CN102719788B

CN102719788B - 一种等离子全方位离子沉积设备

Info

Publication number: CN102719788B
Application number: CN2012101798575A
Authority: CN
Inventors: 李灿民; 陶满
Original assignee: HEFEI YONGXIN PLASMA TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HEFEI YONGXIN PLASMA TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: CN102719788A

Abstract

一种等离子全方位离子沉积设备，该设备包括真空镀膜室、抽气系统、人机控制系统、充气系统等部分，所述真空镀膜室内设有用于放置镀膜工件的支架，其特征在于，该设备还设置有等离子增强装置和DLC涂层掺杂装置，该增强装置由位于真空镀膜室内的一根金属丝和自耦变压器、隔离变压器、直流放电电源组成，DLC涂层掺杂装置由外置式气源输入装置和内置式金属蒸汽源高频感应加热装置组成。本发明装置在镀膜的过程中，由于等离子体密度的提高，更多的带正电的离子在工件表面沉积，从而提高镀膜速率，而且，大量的离子轰击使DLC的致密度和结合力提高，另外，金属元素掺杂后可以显著降低DLC涂层的内应力。

Description

一种等离子全方位离子沉积设备

技术领域

本发明涉及镀膜领域，具体地说一种提高镀膜速率、降低DLC涂层的内应力的等离子全方位离子沉积设备。

背景技术

二十世纪七十年代以来，镀膜工艺在工业界掀起了狂潮，各种镀膜技术纷纷都走向了产业化。在矿山机械领域，涉及的问题主要是高耐磨，抗氧化，耐腐蚀，高疲劳寿命等。据不完全统计，在发达国家，由表面失效而造成的经济损失占GDP的4%，这意味着美国每年在表面失效上要花费2800亿美元，在德国，用于降低磨损的润滑油就达到了20亿美元/年，而且每年以5%的速度剧增，因此，关键零部件的表面处理变得尤为重要。类金刚石涂层在机械矿山领域有着广阔的应用，如：齿轮、截齿、筛网、活塞等。

1971年Aisenberg等人首次利用碳离子制备出类金刚石膜(Diamond Like Carbon coating，简称DLC涂层)，类金刚石(DLC)涂层是含有金刚石相(sp³键或其杂化态)和石墨相（sp²键）的非晶态碳膜。其中的碳原子部分处于金刚石的杂化状态，部分处于石墨的杂化状态，也有极少数的碳处于sp¹杂化态。类金刚石涂层不仅具有高硬度、低摩擦系数，在工件表面镀上DLC之后能起到很好的耐磨减摩效果。同时，DLC涂层还具有极高电阻率和极好的耐蚀性、光学透过性及生物相容性，它是机械、电子、航天航空、医学、光学等领域的理想材料。

作为表面处理技术的一个分支，等离子全方位离子沉积技术（Plasma Immersion Ion Deposition），简称为PIID技术，它是等离子增强化学气相沉积技术的一种。利用PIID技术可以制备出类金刚石涂层，简称DLC涂层。尽管DLC涂层具有高硬度、低摩擦系数、耐磨耐腐蚀能多种优异的性能，随着科技的进步，对材料性能的要求就越来越苛刻。传统的类金刚石涂层已经不能满足工业化更高品质，更好层次产品的需求。目前，国内外关于类金刚石涂层的研究主要集中在以下几个方面：

1、与基体材料的结合力问题。DLC与基体材料的结合力差导致其在服役过程中的剥落是目前面临的最大的问题。如DLC涂层在ZnS基体上的附着力非常差，在陶瓷、玻璃、塑料、树脂上的附着力也不够好，在硅和钢上面虽然有较强的附着力，但对于恶劣环境应用仍有待进一步提高。其原因是DLC涂层和基体之间晶格结构及物理性能如热膨胀系数、弹性模量等的不兼容性。

2、内应力大导致脆性崩裂。对附着力差的基体，巨大的内应力很容易引发膜的开裂和剥落。由于内应力大的缘故，DLC在刀具上的应用就受到了限制，特别是在切割钢铁、硬质合金等材料的时候，巨大的内应力会导致涂层崩裂而提前失效。

