CN104894522B - 真空镀膜装置及镀膜方法 - Google Patents
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Abstract
真空镀膜装置，包括呈筒状的带有夹层的冷却水套，所述冷却水套的两端分别设置端盖进行密封，所述端盖与所述冷却水套之间通过紧固机构绝缘连接，其中一个端盖上设有供待处理零件进入所冷却水套的第一通孔，另一个端盖上设有抽真空接口、工作气体接口以及真空测量接口，所述冷却水套的夹层内设有多个间隔布置的环形磁体。本发明还提供利用所述的真空镀膜装置进行真空镀膜的方法。本发明利用管状靶材的环状结构及环形磁体的环状布置特点，通电后，溅射过程兼具空心阴极放电和磁控溅射放电的特点，工作气体分子离化率高，溅射速率高，可以使膜材以高沉积速率沉积在待处理零件需要镀膜的区域，而且无需额外真空室结构及复杂的运动机构。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空镀膜装置及镀膜方法。
背景技术
如何减少金属零件腐蚀所造成的零件失效和材料损失一直是工程技术领域最重要的研究课题之一，电镀金属层(锌、铬、镍等)作为防腐蚀镀层已经得到了广泛应用并取得了良好效果。然而近年来，电镀废液带来的环境及材料浪费问题受到了越来越多的重视，开发新型无污染、节能且节约原材料的金属零件防腐蚀方法刻不容缓。
气相沉积(Vapor Deposition)是一大类在真空条件下完成的表面处理和镀膜的方法。磁控溅射(Magnetron Sputtering)和空心阴极放电(Hollow Cathode Discharge)作为其中的两种方法，均得到了广泛地应用。磁控溅射方法利用磁场的电子运动，使溅射靶材可以在“高速、低温”条件下被溅射到待处理零件的表面；空心阴极放电利用等离子体放电时管状内表面附近形成的“等离子体鞘层”，使内表面附近的气体分子离化率得到大大提高。
利用磁控溅射方法和空心阴极放电方法镀制防腐蚀镀层已在生产实践中得到了应用。如利用磁控溅射方法镀制铬、氮化铬，但此类方法存在如下的缺点：沉积速率较低，镀层结合力较低，靶材利用率低，且容易污染真空室内其它结构。另外，磁控溅射通常使用平面靶材及平面溅射源，零件需要复杂的转动机构才能在回转表面上镀制所需要的镀层。
利用空心阴极放电方法已被用来制备类金刚石(DLC)镀层。由于采用的是化学气相沉积的办法，该方法可以在回转表面上均匀镀制相应镀层。然而，化学气相方法能镀制的材料种类有限，且需要较高温度，所以此类方法的应用也受到了限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够一次性在待处理零件的回转面上镀制所需要的镀层、通过更换靶材镀制不同材质及不同使用用途的镀层、镀膜过程对零件热作用小、不会导致基体材料性能变化的真空镀膜装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：真空镀膜装置，包括呈筒状的带有夹层的冷却水套，所述冷却水套的两端分别设置端盖进行密封，所述端盖与所述冷却水套之间通过紧固机构绝缘连接，其中一个端盖上设有供待处理零件进入所冷却水套的第一通孔，另一个端盖上设有抽真空接口、工作气体接口以及真空测量接口，所述冷却水套的夹层内设有多个间隔布置的环形磁体。
本发明还提供利用所述的真空镀膜装置进行真空镀膜的方法，包括以下步骤：
(1)对待处理零件进行镀膜前处理；
