CN101928922A - 主动控制弧斑的电弧蒸发源及使用该蒸发源的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动控制弧斑的电弧蒸发源及使用该电弧蒸发源的真空电弧离子镀设备。所述电弧蒸发源包括引弧机构、靶材固定杆、小线圈、外绝缘套、靶座、大线圈、靶材、小磁场极轴等。本发明的真空电弧离子镀设备包括挂架、真空室、电弧蒸发源和与真空获得系统。使用本发明电弧蒸发源与真空电弧离子镀膜设备能够大大减少涂层中的大颗粒数，不仅如此，最大颗粒直径也大大降低，这样，使用本发明的设备可以提高加工工件使用寿命3至10倍，可以显著地降低生产成本，提高生产效率，改善产品质量。

Description

主动控制弧斑的电弧蒸发源及使用该蒸发源的设备

【技术领域】

本发明属真空电弧离子镀技术领域。更具体地，本发明涉及一种主动控制弧斑的电弧蒸发源，本发明还涉及使用该电弧蒸发源的真空电弧离子镀设备。

【背景技术】

真空电弧离子镀是一种在真空环境下采用弧光放电将反应物沉积在基板上的离子镀技术。真空电弧离子镀的原理是把阴极靶作为蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发，在空间中形成等离子体，从而沉积在基板上。真空电弧离子镀设备由弧光蒸发源、真空室和基板组成。在弧光蒸发源中，材料作为阴极靶，阳极和真空室相连，阴极和阳极分别接至低压大电流直流电源的负极和正极。真空室压力抽至10^-3～10^-1Pa。在引弧电极与阴极靶表面接触与离开的瞬间，在阴极和阳极之间形成自持弧光放电。电弧电流一般为几安至几百安，工作电压为10～25V，这时阴极表面的全部电流集中在一个或多个很小的部位，形成明亮的阴极弧斑。弧斑的直径为0.01～100μm，并以高达10m/s的速度在阴极表面随机运动，也可以利用磁场控制阴极弧斑的运动。

在阴极弧斑的前方是高密度的金属等离子体，由于电子向阳极快速移动而使阴极斑点前方出现正离子堆积即形成正空间电荷，从而在阴极附近形成极强的电场强度(105～106V/cm)，导致场电子发射以维持弧光放电。另外，部分离子对阴极的轰击又使阴极斑点局部快速蒸发并在空间迅速离化，使这些阴极斑点变成微小蒸发源。这些微小蒸发源在磁场和屏蔽绝缘的作用下束缚在阴极靶面做有规则运动，从而形成大面积均匀的蒸发源，喷发出电子、离子、熔融的金属材料和原子，其中阴极材料流占弧流的7％～12％。在基板相对阴极200～400V的负偏压作用下，离子流在基板上凝聚成金属、合金或化合物涂层。

真空电弧离子镀蒸发源是决定镀膜质量好坏的关键之一。由于蒸发源的电弧受磁场控制，因而磁场分布对蒸发源影响很大。为了提高贵金属利用率以及镀膜质量，应当使靶材蒸发尽量均匀、蒸发颗粒尽量小。然而上述两种要求是相互矛盾的。这是由于随磁场强度增加，弧斑运动速度快加，弧斑熔池变小，蒸发获得的金属颗粒越小，但弧斑运动范围会缩小，因此降低靶材利用率。

现有真空电弧离子镀蒸发源从结构上大致分为两类。一类采用永磁结构，并在阴极靶材后置一永磁体，调整永磁体距靶面距离以调整靶面磁场强度。该设备对靶材利用率较高，但蒸发获得的金属颗粒大，沉积膜层质量差。

另一类设备采用单电磁场结构蒸发源，即在靶材后置以电磁线圈，调整线圈电流以改变靶面磁场强度。这类设备蒸发获得的金属颗粒较小，但靶面利用率低。例如CN91103541.9公开的技术，采用电磁线圈磁池控制电弧弧斑在阴极表面上的运动轨迹和速度，减少了蒸发源发射的金属液滴。另外，例如CN94220021.7公开的一种大面积可控电弧蒸发源，大平面靶2固定在阴极座7上，两者之间有密封圈6。阴极座7与真空室24的法兰通过绝缘件5及密封圈8密封，阴极座7中设有多组电弧线圈16，盖板17固定在阴极座上，压板12用螺栓固连在真空室24的法兰上，电磁线圈16通过接线柱14接直流电源。大平面靶5上同心装有异种材料的圆环靶19、20或装有小圆柱靶1。CN200610045720129公开了采用两组线圈的电弧蒸发源，但是其对弧斑没有控制，没有解决大颗粒生成问题，只是通过大线圈长度拦截掉非直线运动大颗粒。CN200810010762129也公开了采用两组线圈的电弧蒸发源，但其外线圈产生与靶面水平方向的磁场。