另外，如何降低镀膜成本、提高镀膜速率、提高涂层的热稳定性和耐腐蚀性能也是目前正在研究的方向。

为了降低DLC涂层的内应力、提高涂层的结合强度、实现大批量产业化镀膜，科研工作者们对于PIID设备进行了广泛而深入的研究。

目前，国内外对于新型PIID设备的研制发展趋势主要集中在以下几个方面：

1、提高真空室内等离子体密度，如何快速高质量地镀膜；

2、研制大型的真空罐体，能够装载更多更大的工件，并能实现自动化、连续化镀膜以降低镀膜成本；

3、对设备主体（包括真空设备和电源设备）进行优化，解决DLC涂层与基体的结合力问题。

发明内容

本发明的目的提供一种结构改进的等离子全方位离子沉积设备，该设备不仅能提高镀膜速率和致密度高、降低DLC涂层的内应力、提高涂层的结合强度，而且能降低镀膜成本、提高涂层的热稳定性和耐腐蚀性。

本发明解决技术问题采用如下方案：

一种等离子全方位离子沉积设备，该设备包括真空镀膜室、抽气系统、人机控制系统、充气系统、真空检测系统以及高压电源系统，所述真空镀膜室内设有用于放置镀膜工件的绝缘支架，其结构特点在于，该设备还设置有

等离子增强装置，所述等离子增强装置由位于真空镀膜室内的一根金属丝和电源装置组成，所述电源装置由用来控制金属丝上输出功率自耦变压器、接在自耦变压器输出端的隔离变压器以及直流放电电源组成，所述自耦变压器与交流电源相连，所述隔离变压器下端通过引线穿入真空镀膜室内与真空镀膜室内的金属丝相连形成回路，所述直流放电电源一端与金属丝相连，另一端接地；

DLC涂层掺杂装置，所述掺杂装置包括与真空镀膜室通过管道相连的外置式气源输入装置和位于真空镀膜室内的内置式金属蒸汽源高频感应加热装置。

本发明结构特点还在于：所述金属丝为高熔点的钨丝或钽丝。

所述加载在金属丝上的交流电压为0~220V。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明等离子全方位离子沉积设备增设等离子体增强装置，在镀膜的过程中，由于等离子体密度的提高，更多的带正电的离子在工件表面沉积，从而提高镀膜速率，其镀膜速率在0~5μm/h之间；另外，不断的轰击使DLC的致密度和结合力增强。

2、本发明在原有等离子全方位离子沉积设备的基础上增设DLC涂层的掺杂装置，降低DLC涂层的内应力，实现不同的功能需求；例如，对于自清洁功能的表面可选择低表面能F-DLC、Si-O-DLC涂层；对于刀具模具强接触应力的环境可使用Ti-DLC、Cr-DLC等含金属的涂层；对于一般的需求，使用普通的DLC涂层即可。

附图说明

图1是发明等离子全方位离子沉积设备系统构成图。

图2是本发明等离子增强装置原理图。

图3本发明金属气源掺杂装置于PIID设备上的应用示意图。

图4是本发明金属蒸汽源高频感应加热原理图。

图5是本实施例加工工件做的结合力试验效果图。

图中标号：1真空检测系统、2等离子增强装置、3充气系统、4工件、5高压电源系统、6人机控制系统、7抽气系统、8真空镀膜室、9外置式气源输入装置、10支架、11金属蒸汽源高频感应加热装置。

以下结合附图通过具体实施方式对本发明做进一步说明。

具体实施方式

如图1所示，等离子全方位离子沉积设备，包括公知的真空镀膜室8、抽气系统7、人机控制系统6、充气系统3、真空检测系统1以及高压电源系统5，其中高压电源系统由IGBT逆变桥、高频变压器、直流电源PCB板、滤波电感、信号原端PCB板、下拉驱动和频率采样板、脉冲信号隔离磁环组成，真空镀膜室内设有用于放置镀膜工件4的绝缘支架10，该设备还设置有等离子增强装置2，等离子增强装置由位于真空镀膜室内的一根金属丝和电源装置组成，金属丝为高熔点的金属材料，如钨丝、钽丝；电源装置由用来控制金属丝上输出功率自耦变压器、接在自耦变压器输出端的隔离变压器以及直流放电电源组成，其中，自耦变压器与交流电源相连，隔离变压器下端通过引线穿入真空镀膜室内与真空镀膜室内的金属丝相连形成回路，直流放电电源一端与金属丝相连，另一端接地。

