CN102321870A

CN102321870A - 金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法

Info

Publication number: CN102321870A
Application number: CN201110275903A
Authority: CN
Inventors: 王敬达
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2031-09-19
Also published as: CN102321870B

Abstract

金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，将金属筒两端部设有绝缘密封隔离的金属筒端盖，在端盖上设有抽真空管和加热电源输入端口使金属筒内满足真空和镀膜时的温度条件，筒风设有施加偏压电极的辅助阳极，空心或实心柱状靶材位于筒的中心、靶材上施加弧源电源，金属筒接弧源电源另一极，金属筒端盖上设有可旋转或摆动的辅助阳极。设有旋转密封装置，在靶材的两端均施加独立工作的弧源电源。本发明可以制备成移动式、便携式设备对各种需要施底内部耐磨层的管进行施镀，尤其用于大口径的管壁施镀。

Description

金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法

技术领域

本发明对金属筒内壁的等离子真空镀膜方法与装置。

背景技术

等离子真空镀膜方法已经比较普及--------采用磁控柱状弧源多弧离子镀膜，其装置是在镀膜室中央安装旋磁控柱状弧源（管状）。由镀膜室、工件转架、磁控柱状弧源、进气（镀不同材料时需要通入不同的工作气体）系统、弧源电源、工件加热源、引弧系统、真空系统、工件偏压电源组成。柱弧源由管状金属材料作靶材、管内安装数根条形永磁体,永磁体在靶管内（包括旋转和往返运动）运动。弧斑呈线状沿柱弧靶全长分布,并沿柱弧靶面扫描。从而提供在高真空条件下的将弧源由管状金属材料的靶材和气体材料以等离子方式镀膜至工件上。如CN96218605.8提出一种旋转磁控柱状弧源多弧离子镀膜机,在镀膜室中央安装旋转磁控柱状弧源。主要由镀膜室、工件转架、旋转磁控柱状弧源、进气系统、弧源电源、烘烤加热源、引弧针系统、真空系统、工件偏压电源组成。柱弧源由管状金属材料作靶材、管内安装数根条形永磁体,永磁体在靶管内作旋转运动。弧斑呈线状沿柱弧靶全长分布,并沿柱弧靶面扫描。旋转磁控柱状弧源多弧离子镀膜机有立式结构、卧式结构、箱式结构。

金属筒内壁的耐磨层的涂覆施加仍不能用现有方法，其体积太大，无法塞进一个合适的真空室，而且内壁也无法接受离子束的轰击，金属筒内壁的耐磨层的涂覆实际上应用价值很高：如用于球磨的大型滚筒和用于粒料输送的金属筒的内壁耐磨层的制备，采用电镀和电刷镀的方法也难以施镀，电镀和电刷镀的方法镀上的材料结合力太差；采用表面渗碳或渗氮的方法也是离子真空镀膜方法。然而以上方法有很多不足之处：然而现有的多弧离子镀膜的方法产生的多弧离子粒子粗，有雾滴现象，引弧集中于磁力环，管状靶的刻蚀不均匀，二三天就要修正靶面，需要及时调整磁钢与靶材的距离，靶材的利用度低，也极大影响了真空镀的工作效率；另一不足是多弧管状靶的离子束分散，弧光松散无规则，在靶管表面串动，靶管表面刻蚀不匀，易在靶管的两端表面产生凹槽，大大影响了靶的使用寿命，这是由于弧的牵引靠外电机牵引靶管内的磁钢来回运动而运动，磁钢在管内的高温条件下易退磁，从而影响引弧作用，上述不足对离子镀的质量和生产效率均有极大影响。

发明内容

本发明的目的是：提出一种等离子真空镀膜方法与装置，尤其是采用非机械磁体控制方式，离子引弧能够均匀或任意方式移动，控制靶材每处引弧的离子量，离子镀层细腻，和工件结合层的质量高；靶材的长度不受限制，靶材的利用率高，使用寿命长，运行中无需调整与维修，应用范围广的等离子真空镀膜方法与装置。本发明相对而言，工艺控制可以使能耗降低，