上述专利申请均具有这类设备共有的缺陷。为此，本发明人经过大量研究工作，终于完成了本发明。

【发明内容】

[要解决的技术问题]

本发明的目的是提供一种主动控制弧斑的电弧蒸发源。

本发明的另一个目的是提供一种使用该电弧蒸发源的真空电弧离子镀设备。这种设备可以用于工具、模具、机械部件或装饰件基材外部被膜，以提高它们的表面硬度和耐磨性、降低摩擦系数和/或附加颜色。这种设备能够在提高靶材利用率的同时还能够提高镀膜质量。

[技术方案]

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明涉及一种主动控制弧斑的电弧蒸发源。

所述电弧蒸发源包括用于固定靶材8的靶材固定杆2和靶座5、靶材固定杆2在靶座5内腔中，其特征在于在靶座5内腔中靶材固定杆2径向两侧设置小磁场极轴9，在靶座5内腔中小磁场极轴9径向外侧设置一组小线圈3，在靶座5内腔中小线圈3径向外侧设置水冷套10，小磁场极轴9与水冷套10固定在一起，在小线圈3远离靶材8的一侧和水冷套10径向外侧设置小线圈极靴12，小线圈极靴12、小磁场极轴9和小线圈3形成开口面向靶材8的小线圈磁场，在靶座5径向外侧设置大线圈6，靶材端面位于小磁场场强达到范围内，并保障靶材端面水平磁场大于50高斯。

根据本发明的一种优选实施方式，所述大线圈6是由缠绕着导线的导磁金属桶构成的，所述导磁金属桶两端设有法兰，所述法兰是由非导磁体构成的。

根据本发明的另一种优选实施方式，在所述的电弧蒸发源工作时，小线圈3和大线圈6的中心磁场极性相反。

本发明还涉及一种具有所述电弧蒸发源的真空电弧离子镀设备。该真空电弧离子镀设备包括挂架16、真空室17、电弧蒸发源18和与所述真空室17相连接的真空获得系统19。

根据本发明的一种优选实施方式，所述的电弧蒸发源通过大线圈6的法兰与所述真空室17的接口法兰密封固定，电弧电源正极接所述真空室17，弧电源负极接靶材8。

下面将更详细地描述本发明。

本发明涉及一种主动控制弧斑的电弧蒸发源。本发明的电弧蒸发源通过双线圈产生的复合磁场控制弧斑的运动方向，运动速度，在提高靶材用率的基础上，同时减少靶材金属大颗粒数及金属大颗粒体积。所述电弧蒸发源包括用于固定靶材8的靶材固定杆2和靶座5、靶材固定杆2在靶座5内腔中，其特征在于在靶座5内腔中靶材固定杆2径向两侧设置小磁场极轴9，在靶座5内腔中小磁场极轴9径向外侧设置一组小线圈3，在靶座5内腔中小线圈3径向外侧设置水冷套10，小磁场极轴9与水冷套10固定在一起，在小线圈3远离靶材8的一侧和水冷套10径向外侧设置小线圈极靴12，小线圈极靴12、小磁场极轴9和小线圈3形成开口面向靶材8的小线圈磁场，在靶座5径向外侧设置大线圈6，靶材端面位于小磁场场强达到范围内，并保障靶材端面水平磁场大于50高斯。

本发明的电弧蒸发源在通入Ar气分压控制真空(8×10-2Pa)、阴极工作电压30-45伏、起弧工作电压100伏下，利用真空电弧放电使阴极材料蒸发并电离，形成纯净的等离子体，沉积在基板上之后形成所需膜层。由于在整个工艺过程中只产生纯等离子体，膜层的性能很稳定，可生成表面光滑细致且附着力极好的高质量膜层。