(2)将被镀材料制成管状靶材，然后将管状靶材贴附于冷却水套的内表面；
(3)对待处理零件进行定位密封安装，令待处理零件与真空镀膜装置绝缘；
安装轴类待处理零件时，将轴类待处理零件的待镀膜区置于真空镀膜装置的有效溅射区域，轴类待处理零件的外端经第一通孔留在真空镀膜装置外部，然后在轴类待处理零件的外端安装绝缘材料制成的轴封件，并且将轴封件与相应端盖之间密封固接；
安装非轴类待处理零件时，在非轴类待处理零件上连接一根轴类支撑件，然后将非轴类待处理零件的待镀膜区置于真空镀膜装置的有效溅射区域，轴类支撑件的外端经第一通孔留在真空镀膜装置外部，最后在轴类支撑件的外端安装绝缘材料制成的轴封件，并且将轴封件与相应端盖之间密封固接；
(4)对真空镀膜装置进行抽真空处理；
(5)充入工作气体，开启溅射电源和偏压电源，即可在待处理零件表面沉积被镀材料。
本发明的有益效果在于：本发明利用管状靶材的环状结构及环形磁体的环状布置特点，通电后的溅射过程兼具空心阴极放电和磁控溅射放电的特点，工作气体分子离化率高，溅射速率高，可以使膜材以高沉积速率沉积在待处理零件需要镀膜的区域。
通电后的溅射镀膜过程中，管状靶材、冷却水套、环形磁体共同形成溅射阴极，设有抽真空接口的端盖作为溅射阳极，设有第一通孔的端盖作为偏压接入端，通电后溅射阴极和溅射阳极之间发生等离子体放电，待处理零件需要镀膜的区域完全“浸没”在等离子体放电区域以内，在待处理零件上施加的偏压电位，可以使镀膜过程兼具偏压溅射的特点，所以镀层和待处理零件表面的结合力较高。
本发明溅射镀膜过程在管状靶材的内腔内完成，从管状靶材溅出的膜材可以沿径向方向镀制在待处理零件的表面，管状靶材和待处理零件之间无需相对运动，无需额外真空室结构及复杂的运动机构，即可在静止状态下完成镀膜过程。
本发明可以在真空条件下，可以在金属类待处理零件表面制备具有防腐蚀功能的镀层。由于避免了废液的产生，可以实现对传统电镀工艺的无污染替代。
进一步的，所述紧固机构包括设于所述冷却水套的端部的径向向外伸出的第一凸缘、呈环状的绝缘垫板、螺栓以及螺母，所述绝缘垫板设于所述冷却水套和所述端盖之间，所述螺栓穿过所述端盖、绝缘垫板和凸缘，所述螺母旋接在所述螺栓的自由端，所述端盖与所述绝缘垫板之间、所述绝缘垫板与所述冷却水套之间均通过密封圈密封。采用这种结构可以方便拆卸端盖，并且可以保证端盖与冷却水套之间具有良好的绝缘性。
进一步的，设有第一通孔的端盖的外表面沿着第一通孔的孔壁设有轴向向外伸出的突出部，突出部的外端设有径向向外伸出的第二凸缘。采用这种结构，在安装待处理零件时，方便与安装在待处理零件上的轴封件连接，以固定轴封件和待处理零件。
进一步的，所述冷却水套的两端还分别设有溅射挡板，所述溅射挡板固定在相应绝缘垫板的内周面，靠近所述第一通孔的溅射挡板上设有供待处理零件进入所冷却水套的第二通孔，靠近所述抽真空接口的溅射挡板上设有一个以上的通气孔。溅射挡板可以将溅出材料尽可能地束缚在管状靶材及溅射挡板所形成的空间内，几乎没有材料损失，避免在溅射镀膜过程中对其它零件造成污染，并且能有效改善溅出金属导致绝缘连接失效的问题。
进一步的，靠近所述第一通孔的溅射挡板的内表面设有呈筒状的防溅射套，防溅射套位于所述第二通孔的外围。防溅射套可以对待处理零件的不需镀制镀层的区域进行保护，实现选择性镀膜保护。
进一步的，所述溅射挡板的材料与镀膜时靶材的材料相同。采用这种技术方案，使得溅射过程发生在同种材料组成的空腔内，易清理。
附图说明
图1是本发明一实施例的真空镀膜装置的结构示意图。
