交變電場真空離子沉積方法及設備的製作方法
2023-12-06 03:41:36 1
專利名稱：交變電場真空離子沉積方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及真空離子沉積技術，具體地說是涉及在工件上施加交變電壓的真空離子沉積方法及設備。
已知的真空離子沉積技術中按使用的離子源的不同而分為多種，如磁控濺射、空心陰極、熱絲弧、真空陰極電弧等方法，其中以真空陰極電弧法的綜合優點較多而引人注目。真空陰極電弧離子沉積法的最早的專利是1961年提出的，以後不斷對之進行了改進和發展，典型的如美國專利NO3836451，都是圍繞對離子源進行改進的。這些技術的發明與發展，對工具上沉積超硬膜、渦輪葉片上獲得高溫抗蝕塗層之類的貴重工件的使用壽命的提高，都起了十分重大的作用。然而為了防止燒毀設備與工件，已知技術都是使用配備多重保護環節和高速滅弧電子開關的大功率電壓連續可調的高壓可控整流直流電源，對工件施加直流負偏壓，用這種穩恆的直流電場來引導離子對工件進行轟擊。這種電源結構複雜、製造成本高、易損壞、操作和維修要求較高。此外，就已知技術中目前最引人注目的真空陰極電弧法來說，所用的離子源陰極要麼是在靶的外園面上進行直接式水冷，要麼是在靶的端面上進行間接式水冷。前者難於用在需要將各種成份的合金鋼等易鏽蝕材料沉積到工件表面的場合;後者則靶材利用率低，且難於實現靶的工作面位置的連續調整。以上諸端弊病，使得已知技術中的各種真空離子沉積方法和設備至今未能在工業生產中大面積推廣，更沒有人將這類技術用在當今世界上最量大面廣的一般鋼鐵材料製造的工件，如齒輪、軸、軸承、建築裝飾件、日用器具等的表面強化、防蝕及裝飾上。工件表面強化，特別是鋼鐵製造的工件的表面強化，過去人們總是千方百計地設法將元素強制滲入，例如滲碳、滲氮、滲金屬等，這種使原子在金屬固體晶格內遷移的辦法需要很高的溫度，非常長的時間，而且還難於同時滲入比較多的元素，滲層的化學成份也很難精確控制;採用電鍍的辦法，通常只能得到與工件表面機械貼附的膜層，沒有冶金的結合，易於剝落，而且這種方法往往對環境造成汙染;因此工件表面合金化，特別是鋼鐵製工件的表面合金化，是人們長期以來渴望解決而未真正有效解決的一個技術難題。
本發明提出了在工件上施加獨立的交變電壓以取代穩恆直流偏壓的交變電場真空離子沉積方法和設備。用本發明的方法和設備進行的實驗。出人意料地在導體和非導體工件的表面獲得了化學成份與離子源陰極材料完全相同、金相組織更加細密、與工件結合力十分理想的沉積層，效果不但與工件不帶電根本不同，而且在晶粒的細化以及沉積層脫除有害氣體等方面，甚至比直流偏壓法還要好一些。這一發現消除了人們長期以來認為交變電場在工件處於正半周電位時會排斥離子，因而不能用於真空離子沉積作為工件偏壓，並且認為工件直流負偏壓愈穩恆愈好的偏見。本發明的第一個目的，是用更方便而成本低得多的交變電場法，特別是就用工頻三相交流電提供的交變電場法取代設備結構複雜、成本很高的直流偏壓法來獲得質地優良的沉積層。
本發明的另一個目的，是提出一種新結構真空陰極電弧靶離子源本體，使得人們從此可以採用鋼鐵之類的易鏽蝕材料作離子源陰極，同時還能做到連續進給以調整不斷消耗的離子源陰極的工作面的位置，特別是新舊靶可以反覆接長，從而可以使離子源陰極材料利用率從已知技術的不到70%提高到近百分之百。任何真空離子沉積技術要為工業大生產所能接受，必須同時解決上述這些問題。已知技術至今還沒有哪種能同時解決上述問題。本發明的離子源本體同交變電場真空離子沉積設備相結合，卻可達到這個目的。
本發明再一個目的，是提出一種將工件基體的主元素同所需的合金元素一道轉移到工件表面，在工件表面進行外延式的結晶生長，直接獲得表面合金層的材料強化新方法。傳統的化學熱處理技術不能獲得任意指定元素種類和成份的表面合金層;即使是它能做到的某些特定的元素的表面合金化，例如滲碳、滲氮、滲金屬，也由於要依靠原子在工件基體的固態晶格內部強制遷移、擴散，才能形成一定厚度的表面層，所以需要很高的工藝溫度，很長的工藝時間，且會汙染環境。按本發明提出的方法，不僅不再需要高溫，而且表面層生長速度極快，又是同樣晶格類型、相近晶格參數的外延式結晶生長出來的表面層，結合力強，特別是對元素的種類和成份不再限制，使得工件表面任意指定元素種類和任意指定成份的表面合金化這樣一個人們長期以來就渴望解決而一直未能很好解決的技術難題，真正有效地獲得解決。