在本发明中，所述的靶材可以是真空电弧离子镀技术领域中通常使用的靶材，例如锌合金、塑料、铜、铁、不锈钢、玻璃、陶瓷等各种靶材。

在本发明中，所述大线圈6是由缠绕着导线的导磁金属桶构成的，所述导磁金属桶两端设有法兰，所述法兰是由非导磁体构成的。

在电弧蒸发源工作时，所述的小线圈3与大线圈6的中心磁场极性相反。

在本发明中，两个线圈形成的磁场相互作用原理如下：

大线圈6为缠绕导磁金属的筒结构，加载电流时在大线圈6内产生一种四周磁场强、中间磁场弱的内部磁场，小线圈3产生的磁场位于大线圈6内，由于大小线圈中心磁场极性相反，因此小线圈外周磁场与大线圈磁场方向一致，当大小线圈的电流保持不变时，两个线圈产生的两个磁场保持稳定，当小线圈电流加大或减小时，原磁场平衡会被打破，小线圈磁场增强时，会挤压大磁场，反之亦然，在这种变化过程中，小线圈3在靶面上的最强磁场点也随之改变，因此弧斑运动位置也会随之改变。

本发明还提供了一种具有上述电弧蒸发源的真空电弧离子镀设备，该真空电弧离子镀设备包括挂架16、真空室17、电弧蒸发源18和与所述真空室17相连接的真空获得系统19。

在本发明中，所述的真空获得系统是本技术领域通常使用的真空获得系统，对于本领域的技术人员也是显而易见的，例如北京长城钛金公司以商品名TG-4销售的真空获得系统。

在本发明中，所述电弧蒸发源通过大线圈6的法兰与所述真空室17的接口法兰密封固定，电弧电源正极接所述真空室17，电弧电源负极接靶材8。

由于在电弧蒸发源分别设有大小两组线圈，因此在大线圈内部由于使用导磁金属桶壁，沿着其线圈径向产生一个中间磁场强度较小且周边磁场强度较大的磁场，该磁场强度沿着其线圈轴向在中间较弱，而靠近线圈两端逐渐增强，这样在线圈端部会产生一种磁力线偏向中间的磁场结构。利用磁力线中的电弧点朝着磁力线与靶面构成的锐角方向移动的性质，靶面位置应在所有磁力线切线方向向内位置，这样弧斑不会有向外运动的趋势。

维持弧斑燃烧的电弧电源正极与所述真空室连接，电弧电源阴极固定在靶材固定杆2外端，通过大线圈6、小线圈3和引弧机构2与控制柜启动开关相连，该控制柜提供两个线圈电流输出和引弧信号输出的集中控制。

在所述的挂架16上放置有基板。根据本发明，所述的基板可以是锌合金、塑料、铜、铁、不锈钢、玻璃、陶瓷等各种材料。电弧蒸发源18工作时在其阴极弧斑前方是高密度的金属等离子体，它们形成的离子流在基板上凝聚成金属、合金或化合物涂层。

根据本发明，使用本发明的设备可以在各种基材上获得各种不同的涂层，例如氮化钛(TiN)、氮化铬(CrN)、碳化钛(TiC)、氮化铝钛(TiAlN)涂层等各种涂层。

使用本发明设备获得离子镀膜的性能可以用硬度、膜厚、耐磨性及耐腐蚀性等参数进行表征。

这些涂层的性能参数可以采用本技术领域的技术人员已知的测定方法或国家标准方法进行测定。

例如，硬度，可以采用洛氏硬度仪及其采用的标准方法进行测定。

膜厚，可以采用球磨厚度仪及其采用的标准方法进行测定。

耐磨性及耐腐蚀性：可以采用盐雾试验机及其采用的标准方法进行测定。

使用本发明设备获得的离子镀膜一般能够达到2小时3微米沉积率。

本发明的真空电弧离子镀设备可以用于各种刀具，例如丝锥、铣刀、车刀、剪金属板刀；各种模具，例如成型模具、冲压模具、拉伸模具等，像汽车工业使用的活塞、活塞环、凸轮轴、油泵、齿轮等易磨损零件；耐磨机件，例如纺织机件、缝纫机件、高精密轴承、精密滑块、压缩机件、触感器耐磨件；量仪与量具，像卡尺、量块、精密量台、量针、刀口；各种探测器与传感器，像温度传感器、气敏传感器、压力传感器、紫外线或放射线传感器。

[有益效果]