本发明的技术方案是：金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，将金属筒两端部设有绝缘密封隔离的金属筒端盖，在端盖上设有抽真空管和加热电源输入端口使金属筒内满足真空和镀膜时的温度条件，筒风设有施加偏压电极的辅助阳极，空心或实心柱状靶材位于筒的中心、靶材上施加弧源电源，金属筒亦接电源另一极，金属筒端盖上设有可旋转的辅助阳极。

为使工件均匀镀上膜，辅助阳极在筒内旋转或摆动，可通过密封的旋转轴连接。

为使工件均匀镀上膜，设有旋转密封12装置，绝缘支架及屏蔽罩16、辅助阳极19、旋转式换向器接在靶管构成的旋转轴上，旋转轴端设有旋转密封12。筒外壁可以设有外加保温罩（安全罩）18。减速电机8与传动齿轮副9装在旋转轴端驱动旋转轴。

靶材13的两端均施加独立工作的弧源电源，每个弧源电源分别进行电压高低的控制，即弧源电源电压高低的变化分别施加于靶材的两端，

本发明的装置是：金属筒两端部设有绝缘密封隔离2的二个端盖，在金属筒构成工作室，金属筒内设有启动电弧的气缸点弧器3、金属筒接真空抽气口15、真空计5、测温孔20和质量流量计11，电热管集电器7即旋转式换向器接电源至电热管6，在端盖中央设靶柱13，筒内设有辅助阳极19。靶柱为中空靶管13，靶管表面设有工作气体出气孔14通气孔。

本发明的工作过程是，在金属筒内壁上进行施镀耐磨金属层，钛（也可以是铬或镍等）柱状靶材位于筒的中心，金属筒两端部磨平后，将有绝缘密封隔离垫的金属筒端盖装在金属筒两端，这项安装可以通过筒的端部外侧装有夹具进行，或通过设有金属筒两端盖的收紧螺杆螺母，实际上开始抽真空后即可使密封的金属筒端盖完全不至于脱落，之前可以将加热器装在筒内，也可以在金属筒外壁包裹加热装置加热，筒内柱状靶材二端分别由弧源施加电源22、23提供电压引弧；预先在金属筒端盖内部安装可旋转的辅助阳极19旋转，由电源对可旋转的辅助阳极19控制。这就开始对金属筒壁进行镀膜；当然金属筒壁经过预先的处理，保证其金属面的光洁。

弧源电源电压高时等离子体的离子量大，发束能力强，尤其是每只电源均以相同周期的方式进行强弱变化，且靶材一端弧源电源电压最高时，靶材另一端施加的弧源电源电压最低。根据两端施加的弧源电源电压的高低控制，离子引弧能够均匀或任意方式移动，控制靶材每处引弧的离子量；可在一个或两个金属筒端盖上均设有真空抽吸孔，也可以在一个或两个金属筒端盖上均设有工作气体的输入孔，便于输入与金属结合的更耐磨的合金层，当然如何进行各种合金层需要根据各种金属管的用途，但利用本发明方法均可以方便完成。如真空度不能上去，则需要进行检查漏处并进行堵塞漏处。

根据本发明可以制备专用装置：金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜装置，包括电加热设备和温控设备、真空装置、施加在靶材上的弧源电源，适应于施镀对象直径的金属筒端盖，在金属筒端盖上设有真空管、加热电源线管道和弧源电源线，弧源电源通过弧源电源线连接到位于筒的中心柱状靶材；金属筒端盖上设有可旋转的辅助阳极19，并设有辅助阳极旋转控制器对辅助阳极19进行旋转控制。