本發明方法的要點，是採用為實施本方法而設計的交變電場真空離子沉積設備，先對工件進行預清洗、裝夾、抽真空，然後將離子源產生的等離子體中的離子和電子發射到該設備中的反射極與工件極，或者當工件為非導體時，發射到反射極與加速柵極之間的獨立的交變電場之中，受其作用而交替地轟擊到工件表面。先在200～1000V的電壓下對工件交替地進行離子和電子轟擊加熱、電子轟擊除氣、離子轟擊清洗，待真空度回升，即將交變電場的電壓降低到30～200V，對工件進行離子沉積，最後冷卻取出工件。
當所用的交變電場真空離子沉積設備以真空陰極電弧靶為離子源陰極時，提供離子的靶材可以含有欲獲工件表面層任何種類和成份的化學元素，當要求實現工件表面合金化時，可用能夠進行外延式結晶生長的與工件有相同主成份並含有其它所需要的元素的合金靶，或者當要求實現工件表面鍍膜時，可用與工件基體主成份元素不同的單質或合金靶，在這兩種情況下，必要時都可以用向真空室內通入反應性氣體的辦法，伴隨著使工件表面沉積層變質和改性。
下面結合附圖詳述本發明的設備
圖1是交變電場真空離子沉積設備示意圖;
圖2是用於交變電場真空離子沉積設備的新舊靶可以反覆接長和連續進給的間接冷卻式的整體化真空陰極電弧靶離子源本體的示意圖。
圖1所示的交變電場真空離子沉積設備主要由主機、真空獲得系統(未示出)、氣體供給和氣壓測控系統(未示出)、冷卻水系統(未示出)、離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕、交變電源〔3〕、電氣測控系統(未示出)、溫度測控系統(未示出)等組成。環繞真空室〔14〕的室壁均勻設置離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕和離子源熱屏〔17〕，離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中的離子源陰極分別用導線〔4〕、〔6〕、〔7〕與真空室外各自的離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的負輸出端相聯，離子源熱屏〔17〕則用導線〔5〕與離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的所有正輸出端聯在一起，離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕提供的電能在離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中的離子源陰極同離子源熱屏〔17〕之間引起真空放電，產生和發射等離子體，從而構成離子源。主機的真空室〔14〕內還設置反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕和工件極〔16〕，反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分別環繞離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕設置。工件極〔16〕則位於真空室〔14〕的中央，工件〔18〕置於工件極〔16〕上，反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分別用導線〔10〕、〔8〕、〔9〕與真空室外的對電網電隔離且與離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕沒有電聯繫的獨立的交變電源〔3〕各相的輸出端〔A〕、〔B〕、〔C〕相聯，工件極〔16〕則用導線〔13〕與交變電源〔3〕輸出端結點〔0〕相聯;當工件〔18〕為非導體時，在反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕與工件〔16〕，之間附設一導電的加速柵極〔15〕，加速柵極〔15〕與工件極〔16〕之間用使兩者等電位的導線〔12〕相聯。