1、由于可以控制磁场，弧斑可径向运动，可以解决靶材利用率低的问题。现有技术的(电磁控)靶材利用率一般仅为15％，而本发明的靶材利用率一般可以达到40％，因此，本发明的靶材利用率非常明显地高于现有技术的靶材利用率。

2、靶面水平磁场可以通过小线圈电流调整，弧斑运动速度可以增加，因而可以在单位时间内减少金属大颗粒数目及减小金属大颗粒直径。现有技术的金属大颗粒数目与直径一般分别达到26个(在扫描电镜显微镜JSM-6510，500倍显示范围中颗粒度大于5μm)和18μm，而使用本发明设备的金属大颗粒数目与直径一般分别达到1.5个和7μm，因此，与现有技术相比，本发明的金属大颗粒数目减少极其明显，其微粒直径降低也极其明显。

3、弧斑运动受磁场约束强，不宜窜弧\断弧。

4、使用本发明设备获得的涂层，可以提高加工工件使用寿命3至10倍。例如对高速钢钻头进行无涂层、现有技术TiN涂层，本蒸发源TiN涂层对比，加工打孔总深度分别达到122mm、744mm、1232mm。使用本发明设备加工还可以降低成本，提高生产效率，改善产品质量。

【附图说明】

图1：蒸发源结构组装图：1-引弧机构、2-靶材固定杆、3-小线圈、4-外绝缘套、5-靶座、6-大线圈、7-屏蔽盘、8-靶材、9-小磁场极轴、10-水冷套、11-内绝缘套、12-小线圈极靴、13-压盖、14-水嘴、15-压套。

图2：蒸发源真空镀膜机结构图：16-挂架、17-真空室、18-电弧蒸发源、19-真空获得系统。

图3：对照蒸发源500倍电镜照片

图4：对照蒸发源2000倍电镜照片

图5：本发明蒸发源500倍电镜照片

图6：本发明蒸发源2000倍电镜照片

【具体实施方式】

实施例1：使用本发明设备在不锈钢镜面板部件上镀氮化钛涂层

靶座5内腔置用导磁材料制成的水冷套10(本实施例中未特别标注时均为非导磁材料)，水冷套10与小磁场极轴9固定在一起，靶座5与水冷套10之间形成水冷腔，在水冷套10上部有出水孔，下部有进水口。在小磁场极轴9与水冷套10之间置小线圈3。在水冷套10外部置导磁材料制成的小线圈极靴12，并用螺母拧紧，这样小线圈极靴12、小磁场极轴9、小线圈3形成前面开口小线圈磁场，并且上下水冷套水嘴14及小线圈3接线从小线圈极靴12开孔处伸出，靶材8置于靶座前端，靶材固定杆2置于靶座5中心并拧紧靶材，杆上安上密封圈装上压套15用螺母备紧，并接电弧电源阴极。靶材8四周有屏蔽盘7，屏蔽盘7端面与靶材端面平齐，并保持1mm间隙，屏蔽盘7与靶座5绝缘连接。大线圈6置于靶座5周围，并与靶座5用内绝缘套11绝缘密封连接，靶座5外侧外绝缘套4及压盖13用于靶座与大线圈6的绝缘固定。本蒸发源是由小线圈极靴12、小磁场极轴9、小线圈3形成前端开放式磁场置于线辊由导磁材料构成大线圈6内部中间，靶材端面位于小磁场场强达到范围内，并保障靶面水平磁场大于50高斯。小线圈接头连接程控直流电源，大线圈接头连接可调直流电源。

本发明的设备操作步骤如下：

铣刀样品用通常的清洗剂清洗并干燥后，挂在离蒸发源表面300mm处自转杆上。

然后，使用北京长城钛金公司以商品名TG-4销售的真空获得系统，用机械泵抽真空至4Pa；再打开分子泵高阀抽高真空，打开加热器加热至200℃；高真空达到4×10^-3pa，关闭加热器，关闭节流阀；通入氩气，真空度达到2×10^-1Pa；

加偏压100V；接通100伏电弧电源，启动蒸发源，使靶材带电；

大线圈6和小线圈3接通稳流电源，产生磁场；接通冷却循环水；

启动开关使引弧机构工作，通过短路、高压方式在靶面中间产生火花，进而激发出弧斑，生成弧斑后引弧机构停止工作；

弧斑在磁场控制下运动。根据不同靶材，让大线圈6的电流固定，生成相应的内磁场，；小线圈3电流在一定范围内变化，产生变化的磁场，并控制弧斑运动速度，挤压内磁场使其向弧斑内外运动；