所述弧源电源是接在靶材的两端的独立工作的弧源电源。本发明的改进是，每根靶材均采用圆柱形靶材。

金属筒筒体就是真空室，同时内壁又是施镀的工件，本发明可以施镀于任意筒径的金属筒内筒壁，装置可以用于相同或相近筒径的所有金属筒施镀，可降低设备投资。

本发明的有益效果：本发明可以制备成移动式、便携式设备对各种需要施底内部耐磨层的管进行施镀，尤其用于大口径的管壁施镀，本发明采用圆柱形靶材，四周的离子束发散均匀，经施加的电压自动进行均匀速度的控制，电弧均匀移动，上述缺点均可以克服，在保证引弧的离子量大（亦可以通过绝对电压进行控制获得不同的离子束），离子细腻可保证离子镀层的细腻和镀层和结合层的质量，从而保证在需要功能性离子镀层的质量--------如耐磨层、耐腐蚀层有特定要求时的本发明可以通过参数控制方便完成，比现有技术明显优越。引弧通过弧源施加电源2、在靶材在均匀弧源施加电源（也可以根据工件情况任意控制某个区域的离子量的大小，使某个工件附近的离子量进行控制）。本发明无需磁钢，靶长度不受限制，靶材的利用率高，使用寿命比多弧离子平面靶的寿命有二个数量级的增高（如实用中可以使用钛靶或锆靶可以使用二年无需要更换），本发明在实际运行中无需调整与维修。在实际使用中靶温低，离子束的粒子细度好，离子可控制得集中、能量大，与工件的附着力更好，使镀品光洁，功能性离子镀层的质量好则保证了特殊工件的离子镀膜。靶材施加的电压自动进行均匀速度的控制，电弧均匀移动，可以通过最大绝对电压进行控制获得不同的离子束，离子细腻可保证离子镀层的细腻和镀层和结合层的质量，同时结合施加的氮气或烃类气体（如乙炔乙烯等工作气体）的量对施加的弧源电源的最高电压和变化的强弱周期。

与普通的多弧离子镀比较：经过耐磨试验（机械动作的相同磨料和次数比较）、耐腐蚀试验（盐雾试验）和光洁度检测检测试验三种对比试验，本发明的耐磨指标提高20%以上，由于镀膜致密均匀，耐腐蚀和光洁度也有不同程度的提高。

附图说明

图1是本发明结构示意图，

图2是本发明柱状靶位于筒的柱心位置的工作示意图。

金属筒（工件）1、绝缘密封隔离2、气缸点弧器3、收紧螺丝4、接真空计5、电热管6、电热管集电器7、减速电机8、传动齿轮副9、弧电源接头10、质量流量计11、旋转密封12、中空靶管13、通气孔14、真空抽气口15、绝缘支架及屏蔽罩16、接偏压电源17、外加保温罩安全罩18、辅助阳极19、测温孔20、端盖即真空封盖21、弧源电源22、23、弧源电源24、辅助阳极电源25。

具体实施方式

将金属筒两端部设有绝缘密封隔离2的端盖。端盖可以金属制成，在金属筒构成工作室，在内壁上施镀，内壁即传统镀膜意义上的工件1，筒内设有启动电弧的气缸点弧器3、工作室（一般在端盖上）接真空抽气口15、真空计5、测温孔20和质量流量计11，电热管集电器7即旋转式换向器接电源至电热管6，提供电源给电热管，在端盖中央中空靶管13，靶管的材料可以根据需要设置，如钛管等，靶管的的中空接通气孔14，靶管表面设有工作气体出气孔；通过通气孔将工作气体——如氮气或乙炔气——用于涂覆不同的金属。设有辅助阳极19的电源。

为使工件均匀镀上膜，一种方法是辅助阳极在筒内旋转或摆动，可通过密封的旋转轴连接。

为使工件均匀镀上膜，另一方法和装置如附图所示，设有旋转密封12装置，绝缘支架及屏蔽罩16、辅助阳极19、旋转式换向器接在靶管构成的旋转轴上，旋转轴端设有旋转密封12。筒外壁可以设有外加保温罩（安全罩）18。减速电机8与传动齿轮副9装在旋转轴端驱动旋转轴。具体工艺而言：镀钛金、玫瑰金和黑钛的镀温（℃）分别是90-120、110=130、140-160。