交變電源〔3〕在反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕與工件極〔16〕，或者當工件〔18〕為非導體時在反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕與加速柵極〔15〕之間，產生對離子源發射的等離子體中的離子和電子起作用，引導其交替地轟擊到工件〔18〕表面的交變電場。離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中各離子源陰極的工作面與離子源熱屏〔17〕及各自周圍的反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕持平或略為凸出。離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕的個數以與所用的交變電源〔3〕輸出端的相的數目相同、或為相的數目的整倍數為佳。
圖2所示的用於交變電場真空離子沉積設備的新舊靶可以反覆接長和連續進給的間接冷卻式整體化真空陰極電弧靶離子源本體，包括新靶〔22〕、舊靶〔23〕、軸向進給裝置〔20〕、由夾緊機構(未示出)和水冷銅夾頭〔24〕、〔27〕構成的靶冷卻系統、磁場發生裝置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕、離子源殼體〔21〕、蓋〔19〕等組成。新靶〔22〕、舊靶〔23〕、軸向進給裝置〔20〕、靶的冷卻系統、磁場發生裝置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕等，均安裝在有蓋〔19〕的離子源殼體〔21〕內，構成一種整體式的離子源本體。安裝時要將舊靶〔23〕的首端，即有陰螺紋的那一端面朝真空室〔26〕的中央，穿過真空室〔26〕的室壁，靠密封圈〔25〕真空密封固定在真空室〔26〕的外壁上。新靶〔22〕和舊靶〔23〕均為園棒形，兩者直徑相等，首端皆有陰螺紋，尾端皆有陽螺紋，陰陽螺紋參數完全相同，新靶〔22〕同舊靶〔23〕靠上述螺紋連接，構成一種可反覆接長的靶。夾緊機構可以是彈簧夾頭式的或其它任何機械夾緊機構，通過水冷銅夾頭〔24〕、〔27〕在舊靶〔23〕靠近首端的外園面上沿徑向將舊靶〔23〕對心夾緊，構成一種間接冷卻式的靶的冷卻系統。冷卻夾頭數量可以是2個或者多個。進給裝置〔20〕可以是絲槓一螺母或其它任何能夠傳遞直線運動的機構，在其帶動下新靶〔22〕和舊靶〔23〕沿軸向朝著真空室〔26〕的中央作周期式的或連續式的進給，調整不斷消耗的舊靶〔23〕首端工作面的位置。
本發明所說的離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中的離子源陰極，可以是磁控濺射靶、真空陰極電弧靶等任何一種離子發射源，但以真空陰極電弧靶為佳，並且特別建議採用本發明提出的新舊靶可以反覆接長和連續進給的間接冷卻式的整體化真空陰極電弧靶。
本發明所說的離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕在採用真空陰極電弧靶離子源本體時，是輸出電壓為10～100V、輸出電流為30～300A的直流電源或脈衝直流電源。
本發明所說的交變電源〔3〕，是其輸出電壓能在0～1000V範圍內連續可調的至少含有交流成份的交變電源。這裡所說的交流成份，是指該電源提供的交變電壓、交變電流的頻率和波形根據需要可有不同，但最好有周期性的自動過零;相的數目則可以是單相或多相。本發明特建議採用輸出電壓能在0～1000V範圍內連續可調的工頻三相交流電源作為交變電源〔3〕。
