CN102534514A - 一种多弧离子镀镀膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多弧离子镀镀膜的方法,其特征在于:在多弧源发射等离子体的同时,在真空室内设置空心阴极装置,用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束,使等离子体电子束与多弧源发射的等离子体进行相互交叉运动,其空心阴极电子枪发射等离子体电子束的工艺参数为:空心阴极电流70~220A;占空比10~90%;脉冲偏压幅值-50~-1000V;氮气分压:1×10-1~5×10-1Pa;氩气分压:2×10-1~8×10-1Pa。其可以在不降低原多弧离子镀沉积效率的同时,明显减小并减少涂层表面的大颗粒缺陷,从而提高了涂层的质量和使用性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种物理气相沉积(PVD)的方法,特别是涉及一种多弧离子镀镀膜的方法。
背景技术
氮化物涂层、碳化物涂层、碳氮化物涂层是应用较多的超硬涂层及功能涂层。人们在制备这些涂层以及提高其涂层质量和性能等方面开展了多方面的研究工作,研发出多种物理气相沉积(PVD)制备方法,如多弧离子镀(MAIP)、磁控溅射(MS)、空心阴极离子镀(HCD)、离子束辅助沉积(IBAD)等。其中,用多弧离子镀镀膜因具有较高离化率和离子沉积能量,沉积的涂层致密、沉积率高、与基底界面结合力好以及成本低、工艺简单,成为目前工业广泛应用的超硬涂层制备的主要方法。
但是目前的多弧离子镀在沉积涂层过程中,从弧源发出的等离子体中存在大量的液态颗粒,使涂层表面形成明显突出的大颗粒缺陷。这一缺陷不但降低了涂层表面的粗糙度,而且大幅度降低了涂层的抗摩擦磨损性能及抗高温氧化性能,也限制了多弧离子镀在纳米涂层及功能涂层制备中的应用。为改善和消除多弧离子镀涂层表面大颗粒缺陷,研究人员提出了诸多改良措施,如改进电弧源,在阴极靶安装额外的磁场装置来分散阴极斑点的分布,减少阴极靶发射等离子体中的液态颗粒数量及尺寸,但所增加的装置较为复杂,难以控制斑点均匀分布,不能明显消除等离子体中的液态颗粒,对涂层表面粗糙度的改善较小;再如对传输过程中的等离子体进行过滤,使等离子体中的大颗粒在传输过程中被磁过滤装置过滤掉,但在过滤大颗粒的同时,也降低了正常离子的沉积能量,使沉积效率降低,靶源消耗增大,并且也不能明显改善涂层表面大颗粒缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多弧离子镀镀膜的方法,其可以在不降低原多弧离子镀沉积效率的同时,明显减小并减少涂层表面的大颗粒缺陷,从而提高了涂层的质量和使用性能。
本发明的技术方案是这样实现的:一种多弧离子镀镀膜的方法,其特征在于:多弧源发射等离子体的同时,在真空室内设置空心阴极装置,用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束,使等离子体电子束与多弧源发射的等离子体进行相互交叉运动;其空心阴极电子枪发射等离子体电子束的工艺参数为:空心阴极电流70~220A;占空比10~90%;脉冲偏压幅值-50~-1000V;氮气分压:1×10-1~5×10-1Pa;氩气分压:2×10-1~8×10-1Pa。
上述所说的在多弧源发射等离子体的同时用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束,是指用置于真空室内上方的空心阴极电子枪向位于真空室内下方中心的阳极靶发射等离子体电子束。由此形成以多弧离子镀为主与空心阴极离子镀为辅的复合离子镀。
上述所说的在多弧源发射等离子体的同时用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束,是指用置于真空室内上方的空心阴极电子枪向位于真空室内下方辅助阳极发射等离子体电子束。由此形成空心阴极发射等离子体电子束环境下的多弧离子镀。