附图中各部件的标记为：1冷却水套、2端盖、21第一通孔、22抽真空接口、23工作气体接口、24真空测量接口、25突出部、251第二凸缘、3紧固机构、31第一凸缘、32绝缘垫板、33螺栓、34螺母、4环形磁体、5溅射挡板、51第二通孔、52通气孔、6防溅射套、7待处理零件、8管状靶材、9轴封件、91套体、92密封圈、93第三凸缘。
具体实施方式
下面结合附图、实施例对本发明作进一步描述：
参见图1。
本发明一实施例的真空镀膜装置，包括呈筒状的带有夹层的冷却水套1，所述冷却水套1的两端分别设置端盖2进行密封，所述端盖2与所述冷却水套1之间通过紧固机构3绝缘连接，其中一个端盖2上设有供待处理零件7进入所冷却水套1的第一通孔21，另一个端盖2上设有抽真空接口22、工作气体接口23以及真空测量接口24，所述冷却水套1的夹层内设有多个间隔布置的环形磁体4，为了实现磁控溅射放电，在具体实施中，所述环形磁体4和冷却水套1、溅射靶材8同轴线，并等距均匀布置在冷却水套1内。所述环形磁体4沿直径方向充磁，相邻环形磁体4极性相反。
所述紧固机构3包括设于所述冷却水套1的端部的径向向外伸出的第一凸缘31、呈环状的绝缘垫板32、螺栓33以及螺母34，所述绝缘垫板32设于所述冷却水套1和所述端盖2之间，所述螺栓33穿过所述端盖2、绝缘垫板32和凸缘31，所述螺母34旋接在所述螺栓33的自由端，所述端盖2与所述绝缘垫板32之间、所述绝缘垫板32与所述冷却水套1之间均通过密封圈密封。采用这种结构可以方便拆卸端盖2，并且可以保证端盖2与冷却水套1之间具有良好的绝缘性。
设有第一通孔21的端盖2的外表面沿着第一通孔21的孔壁设有轴向向外伸出的突出部25，突出部25的外端设有径向向外伸出的第二凸缘251。采用这种结构，在安装待处理零件7时，方便与安装在待处理零件7上的轴封件9连接，以固定轴封件9和待处理零件7。
所述冷却水套1的两端还分别设有溅射挡板5，所述溅射挡板5固定在相应绝缘垫板32的内周面，靠近所述第一通孔21的溅射挡板5上设有供待处理零件7进入所冷却水套1的第二通孔51，靠近所述抽真空接口22的溅射挡板5上设有一个以上的通气孔52。溅射挡板5可以将溅出材料尽可能地束缚在管状靶材8及溅射挡板5所形成的空间内，几乎没有材料损失，避免在溅射镀膜过程中对其它零件造成污染，并且能有效改善溅出金属导致绝缘连接失效的问题。
靠近所述第一通孔21的溅射挡板5的内表面设有呈筒状的防溅射套6，防溅射套6位于所述第二通孔51的外围。防溅射套6可以对待处理零件7不需镀制镀层的区域进行保护，实现选择性镀膜保护。
所述溅射挡板5的材料与镀膜时溅射靶材的材料相同。采用这种技术方案，使得溅射过程发生在同种材料组成的空腔内，易清理。
本发明所提到的几处凸缘结构可通过焊接真空技术领域常用的法兰实现，也可以是与相应的部件整体加工成型得到。
本发明真空镀膜装置的抽真空过程通过抽真空接口22和真空抽气系统连接完成，真空测量和充气等功能通过真空测量接口24以及工作气体接口23连接真空计或阀门等零件来完成。
利用上述的真空镀膜装置进行真空镀膜的方法，包括以下步骤：
(1)对待处理零件7进行镀膜前处理；镀膜前处理一般包括机械清洗和化学清洗，机械清洗可以采用砂纸打磨、喷砂处理等方式完成，目的在于除去零件表面的锈迹和毛刺。化学清洗可以使用酒精或丙酮在超声波装置中完成，目的在于除去零件表面灰尘和其它降低污物；
