CN103695858B - 一种用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜材料技术领域，尤其涉及一种用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机，包括真空室、双极脉冲磁控溅射靶、矩形的阳极层气体离子源、高功率脉冲磁控溅射源、偏压电源、阴极电弧源、工件架和支座，所述双极脉冲磁控溅射靶、阳极层气体离子源、高功率脉冲磁控溅射源、偏压电源和阴极电弧源分别通过五组单独的开关控制。本发明通过以上结构，不仅可以制备纯金属、合金、反应膜层，还可以制备多元、多层纳米复合涂层，含氧涂层，以满足形状和大小不一的金属切削刀具，达到高速加工的要求。

Description

一种用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机及其使用方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料技术领域，尤其涉及一种用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机及其使用方法。

背景技术

表面涂层技术已经成为切削刀具领域的一项关键技术,对刀具性能的改善以及加工技术的进步起到了至关重要的作用。刀具表面涂层的沉积方法主要包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）。CVD技术生长涂层的温度较高，并且该方法对环境有污染。一般情况下,CVD技术需要温度超过800℃以促使纳米晶粒的生长，但过高的沉积温度会引起基材的变形和开裂、晶体晶粒长大、尺寸精度下降等问题。PVD技术主要包括磁控溅射、阴极弧离子镀、离子束辅助沉积。磁控溅射沉积温度低,制备的涂层表面光滑，比CVD生长的涂层更能有效地阻止横向裂纹的扩展，同时降低摩擦系数，但磁控溅射技术存在气体离化率及靶材利用率低的问题。多弧离子镀可以获得接近90%的离化率和较快的沉积速率，入射粒子能量高，沉积膜的质量和膜机结合力好，并能够蒸发高熔点的难熔材料；但电弧放电会飞溅出微米级液滴从而导致膜层粗糙度增加。同时，气体离子源的使用越来越受到较多的关注。气体离子源具有方向性，在其表面高密度所体的等离子体可以作为离子轰击工件清洗使用，也可以作为反应气体的离化源，作辅助沉积使用。

发明内容

本发明的目的在于克服以上缺陷，提出一种用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机，该装置具有镀膜速度快、气体离化率高、绕射性好、可实现精确气体控制的特点。

本发明的另一个目的在于提出一种用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机的使用方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机，包括真空室、双极脉冲磁控溅射靶、矩形的阳极层气体离子源、高功率脉冲磁控溅射源、偏压电源、阴极电弧源、工件架和支座；

所述真空室为密封结构，其上开设有抽气口，所述双极脉冲磁控溅射靶、阳极层气体离子源、高功率脉冲磁控溅射源、阴极电弧源和工件架固定在所述真空室内，所述支座与所述工件架连接；

所述工件架为导电材质，与所述旋转支架连接，位于所述双极脉冲磁控溅射靶、阳极层气体离子源、高功率脉冲磁控溅射源和阴极电弧源之间；所述工件架与所述真空室绝缘，所述真空室接地，所述偏压电源的阳极连接真空室，阴极连接所述工件架；

所述双极脉冲磁控溅射靶、阳极层气体离子源、高功率脉冲磁控溅射源、偏压电源和阴极电弧源分别通过五组单独的开关控制。

进一步，所述真空室内设有四个所述阴极电弧源。

进一步，所述阴极电弧源电源使用真空电弧直流逆变电源，设有气动自动引弧系统，手动引弧装置和实时在线监测装置。

进一步，所述真空室内设有一个高功率脉冲磁控溅射源，其采用非平衡磁场布置，单向柱状或者平板靶可调。

进一步，真空室内设有两块单向非平衡柱状所述双极脉冲磁控溅射靶，所述双极脉冲磁控溅射靶与所述真空室绝缘，两块所述双极脉冲磁控溅射靶采用孪生对靶设计，互为阴阳极；该孪生对靶采用非平衡磁场布置，单向柱状或者平板靶可调。