上述所说的在多弧源发射等离子体的同时用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束,是指用置于真空室内上方的空心阴极电子枪同时向位于真空室内下方中心的阳极靶和辅助阳极发射等离子体电子束。
上述所说的阳极靶是涂层所需金属的金属靶。
上述所说的辅助阳极制成环绕于阳极靶的辅助阳极。
上述所说的辅助阳极制成位于工件下方的辅助阳极。
上述所说的辅助阳极制成位于工件下方并环绕于阳极靶的辅助阳极。
上述所说的空心阴极电子枪采用硼化镧(LaB6)材料制作。
上述所说的空心阴极电子枪采用钽(Ta)金属材料制作。
本发明的原理为:多弧源合金靶在弧光放电下离化,形成了向工件运动的等离子体,在沉积到工件表面之前,受到了从空心阴极电子枪发射至阳极靶或辅助阳极的等离子体电子束(高能电子在真空室内的运动轨迹或聚集或发散,可以看到在真空室内充满了辉光,说明在真空室内到处都有电子在运动)的交叉轰击,使得从多弧源合金靶发出的等离子体中的未离化的液态颗粒受到高能电子的强烈碰撞,致使液态颗粒碎化并大量离化。液态颗粒在运动中受到等离子体电子束碰撞后的变化过程可表达为:
液态颗粒→金属离子+少量小的碎化液态颗粒
剩余未离化的碎化液态颗粒沉积到工件表面后只形成了较小的固态大颗粒。
本发明的积极效果在于:
1、在多弧离子镀过程中采用空心阴极电子枪发射等离子体电子束轰击,使多弧离子镀弧光放电导致涂层表面的大颗粒显著减小并减少,从而达到减轻涂层表面大颗粒污染的目的,同时提高了多弧离子镀的合金离化率并保持了涂层的高沉积效率。
2、空心阴极产生的等离子体电子束,对工件表面起到了明显的溅射清洗作用,使工件表面清洁质量和环境温度均得到了提高,使得沉积的涂层更加均匀致密,涂层与基体的结合力得到提高。
上述多弧离子镀适用于镀制氮化物超硬涂层、碳化物超硬涂层、碳氮化物超硬涂层及其它们的复合超硬涂层,特别适用于镀制TiN、(Ti,Al)N、(Ti,Al,Zr)N、(Ti,Cr)N、(Ti,Mo)N、TiC、Ti(N,C)等超硬涂层以及它们的复合超硬涂层。
上述多弧离子镀还适用于镀制各种功能化合物涂层。
附图说明
图1是实现本发明所用设备的结构简图。
图2是采用本发明(a)与采用多弧离子镀(b)制备的(Ti,Al)N涂层表面扫描电镜形貌对比图。
图3是采用本发明(a)与普通多弧离子镀(b)制备的(Ti,Al)N涂层表面激光轮廓对比图。
图4是采用本发明(a)与普通多弧离子镀(b)制备的(Ti,Al)N涂层与基体间结合力的测试曲线图。
图5是采用本发明方法对(Ti,Al)N沉积层进行的X射线衍射(XRD)分析图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明:用W6Mo5Cr4V2高速钢材料制作工件试样3,经淬火、回火后,硬度值为HRC61~63。将试样3表面打磨并抛光至镜面,再经有机溶剂清洗、吹干后备用。
实施例1
实施采用如图1所示的镀膜设备,该设备具备多弧离子镀同时具备空心阴极离子镀的功能,可以单独使用多弧离子镀功能,也可以单独使用空心阴极离子镀功能,还可以同时使用多弧离子镀和空心阴极离子镀的复合离子镀功能;该设备可在多弧源5发射等离子体的同时,在真空室1内设置空心阴极装置2,用硼化镧(LaB6)材料制作的空心阴极电子枪向位于真空室1内下方的中心的阳极靶7(钛靶)和辅助阳极6及辅助阳极8发射等离子体电子束;辅助阳极6环绕于阳极靶7,可使等离子体电子束与多弧源5发射的等离子体进行较理想的相互交叉运动。
镀制(50wt%Ti,50wt%Al)N涂层按四步进行。
1)将试样3置于图1所示的空心阴极与多弧离子复合镀膜机真空室1中的工件架4上,抽真空至6.0×10-3Pa;
2)开启空心阴极电子枪2并与辅助阳极6及工件架4构成回路,对试样3及工件架4加热至350℃,并对试样3表面进行离子溅射清洗;
3)开启空心阴极电子枪2并与阳极靶7及辅助阳极6构成回路,进行TiN过渡层制备;
4)开启多弧源5,开启空心阴极电子枪2并与辅助阳极6及辅助阳极8构成回路,进行(50wt%Ti,50wt%Al)N涂层的制备。
按本发明所述工艺参数范围内制定的工艺参数进行镀制如表1所示。