本發明同已知技術相比，有如下優點1.設備結構較簡單，成本低-本發明以交變電場取代直流電場，因有周期性的自動過零，所以只須在電路中採用簡單的電抗器、過流繼電器等即可防止燒毀工件;又由於本發明交變電源輸出端對電網電隔離且與離子電源沒有電的聯繫，交變電源對離子電源沒有幹擾，也不會將其擊穿，無須採用複雜的保護措施。因此，本發明的設備成本比已知技術低很多。
2.本發明的新結構真空陰極電弧靶離子源本體有如下特點a、新舊靶可方便地用螺紋首尾相連，反覆接長，靶材利用率可接近100%;
b、帶有軸向進給裝置，可周期式或連續式調整不斷消耗的靶的工作面的位置;
C、徑向間接冷卻，靶的材質可以擴展到易鏽蝕的材料領域，靶的毛坯可以是鍛壓、鑄造、粉末冶金，特別是軋制而成的材料，適應面大為增加;
d、帶蓋的整體化離子源本體便於新靶的補充和必要時整體拆裝維修。
3.更節能-本發明的設備中離子源發射的等離子體中的電子，有部份轟擊到工件上，直接為工件提供熱能，其餘的轟擊到離子源熱屏上，使其升溫，反過來對工件構成熱幅射源，不象已知技術中工件施加直流負偏壓，真空室壁兼作離子源陽極，電子只被真空室壁吸收，其熱能只由冷卻水帶走而浪費掉。
4.沉積層更均勻-本發明提出使用工頻三相交流電取代穩恆直流負偏壓，不僅利於電網平衡，而且每一瞬間總有一個反射極相對於工件處於正電位，使工件相對於這個反射極的一側受到離子的轟擊，工件上相對的另一側則受電子的轟擊。由於反射極在空間上是均勻設置的，與反射極分別相聯的工頻三相交流電源各相間位相差為120°所以工件上受到離子轟擊的部位，或者工件上受到電子轟擊的相對的部位，是依相序按工頻不斷旋轉著的，好似在工件表面有一旋轉電場，帶動等離子體繞工件旋轉。這無疑有助於獲得更均勻的沉積層。
5.沉積層質量更好-這是因為a、已知技術中使用穩恆直流負偏壓，工件只受離子轟擊，不但不能很好地除氣，有時還會將真空室內殘存的有害氣體夾帶和埋葬進沉積層，而本發明的方法在交變電場正半周時，會有電子轟擊工件，為有害氣體自工件表面解析提供能量和機會，有利於獲得較高韌性的沉積層;
b、直流負偏壓下工件對離子不管其能量大小如何一律吸引，而本發明的方法在交變電場的正半周時有部份離子能量比較低被排斥而偏轉，不沉積到工件上，故沉積層強度會較高;
C、在相同的有效值下，交變電壓的峰值比穩恆直流電壓高1.414倍，這一較高的偏壓有助於沉積時形成較多的結晶核心;另一方面，交變電場作用下離子以脈衝方式轟擊到工件上，已經形成的核心來不及長大又會形成新的結晶核心;總的效果是，交變電場作用下，沉積層晶粒比直流電場作用下更細小均勻。
6.可實現工件表面任意指定元素種類及成份的表面合金化-由於設備結構的簡化和成本的大幅度降低，以及本發明提出的用於交變電場真空離子沉積設備的新舊靶可以反覆接長和連續進給的間接冷卻式的整體化真空陰極電弧靶離子源本體的一系列特點，使得工件表面合金化，特別是量大面廣的鋼鐵材料工件任意指定元素種類和成份的表面合金化這一理想，有了在工業大生產中實現的可能。因為本發明的表面合金化方法不再需要高溫(一般不必高於560℃)，沉積速度極高(0.1～0.5mm/h)，沉積層化學成份與靶材精確相同，金相組織更加細小均勻，所以用本發明的方法和設備進行鋼鐵製工件表面任意指定化學元素種類與成份的表面合金化，將可成功地取代滲碳、滲氮，以及Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Al等任何元素的一元或多元共滲之類的高溫、高能耗、長時間並對環境有一定汙染的傳統的化學熱處理技術，部份取代鍍Cr等高能耗、嚴重汙染環境的電鍍技術。
實施例1.用工頻交變電場真空離子沉積法實現碳素鋼45＃表面Cr、Mo、Al三元合金化。
靶材38CrMoAl。
工件45＃鋼。
表面合金化溫度400℃。
表面合金化有效時間40min。
結果a、化學成份分析C Cr Mo Al0.35 1.35 0.15 0.70靶材(YB6-71) ～0.42 ～1.65 ～0.25 ～1.10工件表面合金層 0.40 1.63 0.16 0.89b、金相組織靶材原始組織為鐵素體和片狀珠光體，所獲表面合金層為鐵素體基體上均勻分布的細粒狀滲碳體(粒狀珠光體)。