(2)将被镀材料制成管状靶材8，然后将管状靶材8贴附于冷却水套1的内表面；管状靶材8的外径大小与冷却水套1的内径大小相应，以使管状靶材8的外表面完全贴附于冷却水套1的内表面；
(3)对待处理零件7进行定位密封安装，令待处理零件7与真空镀膜装置绝缘；
安装轴类待处理零件7时，参见图1，将轴类待处理零件7的待镀膜区置于真空镀膜装置的有效溅射区域，轴类待处理零件7的外端经第一通孔21留在真空镀膜装置外部，然后在轴类待处理零件7的外端安装绝缘材料制成的轴封件9，并且将轴封件9与相应端盖2之间密封固接，具体实施中，轴封件9可选用双胶圈轴封机构，并采用聚四氟乙烯等绝缘材料制成，轴封件9包括用于包裹在轴类待处理零件7表面的套体91以及两个套设于套体91和轴类待处理零件7之间的密封圈92，套体91的内端设有径向向外伸出的第三凸缘93，轴封件9与相应端盖2之间通过穿过第三凸缘93和第二凸缘251的螺栓及旋接在螺栓自由端的螺母实现紧定，并且第三凸缘93和第二凸缘251之间通过密封圈密封；
安装非轴类待处理零件7时，在非轴类待处理零件7上连接一根轴类支撑件，然后将非轴类待处理零件7的待镀膜区置于真空镀膜装置的有效溅射区域，轴类支撑件的外端经第一通孔21留在真空镀膜装置外部，最后在轴类支撑件的外端安装绝缘材料制成的轴封件9，并且将轴封件9与相应端盖2之间密封固接，由于后续安装过程与轴类待处理零件7类似，因此不再附图赘述；
(4)对真空镀膜装置进行抽真空处理；
(5)充入工作气体，开启溅射电源和偏压电源，即可在待处理零件7表面沉积被镀材料。
本发明一实施例的真空镀膜装置的工作过程为：冷却水套1与端盖2围合形成溅射空间，即传统磁控溅射设备的真空室，装置无需额外的真空室结构。
溅射镀膜过程中，管状靶材8、冷却水套1、环形磁体4共同形成溅射阴极，设有抽真空接口22的端盖2作为溅射阳极，溅射阳极通过相应的绝缘垫板32和溅射阴极实现电绝缘，设有第一通孔21的端盖2作为偏压接入端，偏压接入端也通过相应的绝缘垫板32和溅射阴极实现电绝缘，溅射电源及偏压电源开启后，溅射阴极和溅射阳极之间发生等离子体放电，待处理零件7需要镀膜的区域完全“浸没”在等离子体放电区域以内，从管状靶材8溅出的膜材可以沿径向方向镀制在待处理零件7的表面，管状靶材8和待处理零件7之间无需相对运动，可在静止状态下完成镀膜过程。
待处理零件7由轴封件9固定在真空镀膜装置的轴线上，由于轴封件9使用绝缘材料制成，待处理零件7和真空镀膜装置的溅射阴极、溅射阳极及偏压接入端均保持电绝缘，可以满足等离子体清洗和溅射过程对于待处理零件7施加负偏压的要求。
磁控溅射放电和空心阴极放电均在管状靶材8表面附近发生，由于二者的叠加作用，使管状靶材8的溅射速率大为提高，溅出的靶材将均匀沉积在待处理零件7的需镀膜区域的表面上，而且由于偏压电压的施加，待处理零件7表面由于部分正离子轰击作用，膜层性能进一步提高。
本发明通过更换管状靶材8的材质，可用于制备不同类型的镀层。
本发明可以在轴类金属零件表面镀制防腐蚀镀层，但不局限于轴类金属零件和防腐蚀镀层，亦可对其它具有回转特点的细长结构零件进行防腐蚀处理和其它功能化处理。本发明可以对传统电镀防腐蚀镀层进行节能且无污染替代，但不局限于传统电镀防腐蚀镀层(镀锌、镀铬、镀镍等)，亦可对涂油、喷漆等防腐蚀方法进行替代。