将按上述镀制方法镀制好的(50wt%Ti,50wt%Al)N涂层与未用本发明方法的多弧离子镀镀制的(50wt%Ti,50wt%Al)N涂层进行扫描电镜形貌比较如图2所示,可以看出,用本发明方法镀制的涂层表面大颗粒较小较少(图2(a)所示),而未用本发明方法的多弧离子镀镀制的涂层表面大颗粒较大较多(图2(b)所示)。用扫描电镜测量比较涂层横断面厚度,得到用本发明方法镀制的涂层厚度和未用本发明方法的多弧离子镀镀制的涂层平均厚度分别为1.46μm和1.44μm,说明采用本发明方法的该参数没有影响涂层的沉积效率,而且还有可能因等离子体电子束的轰击使液态颗粒大量转化为金属离子,增加了等离子沉积量,会使涂层厚度有所增加。
实施例2
实施采用如图1所示的镀膜设备,镀制(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层按四步进行。
1)将试样3置于图1所示的空心阴极与多弧离子复合镀膜机真空室1中的工件架4上,抽真空至6.0×10-3Pa;
2)开启空心阴极电子枪2并与辅助阳极6及工件架4构成回路,对试样3及工件架4加热至350℃,并对试样3表面进行离子溅射清洗;
3)开启空心阴极电子枪2并与阳极靶7及辅助阳极6构成回路,进行TiN过渡层制备;
4)开启多弧源5,开启空心阴极电子枪2并与辅助阳极8构成回路,进行 (70wt%Ti,30wt%Al)N涂层的制备。
按本发明所述工艺参数范围内的工艺参数进行镀制如表2所示。
将按上述镀制方法镀制好的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层与未用本发明方法的多弧离子镀镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层进行表面激光轮廓比较如图3所示,可以看出,用本发明镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层表面轮廓凸起(一般大颗粒高度要高于正常涂层表面)较低较少(图3(a)所示),而未用本发明方法的多弧离子镀镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层表面轮廓凸起较高较多(图3(b)所示)。另外对两种不同镀膜方法镀制的涂层进行与基体结合力的划痕测试如图4所示,可以看出,用本发明镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层结合力(图4(a)所示)要明显高于未用本发明方法的多弧离子镀镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层结合力。对本发明镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层进行X射线衍射分析如图5所示,表明涂层表面的组成相主要为Ti2AlN及TiN。用扫描电镜测量比较涂层横断面厚度,得到用本发明方法镀制的涂层厚度和未用本发明方法的多弧离子镀镀制的涂层平均厚度分别为1.37μm和1.38μm,说明采用本发明方法的该参数没有影响涂层的沉积效率。
实施例3
实施采用如图1所示的镀膜设备,仍按四步镀制(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层,其中前三步与实施例2相同,而第四步采用较小的空心阴极电流值和降低脉冲偏压幅值,其工艺参数表如表3所示。
将按上述镀制方法镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层与未用本发明方法的多弧离子镀镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层进行表面激光轮廓进行比较,依然可以明显看出用本发明镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层表面轮廓凸起较低但数量相当。说明在本发明的该参数下,仍会较明显改善涂层质量。用扫描电镜测量比较涂层横断面厚度,得到用本发明方法镀制的涂层厚度和未用本发明方法的多弧离子镀镀制的涂层平均厚度分别为1.36μm和1.36μm,说明采用本发明方法的该参数没有影响涂层的沉积效率。