进一步，所述阳极层气体离子源的阴极与所述真空室连接，其阳极与所述真空室绝缘。

进一步，所述真空室内还设有高温加热装置。

进一步，所述工件架设有工件的公转机构和自转机构。

进一步，所述真空室采用闭循环气体控制系统。

使用上述用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机的方法，步骤包括：

将硬质合金刀具清洗干净，装夹在工件架上，开始抽真空，当真空度高于5×10^-3Pa时，开始加热除气，温度控制在300-600℃，工件架保持6-10rpm的转速；

当真空度2^-5×10^-3Pa时，通入Ar气，打开所述偏压电源，对工件进行辉光清洗，真空保持在0.1^-2Pa,偏压为500-1000V，占空比60-80%，辉光时间10-30分钟；

辉光清洗结束后，真空调节为2×10^-1Pa，打开所述阴极电弧源的Cr靶,对刀具基体轰击5-30分钟约50-300纳米厚的Cr过渡层，偏压保持在-400-1000V，占空比30-80%；

在轰击完毕后，偏压降到-50-200V,占空比10-80%，断掉Ar气，通入N₂气真空调节到1.0-3.0Pa，开始沉积CrN过渡层，沉积5-30分钟约50-300纳米；

CrN过渡层沉积结束后，开启所述高功率脉冲磁控溅射源及所述双极脉冲磁控溅射靶，通过调节N₂把真空控制在0.1^-3Pa，偏压占空比不变，打开所述阴极电弧源，开始制备CrTiAlSiN，沉积时间40-100分钟，结束后，自然冷却，当温度降到50℃以下时，取出工件。

本发明通过以上结构，具有以下优点：动态电磁驱动阴极电弧靶或过滤电弧靶可以有效抑制液滴；双极脉冲及高能脉冲磁控溅射可以有效提高靶材的利用率及气体离化率，增强绕射性及涂层均匀性；阳极层离子源在镀膜过程中的轰击能够提高膜层的致密性及结合力，从而可以实现在各种试片和刀具上沉积各种材质的复合涂层。本系统具有改进后的电弧镀和高功率磁控溅射镀的优点，不但降低设备投入的成本，而且提高涂层质量。

附图说明

图1是本发明一种实例的主视剖面结构示意图。

图2是本发明一种实例的俯视结构示意图。

其中：1、真空室；2、双极脉冲磁控溅射靶；3、阳极层气体离子源；4、高功率脉冲磁控溅射源；5、偏压电源；6、阴极电弧源；7、工件架；8、支座；9、抽气口；10、高温加热装置。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1、图2所示，一种用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机，包括真空室1、双极脉冲磁控溅射靶2、矩形的阳极层气体离子源3、高功率脉冲磁控溅射源4、偏压电源5、阴极电弧源6、工件架7和支座8；

如图1所示，所述真空室1为密封结构，其上开设有抽气口9，所述双极脉冲磁控溅射靶2、阳极层气体离子源3、高功率脉冲磁控溅射源4、阴极电弧源6和工件架7固定在所述真空室1内，所述支座8与所述工件架7连接；

所述工件架7为导电材质，与所述支座8连接，位于所述双极脉冲磁控溅射靶2、阳极层气体离子源3、高功率脉冲磁控溅射源4和阴极电弧源6之间；所述工件架7与所述真空室1绝缘，所述真空室1接地，所述偏压电源5的阳极连接真空室1，阴极连接所述工件架7；

所述双极脉冲磁控溅射靶2、阳极层气体离子源3、高功率脉冲磁控溅射源4、偏压电源5和阴极电弧源6分别通过五组单独的开关控制，可以单独或协同工作。

进一步，如图2所示，所述真空室1内设有四个所述阴极电弧源6。

进一步，所述阴极电弧源6电源使用真空电弧直流逆变电源，设有气动自动引弧系统、手动引弧装置和实时在线监测装置。

进一步，如图2所示，所述真空室1内设有一个高功率脉冲磁控溅射源4，其采用非平衡磁场布置，单向柱状或者平板靶可调。

进一步，如图2所示，真空室1内设有两块单向非平衡柱状的双极脉冲磁控溅射靶2，所述双极脉冲磁控溅射靶2与所述真空室1绝缘，两块所述双极脉冲磁控溅射靶2采用孪生对靶设计，互为阴阳极；该孪生对靶采用非平衡磁场布置，单向柱状或者平板靶可调。这种设计可以有效避免出现溅射靶中毒和打火的现象，提高沉积的效率。