该设备还设置有DLC涂层掺杂装置，掺杂装置包括与真空镀膜室通过管道相连的外置式气源输入装置9和位于真空镀膜室内的内置式金属蒸汽源高频感应加热装置11。

下面通过该设备的工作原理以进一步解释说明本发明方案。

等离子全方位离子沉积设备沉积DLC涂层的基本过程是：将工件置于真空镀膜室，利用由组合泵体组成的抽气系统将真空镀膜室抽气至10^-3Pa以下，此时，通过充气系统向真空镀膜室内充入Ar气，并在工件上施加高压脉冲电压（～4KV）。由于工件表面为阴极，工件表面不断向外释放电子，电子与Ar原子发生碰撞使其电离，这时，整个真空镀膜室内部都充满了等离子体，工件表面等离子体强度更高。Ar⁺带正电，受到工件的吸引加速轰击表面，实现等离子体清洗，这个过程一般需要2～3小时。

清洗完毕后，在不降低电压的情况下，向真空镀膜室直接充入碳氢气体，如乙炔、甲烷、乙烯等，电子轰击这些气体分子将其电离，和Ar气不同的是，带正电的这些离子轰击到工件表面，获得电子后不会变成气体脱离表面（Ar气则直接脱离工件表面），而是以固态的形式直接沉积下来，形成了碳氢涂层，也就是类金刚石涂层，其中含有30%左右的固态氢，因此比金刚石韧性高，硬度能达到金刚石的25～30%。

等离子增强装置的设计图（如图2所示），该装置有由三套电源装置和一根金属丝组成，电源装置包括自耦变压器、隔离变压器、直流电源。通过自耦变压器来控制金属丝上输出功率，从而控制了电子的输出量。1:1隔离变压器的主要作用使自耦变压器上的电流信号和直流放电电流不干扰。从图3同时可以看出，真空镀膜室内有一根被加热的金属丝，当真空镀膜室内气压到达几个毫托，在金属丝和真空镀膜室壁之间施加直流放电电压(DC Discharge Power Supply)，即：真空镀膜室壁接地，金属丝上为恒定负偏压(~－120V)。同时，在金属丝上加载交流电(电压0~220V），电流80~85A)，金属丝被加热后向真空室内释放电子，在放电电压的作用下，电子被加速向真空壁飞去，由于真空室内存在大量的气体分子(Ar，TMS，N₂等)，电子与中性气体分子(原子)发生碰撞，导致气体电离，并最终使真空室内产生等离子体。这样，真空室内内除了工件本身产生的等离子体之外，加热的金属丝也产生了大量的等离子体，从而极大地增强了真空罐内的等离子密度。等离子体密度的增加意味着更多的中性原子（分子）被电离，带正电的离子轰击到工件表面，在等离子清洗时可以加快离子束清洗速度，有的时候甚至可以在工件上使用较低负偏压进行等离子清洗。在镀膜的过程中，由于等离子体密度的提高，更多的带正电的离子在工件表面沉积，从而提高镀膜速率。另外，不断的轰击膜层的致密度和结合力增强。

等离子体增强装置对于工件在等离子渗氮工艺过程中起到至关重要的作用。通常，对于Fe基等大多数材料而言，渗氮的温度一般要再400℃以上，PIID技术的沉积温度为150℃左右，这样的温度既有优势也有缺点，如何使工件表面的温度升高成为渗氮成败的关键性因素。等离子增强装置的引入可以彻底攻破这一僵局，前面已经说明，金属丝产生的等离子体是独立于工件表面产生的等离子体的，经法拉第杯(Faraday Cup)试验测定，发现有金属丝的离子电流密度是单独工件表面产生的等离子体离子电流密度的25倍，足够的电流密度为等离子渗氮过程中提供了充足的能量轰击，使温度升高到所需的渗氮温度。经过等离子渗氮后的工件表面再镀上DLC膜，可以显著提高DLC和基体的结合力。