本发明还可以对待处理零件进行等离子清洗，具体过程为：充入氩气，并将真空镀膜装置内部气压控制在10—20Pa范围，利用直流或脉冲电源在待处理零件上施加200V—300V的负电压，利用等离子体辉光放电在对待处理零件表面进行等离子体清洗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.真空镀膜装置，其特征在于：包括呈筒状的带有夹层的冷却水套(1)，所述冷却水套(1)的两端分别设置端盖(2)进行密封，所述端盖(2)与所述冷却水套(1)之间通过紧固机构(3)绝缘连接，其中一个端盖(2)上设有供待处理零件进入所冷却水套(1)的第一通孔(21)，另一个端盖(2)上设有抽真空接口(22)、工作气体接口(23)以及真空测量接口(24)，所述冷却水套(1)的夹层内设有多个间隔布置的环形磁体(4)；
管状靶材(8)贴附于冷却水套(1)的内表面，管状靶材(8)、冷却水套(1)、环形磁体(4)共同形成溅射阴极，设有抽真空接口(22)的端盖(2)作为溅射阳极，设有第一通孔(21)的端盖(2)作为偏压接入端。
2.如权利要求1所述的真空镀膜装置，其特征在于：所述紧固机构(3)包括设于所述冷却水套(1)的端部的径向向外伸出的第一凸缘(31)、呈环状的绝缘垫板(32)、螺栓(33)以及螺母(34)，所述绝缘垫板(32)设于所述冷却水套(1)和所述端盖(2)之间，所述螺栓(33)穿过所述端盖(2)、绝缘垫板(32)和凸缘(31)，所述螺母(34)旋接在所述螺栓(33)的自由端，所述端盖(2)与所述绝缘垫板(32)之间、所述绝缘垫板(32)与所述冷却水套(1)之间均通过密封圈密封。
3.如权利要求1或2所述的真空镀膜装置，其特征在于：设有第一通孔(21)的端盖(2)的外表面沿着第一通孔(21)的孔壁设有轴向向外伸出的突出部(25)，突出部(25)的外端设有径向向外伸出的第二凸缘(251)。
4.如权利要求2所述的真空镀膜装置，其特征在于：所述冷却水套(1)的两端还分别设有溅射挡板(5)，所述溅射挡板(5)固定在相应绝缘垫板(32)的内周面，靠近所述第一通孔(21)的溅射挡板(5)上设有供待处理零件进入所冷却水套(1)的第二通孔(51)，靠近所述抽真空接口(22)的溅射挡板(5)上设有一个以上的通气孔(52)。
5.如权利要求4所述的真空镀膜装置，其特征在于：靠近所述第一通孔(21)的溅射挡板(5)的内表面设有呈筒状的防溅射套(6)，防溅射套(6)位于所述第二通孔(51)的外围。
6.如权利要求4或5所述的真空镀膜装置，其特征在于：所述溅射挡板(5)的材料与镀膜时靶材的材料相同。
7.利用权利要求1至6中任一项所述的真空镀膜装置进行真空镀膜的方法，包括以下步骤：
(1)对待处理零件进行镀膜前处理；
(2)将被镀材料制成管状靶材，然后将管状靶材贴附于冷却水套的内表面；
(3)对待处理零件进行定位密封安装，令待处理零件与真空镀膜装置绝缘；
安装轴类待处理零件时，将轴类待处理零件的待镀膜区置于真空镀膜装置的有效溅射区域，轴类待处理零件的外端经第一通孔留在真空镀膜装置外部，然后在轴类待处理零件的外端安装绝缘材料制成的轴封件，并且将轴封件与相应端盖之间密封固接；
安装非轴类待处理零件时，在非轴类待处理零件上连接一根轴类支撑件，然后将非轴类待处理零件的待镀膜区置于真空镀膜装置的有效溅射区域，轴类支撑件的外端经第一通孔留在真空镀膜装置外部，最后在轴类支撑件的外端安装绝缘材料制成的轴封件，并且将轴封件与相应端盖之间密封固接；
(4)对真空镀膜装置进行抽真空处理；
(5)充入工作气体，开启溅射电源和偏压电源，即可在待处理零件表面沉积被镀材料。
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