进一步，所述阳极层气体离子源3的阴极与所述真空室1连接，其阳极与所述真空室1绝缘。所述阳极层气体离子源3配合所述双极脉冲磁控溅射靶2的尺寸，能够均匀离化反应气体，并均匀覆盖被镀工件。

进一步，如图1所示，所述真空室1内还设有高温加热装置10。

进一步，所述工件架7设有工件的公转机构和自转机构。

进一步，所述真空室1采用闭循环气体控制系统，可以对工作时的电压、气流量进行精确的控制。

进一步，还包括PLC控制模块和工控机总线控制模块，使用镀膜机专用操作软件对整个控制流程实行全自动控制和数据保存。

进一步，所述高功率脉冲磁控源4单独控制一个磁控溅射靶。平均功率5-10KW，峰值电压1-2KV，峰值功率1-2Mw，峰值电流0.5-1kA，输出脉冲宽度1-200μs。

采用多功能全自动复合离子镀膜机制备TiAlCrSiN纳米复合涂层的实例：

所述阴极电弧源6包括Ti靶和Cr靶，所述双极脉冲磁控溅射靶2为Si靶，所述高功率脉冲磁控溅射源4为Al靶。同时，在镀膜过程中开启所述阳极层气体离子源3轰击基片，以提高膜层致密性及附着力，并增加N₂离化率。具体生产工艺过程如下：

首先，将硬质合金刀具清洗干净，装夹在工件架上，开始抽真空，当真空度高于5×10^-3Pa时，开始加热除气，温度控制在300-600℃，工件架保持6-10rpm的转速,当真空度2^-5×10^-3Pa时，通入Ar气，打开所述偏压电源5，对工件进行辉光清洗，真空保持在0.1^-2Pa,偏压为500-1000V，占空比60-80%，辉光时间10-30分钟。辉光清洗结束后，真空调节为2×10^-1Pa，打开所述阴极电弧源6的Cr靶,对刀具基体轰击5-30分钟约50-300纳米厚的Cr过渡层（底层），偏压保持在-400-1000V，占空比30-80%；在轰击完毕后，偏压降到-50-200V,占空比10-80%，断掉Ar气，通入N₂气真空调节到1.0-3.0Pa，开始沉积CrN过渡层，沉积5-30分钟约50-300纳米。CrN过渡层沉积结束后，开启所述高功率脉冲磁控溅射源4（Al靶）及所述双极脉冲磁控溅射靶2（Si靶），通过调节N₂把真空控制在0.1^-3Pa，偏压占空比不变，打开所述阴极电弧源6（Ti和Cr多弧靶）开始制备CrTiAlSiN，沉积时间40-100分钟，结束后，自然冷却，当温度降到50℃以下时，取出工件。

本发明使用动态电磁场驱动电弧源，可以有效抑制电弧离子镀蒸镀过程中产生的微液滴。由于传统的磁控溅射存在沉积速率低，靶面刻蚀不均匀和靶材的利用率低等缺点，通过改进磁路布置、改变磁场的施加方式，优化等离子体分布，可以改善此问题。为改善膜层的沉积质量，研发出了非平衡磁控溅射技术；采用孪生对靶的双极脉冲磁控溅射设计，可以避免出现溅射靶中毒和打火的现象，提高沉积的效率。高功率脉冲磁控溅射技术（HIPIMS）是近年来发展起来的一种高离化率PVD技术，该技术是利用较高的脉冲峰值功率来实现产生高金属离化率（>50%）。高功率脉冲磁控溅射技术综合了磁控溅射表面光滑、无颗粒缺陷和电弧离子镀离化率高、膜基结合力强、涂层致密的优点，且离子束流不含大颗粒，在控制涂层微结构的同时获得优异的膜基结合力，在降低涂层内应力，以及提高涂层致密性、均匀性，尤其是对复杂几何形状工件沉积材料到不同区域的导向等都具有显著的技术优势。