镀铬可以高于或低于此温度，也可以施镀铬的化合物，靶材采用铬管。

如采用柱状靶材（直杆，长度近似等于筒长度）位于筒的中心。工作气体出气孔在筒的端盖上。

所有以上实施例包括靶材或空管靶材的两端均可施加独立工作的弧源电源，每个弧源电源分别进行电压高低的控制，即弧源电源电压高低的的变化分别施加于靶材的两端，金属筒端盖上设有电机驱动的旋转臂控制可旋转的辅助阳极，并设有辅助阳极旋转控制器辅助阳极进行旋转控制，速度可以控制在很慢的范围，如在每分钟1转至半转。

本发明采用非机械磁体控制方式离子引弧，通过靶材的两端施加电压的变化，所述靶材的两端并不限于在棒状靶的端面，也可以在靶材棒的任意两个部位接入电压，但最好在靶材两端，使靶材能够均匀的消耗，每个弧源电源分别进行独立的电压高低的控制，即弧源电源电压高低的的变化分别施加于靶材的两端，弧源电源电压高时离子体的离子量大，发束能力强，尤其是每只电源均以相同周期的方式进行强弱变化，且靶材一端弧源电源电压最高时（对应电流最大时），靶材另一端施加的弧源电源电压低，电流小。根据两端施加的弧源电源电压和电流的高低控制，离子引弧能够均匀或任意方式移动，控制靶材每处引弧或称跑弧的离子量；采用实心柱状棒作为靶材是优化的选择。

绝缘密封隔离垫的金属筒端盖5装在金属筒两端，这项安装可以通过筒的端部外侧装有夹具进行，或通过设有金属筒两端盖的收紧螺杆螺母，实际上开始抽真空后即可使密封的金属筒端盖完全不至于脱落，之前可以将加热器装在筒内，也可以在金属筒外壁包裹加热装置加热至施镀温度，金属筒两端部磨平后，将有绝缘密封隔离垫的金属筒端盖装在金属筒两端，开始抽真空后即可使密封的金属筒端盖盖紧使筒内真空度提高，筒内柱状靶材二端分别由弧源施加电源提供电压引弧；预先在金属筒端盖内部安装可旋转的辅助阳极19旋转，由辅助阳极旋转控制器提供一电源25对可旋转的辅助阳极控制。这就开始对金属筒壁进行镀膜。金属筒壁经过预先的处理，保证其金属面的光洁。

可以在金属筒端盖上设有真空抽吸孔，金属筒端盖上或通过空心靶管设有工作气体的输入孔，便于输入工作气体与金属结合的更耐磨的合金层，当然如何进行各种合金层需要根据各种金属管的用途设置各种合金的配方，但利用本发明方法均可以方便完成。如真空度不能上去，则需要进行检查漏处并进行堵塞漏处。

在靶材两端均施加独立工作的弧源电源，每个弧源电源分别进行电压高低的控制，即弧源电源电压高低的的变化分别施加于靶材的两端，如果工件不均匀分布，可以控制需要离子束量的区域施加高一些的电压。弧源电源电压高时等离子体的离子量大，发束能力强。每根靶材均采用圆柱形靶材，其使用的寿命极长，而且靶材均匀消耗，运行过程无须调整。

钛金玫瑰金黑钛

镀温（℃） 90-120 110=130 140-160

基础真空（P a10^-2） 2.5-2.9 2.3-2.7 1.8-2.2

工作真空（P a^-2） 1.3-1.7 1.0-1.4 0.8-1.2

工件偏压(V) 70-90 90-110 90-110

氮气流量 420-480 380-420 180-220

乙炔流量 300-340 900-1100

柱状靶位于筒心位置，则每只电源均以相同周期的方式进行强弱变化，且靶材一端弧源电源电压最高时，靶材另一端施加的弧源电源电压最低。根据两端施加的弧源电源电压的高低控制，离子引弧能够均匀或任意方式移动，可以控制靶材长度不同位置引弧的离子量。对单根靶材靶材，平面板卷成筒状的卧式结构。