本发明设备采用两种方式实现DLC涂层的掺杂，分别是气源掺杂、金属蒸汽掺杂。对于每一种掺杂，均做如下设置：

①气源掺杂

非金属掺杂一般选择在室温下为气态或饱和蒸汽压较高的液体，通常将气体或液体装入图1外置式气源输入装置的罐体中，通过管道传输将气体（蒸汽）均匀输送到真空镀膜室内，通过等离子体的轰击即可实现掺杂。在管道输送过程中设有1~2个阀门控制气体（蒸汽）流速，可以控制掺杂元素的含量。

如含F的DLC膜可以实现表面的自清洁功能，H₂SiF₆、HF、CCl₂F₂为可选气源。与常规DLC相比，F-DLC具有更低的表面能，与水的接触角在120°以上。如果将含有F的DLC应用在大型场馆的玻璃上，玻璃可以实现自清洁，可以避免人员高空作业的危险。

金属气源掺杂的金属包括Ti、Cr、W等，要想使用PIID设备进行镀膜，必须使用其气态的形式。将含有金属的TiCl₄，CrCl₄，WF₆的液体加入到外置式气源输入装置的罐体中，利用温控装置加热罐体的外壁，并使温度稳定在60℃左右，TiCl₄，CrCl₄，WF₆的液体受热蒸发，通过管道输送到镀膜室，金属蒸汽受到电子的轰击被电离，和传统的PIID镀膜原理相同，之后在工件表面形成了Ti-DLC，Cr-DLC，W-DLC等第三代DLC涂层，第三代DLC涂层内应力均值仅为－1.33Gpa。

考虑到TiCl₄，CrCl₄，WF₆金属气体具有剧烈的毒性和腐蚀性，在镀膜过程中一般采用以下三种方式进行防护：

a.真空镀膜室内壁使用不锈钢衬板和烘烤装置，防止金属蒸汽的吸附，同时便于衬板取出喷砂用于下次镀膜；

b.采用分子泵，罗茨泵和机械泵镀膜，并在每次镀膜后换油；

c.排气后使用气体收集和压缩装置，避免了金属气体对大气的污染。

②金属蒸汽掺杂

金属蒸汽掺杂是在真空镀膜室加入金属蒸汽源，其原理如图4所示。在真空镀膜室内加坩埚，坩埚内加入所需要掺杂的元素颗粒，使用高频感应加热装置对坩埚进行加热，加热后的金属蒸汽会扩散到真空镀膜室的各个位置。和DLC镀膜原理相同，工件表面释放的电子与金属气体原子和C、H气体发生碰撞后，使其电离，受到工件负偏压的吸引，带正电的离子轰击到工件表面，最终形成Me-DLC。选用的掺杂元素主要有以Ti、Cr、Al、Co、Cu等金属，具体加热温度可以通过坩埚上的热电偶反馈。对于不同的金属，在镀膜气压（1Pa）下，其熔化温度和蒸发温度见表1所示。

表1 DLC掺杂常用金属的熔化温度及其在Pv=1Pa时的蒸发温度

图5为本发明等离子增强+金属掺杂条件下加工得到的第三代DLC涂层工件在150Kg力，保压30s情况下，采用HRC洛氏硬度计做的压痕试验效果图。

Claims

1.一种等离子全方位离子沉积设备，该设备包括真空镀膜室、抽气系统、人机控制系统、充气系统、真空检测系统以及高压电源系统，所述真空镀膜室内设有用于放置镀膜工件的绝缘支架，其特征在于，该设备还设置有

等离子增强装置，所述等离子增强装置由位于真空镀膜室内的一根金属丝和电源装置组成，所述电源装置由用来控制金属丝上输出功率的自耦变压器、接在自耦变压器输出端的隔离变压器以及直流放电电源组成，所述自耦变压器与交流电源相连，所述隔离变压器下端通过引线穿入真空镀膜室内与真空镀膜室内的金属丝相连形成回路，所述直流放电电源一端与金属丝相连，另一端接地；

2.根据权利要求1所述的一种等离子全方位离子沉积设备，其特征在于：所述金属丝为具有高熔点的钨丝或钽丝。

3.根据权利要求2所述的一种等离子全方位离子沉积设备，其特征在于：加载在所述金属丝上的交流电压为0～220V。