实施例4
实施采用如图1所示的镀膜设备,还按四步镀制(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层,其中前三步与实施例2相同,而第四步采用较大的空心阴极电流值和提高脉冲偏压幅值,其工艺参数表如表4所示。
将按上述镀制方法镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层与未用本发明方法的多弧离子镀镀制的(70wt%Ti,30wt%Al)N涂层进行表面激光轮廓进行比较,其结果与实施例2相近或略好,说明在本发明参数范围内随着提高空心阴极电流值和提高脉冲偏压幅值,其涂层质量的进一步提高不明显。用扫描电镜测量比较涂层横断面厚度,得到用本发明方法镀制的涂层厚度和未用本发明方法的多弧离子镀镀制的涂层平均厚度分别为1.38μm和1.37μm,说明采用本发明方法的该参数没有影响涂层的沉积效率。
实施例5
实施采用如图1所示的镀膜设备,按四步镀制(50wt%Ti,50wt%Al)N涂层,其中前三步与实施例1相同,第四步采用多弧离子镀和空心阴极离子镀的复合离子镀方法,其工艺参数表如表5所示。
将按上述镀制方法镀制好的涂层与未用本发明方法的多弧离子镀镀制的涂层进行扫描电镜形貌比较,其结果与实施例1相当,说明在本发明的该参数下,可以获得较好的涂层质量。用扫描电镜测量比较涂层横断面厚度,得到用本发明方法镀制的涂层厚度和未用本发明方法的多弧离子镀镀制的涂层平均厚度分别为1.62μm和1.44μm,说明采用本发明方法的该参数没有影响涂层的沉积效率,且由于增加了空心阴极离子镀,使沉积速率提高,在同样的镀制时间下,涂层厚度会有所增加,但采用这种复合离子镀的方法会改变涂层材料中的合金成分。
Claims (8)
1.一种多弧离子镀镀膜的方法,其特征在于:在多弧源发射等离子体的同时,在真空室内设置空心阴极装置,用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束,使等离子体电子束与多弧源发射的等离子体进行相互交叉运动,其空心阴极电子枪发射等离子体电子束的工艺参数为:空心阴极电流70~220A;占空比10~90%;脉冲偏压幅值-50~-1000V;氮气分压:1×10-1~5×10-1Pa;氩气分压:2×10-1~8×10-1Pa。
2.根据权利要求1所述的一种多弧离子镀镀膜的方法,其特征在于所述的在多弧源发射等离子体的同时用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束,是指用置于真空室内上方的空心阴极电子枪向位于真空室内下方的中心的阳极靶发射等离子体电子束。
3.根据权利要求1所述的一种多弧离子镀镀膜的方法,其特征在于所述的在多弧源发射等离子体的同时用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束,是指用置于真空室内上方的空心阴极电子枪向位于真空室内下方的辅助阳极发射等离子体电子束。
4.根据权利要求1所述的一种多弧离子镀镀膜的方法,其特征在于所述的在多弧源发射等离子体的同时用空心阴极电子枪向阳极发射高能等离子体电子束,是指用置于真空室内上方的空心阴极电子枪同时向位于真空室内下方中心的阳极靶和辅助阳极发射等离子体电子束。
5.根据权利要求4和5所述的一种多弧离子镀镀膜的方法,其特征在于所述的辅助阳极制成环绕于阳极靶的辅助阳极。
6.根据权利要求4和5所述的一种多弧离子镀镀膜的方法,其特征在于所述的辅助阳极制成位于工件下方并环绕于阳极靶的辅助阳极。
7.根据权利要求1所述的一种多弧离子镀镀膜的方法,其特征在于所述的空心阴极电子枪采用硼化镧(LaB6)材料制作。
8.根据权利要求1所述的一种多弧离子镀镀膜的方法,其特征在于所述的空心阴极电子枪采用钽(Ta)金属材料制作。
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