靶材施加的电压自动进行均匀速度的控制，电弧均匀移动，可以通过最大绝对电压进行控制获得不同的离子束，离子细腻可保证离子镀层的细腻和镀层和结合层的质量，同时结合施加的氮气或烃类气体（如乙炔乙烯等工作气体）的量对施加的弧源电源的最高电压和变化的强弱周期。

每只电源进行强弱变化进行调节，例如以均以相同周期的方式进行调节，例如采取可控硅电压调节器的电源调节设备，尤其是以微处理器控制的方式对可控硅进行调节。

每只电源也可以以任何方式独立进行周期的调节方式，以不同周期的方式进行调节变可，并不需要同步，宏观上的对，例如采取可控硅电压调节器的电源调节设备，尤其是以微处理器控制的方式对可控硅进行调节。

Claims

1.金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，其特征是将金属筒两端部设有绝缘密封隔离的金属筒端盖，在端盖上设有抽真空管和加热电源输入端口使金属筒内满足真空和镀膜时的温度条件，筒风设有施加偏压电极的辅助阳极，空心或实心柱状靶材位于筒的中心、靶材上施加弧源电源，金属筒接弧源电源另一极，金属筒端盖上设有可旋转或摆动的辅助阳极。

2.根据权利要求1所述的金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，其特征是设有旋转密封装置，绝缘支架及屏蔽罩、辅助阳极、旋转式换向器接在靶管构成的旋转轴上，旋转轴端设有旋转密封；设有减速电机传动齿轮副装在旋转轴端驱动旋转轴。

3.根据权利要求1或2所述的金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，其特征是靶材的两端均施加独立工作的弧源电源，每个弧源电源分别进行电压高低的控制，即弧源电源电压高低的变化分别施加于靶柱的两端，筒内柱状靶材二端分别由弧源施加电源提供电压引弧。

4.根据权利要求1或2所述的金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，其特征是镀钛金、玫瑰金和黑钛的镀温（℃）分别是90-120、110=130、140-160。

5.根据权利要求1或3所述的金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，其特征是在一个或两个金属筒端盖上均设有真空抽吸孔，或在一个或两个金属筒端盖上均设有工作气体的输入孔。

6.根据权利要求1或2所述的金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，其特征是金属筒两端部设有绝缘密封隔离的二个端盖，在金属筒构成工作室，金属筒内设有启动电弧的气缸点弧器、金属筒接真空抽气口、真空计、测温孔，在端盖中央设靶柱，设有弧源电源，弧源电源连接靶柱的两端，筒内设有辅助阳极及电源。

7.根据权利要求1或2所述的金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，其特征是靶柱为中空靶管，靶管表面设有工作气体出气孔或通气孔。

8.根据权利要求1或2所述的金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，其特征是将加热器装在筒内，或在金属筒外壁包裹加热装置加热。

9.根据权利要求1或2所述的金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，其特征是包括靶材或空管靶材的两端均可施加独立工作的弧源电源，每个弧源电源分别进行电压高低的控制，即弧源电源电压高低的的变化分别施加于靶材的两端，金属筒端盖上设有电机驱动的旋转臂控制可旋转的辅助阳极，并设有辅助阳极旋转控制器辅助阳极进行旋转控制，速度在每分钟1转至半转。

10.根据权利要求1或2所述的金属筒内壁的耐磨层离子真空镀膜方法，其特征是绝缘密封隔离垫的金属筒端盖装在金属筒两端，通过筒的端部外侧装有夹具进行，或通过设有金属筒两端盖的收紧螺杆螺母。