镀膜时间1分钟；通入氮气，使真空度达到4×10^-1Pa，再镀膜时间15分钟；然后，关闭蒸发源，并关闭偏压电源，氮气、氩气。

关闭高阀，静置20分钟，待炉体冷却后，开炉取出样品。

然后，采用本说明书中描述的测定方法测定所得到涂层的性能。

膜厚：0.32μm

实施例2：对比试验

制备涂层使用的实验设备：本发明真空电弧离子镀膜设备；对比试验使用在现在技术中通常使用的北京长城钛金公司以商品名TG-4销售的离子镀膜设备。

试验使用的样品是304不锈钢8K镜面板，尺寸20×20mm。

使用本发明真空电弧离子镀膜设备采用本发明实施例1描述的方法制备所述样品涂层(本发明样品)。

使用上述现有技术离子镀膜设备采用该设备说明书描述的方法制备所述样品涂层(对比样品)。

采用本发明方法与现有技术制得的涂层是氮化钛。

用扫描电镜显微镜对本发明样品局部500倍放大照片与大颗粒2000倍放大并测量直径见附图5和6。用扫描电镜显微镜对对比样品局部500倍放大照片(附图)与大颗粒2000倍放大并测量直径见附图3和4。

使用扫描电镜显微镜JSM-6510检测了本发明样品(表1的样品4-6)与对比样品(表1的样品1-3)在单位面积中的大颗粒数以及大颗粒尺寸，其结果列于表1。

表1：304不锈钢8K镜面板涂层分析结果：

由表1的结果清楚地看出，使用本发明真空电弧离子镀膜设备制备涂层的大颗粒数比现有技术的减少95％，最大颗粒直径直径减小60％。

因此，使用本发明的主动控制弧斑的电弧蒸发源与本发明真空电弧离子镀膜设备能够大大减少涂层中的大颗粒数，不仅如此，最大颗粒直径也大大降低，这样，使用本发明的设备可以提高加工工件使用寿命3至10倍。例如对高速钢钻头进行无涂层、现有技术TiN涂层，本蒸发源TiN涂层对比，加工打孔总深度分别达到122mm、744mm、1232mm。因此，使用本发明设备加工还可以降低成本，提高生产效率，改善产品质量。

Claims (5)

1.一种主动控制弧斑的电弧蒸发源，所述电弧蒸发源包括用于固定靶材(8)的靶材固定杆(2)和靶座(5)、靶材固定杆(2)在靶座(5)内腔中，其特征在于在靶座(5)内腔中靶材固定杆(2)径向两侧设置小磁场极轴(9)，在靶座(5)内腔中小磁场极轴(9)径向外侧设置一组小线圈(3)，在靶座(5)内腔中小线圈(3)径向外侧设置水冷套(10)，小磁场极轴(9)与水冷套(10)固定在一起，在小线圈(3)远离靶材(8)的一侧和水冷套(10)径向外侧设置小线圈极靴(12)，小线圈极靴(12)、小磁场极轴(9)和小线圈(3)形成开口面向靶材(8)的小线圈磁场，在靶座(5)径向外侧设置大线圈(6)，靶材端面位于小磁场场强达到范围内，并保障靶材端面水平磁场大于50高斯。

2.根据权利要求1所述的电弧蒸发源，其特征在于所述大线圈(6)是由缠绕着导线的导磁金属桶构成的，所述导磁金属桶两端设有法兰，所述法兰是由非导磁体构成的。

3.根据权利要求1或2所述的电弧蒸发源，其特征在于在所述的电弧蒸发源工作时，小线圈(3)和大线圈(6)的中心磁场极性相反。

4.一种具有如权利要求1-3中任一项权利要求所述电弧蒸发源的真空电弧离子镀设备，其特征在于该真空电弧离子镀设备包括挂架(16)、真空室(17)、电弧蒸发源(18)和与所述真空室(17)相连接的真空获得系统(19)。

5.根据权利要求4所述的真空电弧离子镀设备，其特征在于所述的电弧蒸发源通过大线圈(6)的法兰与所述真空室(17)的接口法兰密封固定，电弧电源正极接所述真空室(17)，电弧电源负极接靶材(8)。

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