C、結合力所獲表面合金層無法用高速鋼刀具從45＃鋼工件表面剝離。
d、厚度所獲表面合金層厚度0.30mm。
2.用工頻交變電場真空離子沉積法使45＃鋼表面獲得高硬度。
靶材38CrMoAlA。
反應氣體NH3分解氣。
工件45＃鋼。
表面合金化伴隨硬化溫度450℃。
時間1h。
結果a、實現了Cr、Mo、Al、N四元共滲式的表面合金化。
b、表面顯微硬度Hm＝1050kg/mm2
C、厚度0.30mm3.在玻璃上工頻交變電場真空離子鍍膜靶材38CrMoAlA。
工件試鏡玻璃。
溫度300℃時間1h。
結果膜層與玻璃基體結合牢固，剝離時只能連同玻璃一道撕開。
4.在高速鋼鑽頭上工頻交變電場反應離子鍍TiN膜。
靶材純Ti。
反應氣體NH3分解氣體。
溫度450℃時間30min。
結果a、獲得表面層顏色為金黃，光亮。
b、顯微硬度Hm＝1700kg/mm2。
C、厚度4μ。
d、使用壽命提高一倍。
權利要求
1.一種交變電場真空離子沉積方法，包括工件的預清洗，裝夾、抽真空、離子源等離子體發射，離子和電子對工件的轟擊所致加熱、電子轟擊除氣、離子轟擊清洗、離子的沉積、以及最後的冷卻等，其特徵在於採用為實施本方法而設計的設備，將離子源所產生的等離子體中的離子和電子，發射到反射極與工件極，當工件為非導體時發射到反射極與加速柵極之間的獨立的交變電場中，受其作用而交替地轟擊到工件表面上。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於被發射到獨立的交變電場中的離子和電子，先在200～1000V的電壓下對工件交替地進行轟擊加熱、電子轟擊除氣、離子轟擊清洗，待真空度回升，即將交變電場的電壓降至30～200V，對工件進行離子沉積。
3.根據權利要求1和2所述的方法，其特徵在於離子源陰極採用真空陰極電弧靶時，靶材可以含有欲獲工件表面層任何元素，當要求實現工件表面合金化時，可用能夠進行外延式結晶生長的與工件有相同主成份元素並含有其它所需元素的合金靶，當要求實現工件表面鍍膜時，可用與工件基體主成份元素不同的單質或合金靶。
4.根據權利要求1～3所述的方法，其特徵在於進行交變電場真空離子沉積時，可向真空室內通入反應性氣體，伴隨使工件表面沉積層變質和改性。
5.一種交變電場真空離子沉積設備，包括主機、真空獲得系統、氣體供給和氣壓測控系統、冷卻水系統、離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕、交變電源〔3〕、電氣測控系統、溫度測控系統等，其特徵在於a、環繞主機的真空室〔14〕壁均勻分布設置離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕和離子源熱屏〔17〕，離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中各自的離子源陰極分別用導線〔4〕、〔6〕、〔7〕與真空室外各自的離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的負輸出端相聯，離子源熱屏〔17〕用導線〔5〕與離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的所有正輸出端聯在一起，離子源熱屏〔17〕分別與離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中各離子源陰極構成產生和發射等離子體的各個離子源;b、主機的真空室〔14〕內還設置產生交變電場的反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕和工件極〔16〕，反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分別環繞