本发明充分利用了多弧离子镀、高能脉冲磁控溅射及离子源轰击的优点：（1）动态电磁驱动阴极电弧可以有效抑制液滴，（2）双极脉冲及高能脉冲磁控溅射可以有效提高靶材的利用率及气体离化率，增强绕射性及涂层均匀性，（3）阳极层离子源在镀膜过程中的轰击能够提高膜层的致密性及结合力。同时采用闭循环气体控制系统，对反应时的电压、气流量进行精确的控制。此外，多元纳米复合涂层的制备对设备的要求越来越高，纳米复合结构的多元涂层通过添加不同金属或非金属元素，优化涂层成分、结构，可以获得高硬度、良好的韧性以及优异的高温稳定性等。采用多弧离子镀、双极脉冲和高功率脉冲溅射的综合技术，可以使涂层材料的选择更为广泛。本发明可以实现在各种基片和刀具上沉积各种多种材质的纳米复合、多层薄膜。

本发明通过以上结构，不仅可以制备纯金属、合金、反应膜层，还可以制备多元、多层纳米复合涂层，含氧涂层，以满足形状和大小不一的金属切削刀具，达到高速加工的要求。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机，其特征在于：包括真空室、双极脉冲磁控溅射靶、矩形的阳极层气体离子源、高功率脉冲磁控溅射源、偏压电源、阴极电弧源、工件架和支座；

所述真空室为密封结构，其上开设有抽气口，所述双极脉冲磁控溅射靶、阳极层气体离子源、高功率脉冲磁控溅射源、阴极电弧源和工件架固定在所述真空室内，所述支座与所述工件架连接；

所述工件架为导电材质，与所述旋转支架连接，位于所述双极脉冲磁控溅射靶、阳极层气体离子源、高功率脉冲磁控溅射源和阴极电弧源之间；所述工件架与所述真空室绝缘，所述真空室接地，所述偏压电源的阳极连接真空室，阴极连接所述工件架；

所述双极脉冲磁控溅射靶、阳极层气体离子源、高功率脉冲磁控溅射源、偏压电源和阴极电弧源分别通过五组单独的开关控制；

所述真空室内设有四个所述阴极电弧源；

所述阴极电弧源电源使用真空电弧直流逆变电源，设有气动自动引弧系统，手动引弧装置和实时在线监测装置；

所述真空室内设有一个高功率脉冲磁控溅射源，其采用非平衡磁场布置，单向柱状或者平板靶可调；

真空室内设有两块单向非平衡柱状所述双极脉冲磁控溅射靶，所述双极脉冲磁控溅射靶与所述真空室绝缘，两块所述双极脉冲磁控溅射靶采用孪生对靶设计，互为阴阳极；该孪生对靶采用非平衡磁场布置，单向柱状或者平板靶可调；

所述阳极层气体离子源的阴极与所述真空室连接，其阳极与所述真空室绝缘；

所述真空室内还设有高温加热装置；

所述工件架设有工件的公转机构和自转机构；

所述真空室采用闭循环气体控制系统。

2.使用如权利要求1所述的用于刀具涂层沉积的多功能全自动离子镀膜机的方法，其特征在于：步骤包括：

将硬质合金刀具清洗干净，装夹在工件架上，开始抽真空，当真空度高于5×10^-3Pa时，开始加热除气，温度控制在300-600℃，工件架保持6-10rpm的转速；

当真空度2^-5×10^-3Pa时，通入Ar气，打开所述偏压电源，对工件进行辉光清洗，真空保持在0.1^-2Pa,偏压为500-1000V，占空比60-80%，辉光时间10-30分钟；

辉光清洗结束后，真空调节为2×10^-1Pa，打开所述阴极电弧源的Cr靶,对刀具基体轰击5-30分钟约50-300纳米厚的Cr过渡层，偏压保持在-400-1000V，占空比30-80%；

在轰击完毕后，偏压降到-50-200V,占空比10-80%，断掉Ar气，通入N₂气真空调节到1.0-3.0Pa，开始沉积CrN过渡层，沉积5-30分钟约50-300纳米；

CrN过渡层沉积结束后，开启所述高功率脉冲磁控溅射源及所述双极脉冲磁控溅射靶，通过调节N₂把真空控制在0.1^-3Pa，偏压占空比不变，打开所述阴极电弧源，开始制备CrTiAlSiN，沉积时间40-100分钟，结束后，自然冷却，当温度降到50℃以下时，取出工件。