和鍍膜速度。
5、靶前端都有可開關的擋板，可按要求對不同靶的鍍膜時間進行控制，以控制納米膜的厚度。
6、專門的工藝程序對工件轉動架、各離子源的電源和電氣控制系統進行操作，可保證納米膜與基體間及納米膜之間的良好結合，實現是要求的各種納米膜厚度組合的多層納米膜複合鍍層。
本發明真空納米鍍膜爐是在傳統真空鍍膜爐基礎上，在技術上有重大突破。試驗結果表明，本發明真空納米鍍膜爐設計簡單，製造方便。
不同的組合可形成多種多樣膜系的多層納米膜複合鍍層，以滿足不同的需求。本發明真空納米鍍膜爐中的磁控濺射靶因配備了專門設計的的電源和控制系統，具有較強的鍍膜功能，原則上可以鍍制各種材料的鍍膜。因此，雖然鍍層要求可以多種多樣，但最終幾乎總可以用本發明的設備和技術思想找到解決途徑。
權利要求
1.一種裝有多種離子發生源、可實現多層納米膜複合鍍層的真空納米鍍膜爐，其特徵在於所述的裝有不同的靶材的多種離子發生源，可穿插或交叉安置在同一真空室內，依靠專門的工藝程序對專設的離子源電源和電氣系統的控制，可在材料表面形成多層納米膜複合鍍層，改善材料表面性能。
2.根據權利要求1所說的真空納米鍍膜爐，其特徵是至少需要由等離子槍、陰極弧靶、磁控濺射靶三種離子源中的兩種以上的離子源組成。
3.根據權利要求1、2所說的真空納米鍍膜爐，其特徵是裝有特製的工件傳動架、離子源電源和電氣控制系統，依靠它們將工件帶進各離子源工作範圍進行鍍膜。
4.根據權利要求1、2、3所說的真空鍍納米膜爐，其特徵是可根據要求使用專門的工藝程序對其工件轉動架、各離子源的電源和電氣控制系統進行操作，工件在各離子源工位上可實現不同的停留時間和轉速，各離子源可以同時工作或間歇工作，實現不同材質和厚度的納米膜交叉重疊組成的多層納米膜複合鍍層。
全文摘要
本發明真空納米鍍膜爐屬於材料領域表面改性的真空離子物理鍍膜(PVD)技術和設備。本發明設備，可在工件表面實多種膜系的多層納米膜複合鍍層，可應用在改善材料表面的性能。本發明將裝有不同的靶材的等離子槍、陰極弧靶和磁控濺射靶等多種離子發生源穿插或交叉安置於同一真空室內，應用不同離子源的不同特性，產生不同材料、不同晶格、不同功效的納米單膜；在專用的工藝程序控制下，特殊設計的磁控濺射靶及陰極弧靶電源和電氣控制系統，保證控制每層膜的晶粒尺寸與厚度，實現納米膜的多層交叉疊加，並確保納米膜與基體、及各納米膜之間的良好結合，從而在材料表面形成各種性能良好的多層納米膜複合鍍層。多層納米膜複合鍍層克服了單層鍍膜存在的晶粒長大、內應力大、易產生微裂紋，及與基體結合差等缺點，又產生材料的納米尺寸效應，使鍍層材料性能處於最佳狀態。可以廣泛應用於工、模具和特殊要求的零部件表面改性。
文檔編號C23C14/35GK1530459SQ03119719
公開日2004年9月22日 申請日期2003年3月10日 優先權日2003年3月10日
發明者強中黎, 陳維熹, 許鏡明, 薛偉賢, 張苗南 申請人:北京凱貝克諮詢有限公司