離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕設置，工件極〔16〕位於真空室〔14〕的中央，工件〔18〕置於工件極〔16〕上，反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分別用導線〔10〕、〔8〕、〔9〕與真空室外的對電網電隔離且與離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕沒有電聯繫的獨立的交變電源〔3〕各相的輸出端〔A〕、〔B〕、〔C〕相聯，工件極〔16〕則用導線〔13〕與交變電源〔3〕輸出端的結點〔O〕相聯，當工件為非導體時，在反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕與工件極〔16〕之間附設一導電加速柵極〔15〕，加速柵極〔15〕與工件極〔16〕之間用使兩者等電位的導線〔12〕相聯。
6.一種用於交變電場真空離子沉積設備的新舊靶可以反覆接長和連續進給的間接冷卻式的整體化真空陰極電弧靶離子源本體，包括新靶〔22〕、舊靶〔23〕、軸向進給裝置〔20〕、靶冷卻系統、磁場發生裝置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕、離子源殼體〔21〕、蓋〔19〕等，其特徵在於a、新靶〔22〕和舊靶〔23〕均為園棒形，直徑相等，首端皆有陰螺紋，尾端皆有陽螺紋，陰陽螺紋參數完全相同，新靶〔22〕和舊靶〔23〕以上述螺紋連接，構成可反覆接長的靶;b、依靠進給裝置〔20〕帶動新靶〔22〕和舊靶〔23〕沿軸向作周期式的或連續式的進給，以調整舊靶〔23〕首端不斷消耗的工作面的位置;C、間接冷卻式的靶冷卻系統由夾緊機構和水冷銅夾頭〔24〕、〔27〕構成，夾緊機構通過水冷銅夾頭〔24〕、〔27〕在舊靶〔23〕靠近工作面的首端的外園面上沿徑向將靶對心夾緊。d、新靶〔22〕、舊靶〔23〕、軸向進給裝置〔20〕、靶冷卻系統、磁場發生裝置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕等，均安裝在帶有用在補裝新靶〔22〕時便於開啟的蓋〔19〕的離子源殼體〔21〕內，構成整體化離子源本體，由真空室外穿過真空室〔26〕壁通過密封圈〔25〕真空密封固定在真空室〔26〕的外壁上。
7.根據權利要求5和6所述的設備，其特徵在於交變電場真空離子沉積設備的離子源本體可以採用磁控濺射靶，也可以採用真空陰極電弧靶離子源本體，以採用新舊靶可以反覆接長和連續進給的間接冷卻式的整體化真空陰極電弧靶離子源本體為佳。
8.根據權利要求7所述的設備，其特徵在於設備採用真空陰極電弧靶離子源本體時，離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕是輸出電壓為10～100V、輸出電流為30～300A的直流電源或脈衝直流電源。
9.根據權利要求5所述的設備，其特徵在於交變電源〔3〕是其輸出電壓能在0～1000V範圍內連續可調的至少含有交流成份的交變電源。
10.根據權利要求5和9所述的設備，其特徵在於交變電源〔3〕是輸出電壓能在0～1000V範圍內連續可調的工頻三相交流電源。
全文摘要
一種交變電場真空離子沉積方法及設備，在工件上施加交變電場取代已知技術中的直流負偏壓，使設備製造成本大幅度地降低，運行更穩定，沉積層質量更優良。設備中配備新結構真空陰極電弧靶，可使靶材利用率提高到近100％，且可進行任意指定元素種類和成分的高速(0.1～0.5mm/h)。低溫(≤560℃)離子表面合金化及離子鍍膜，在工業大生產規模上取代滲碳、滲氮、多元共滲等化學熱處理以及鍍鉻之類的某些電鍍及鍍氮化鈦之類的真空離子鍍膜。
文檔編號C23C14/34GK1064508SQ91106640
公開日1992年9月16日 申請日期1991年2月28日 優先權日1991年2月28日
發明者劉天相, 歐陽章西, 於錫裘 申請人:湖南省機械研究所