CN1064508A - 交变电场真空离子沉积方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种交变电场真空离子沉积方法及设备，在工件 上施加交变电场取代已知技术中的直流负偏压，使设 备制造成本大幅度地降低，运行更稳定，沉积层质量 更优良。设备中配备新结构真空阴极电弧靶，可使靶 材利用率提高到近100％，且可进行任意指定元素种 类和成分的高速(0.1～0.5mm/h)。低温(≤560℃) 离子表面合金化及离子镀膜，在工业大生产规模上取 代渗碳、渗氮、多元共渗等化学热处理以及镀铬之类 的某些电镀及镀氮化钛之类的真空离子镀膜。

Description

本发明涉及真空离子沉积技术，具体地说是涉及在工件上施加交变电压的真空离子沉积方法及设备。

已知的真空离子沉积技术中按使用的离子源的不同而分为多种，如磁控溅射、空心阴极、热丝弧、真空阴极电弧等方法，其中以真空阴极电弧法的综合优点较多而引人注目。真空阴极电弧离子沉积法的最早的专利是1961年提出的，以后不断对之进行了改进和发展，典型的如美国专利NO3836451，都是围绕对离子源进行改进的。这些技术的发明与发展，对工具上沉积超硬膜、涡轮叶片上获得高温抗蚀涂层之类的贵重工件的使用寿命的提高，都起了十分重大的作用。然而为了防止烧毁设备与工件，已知技术都是使用配备多重保护环节和高速灭弧电子开关的大功率电压连续可调的高压可控整流直流电源，对工件施加直流负偏压，用这种稳恒的直流电场来引导离子对工件进行轰击。这种电源结构复杂、制造成本高、易损坏、操作和维修要求较高。此外，就已知技术中目前最引人注目的真空阴极电弧法来说，所用的离子源阴极要么是在靶的外园面上进行直接式水冷，要么是在靶的端面上进行间接式水冷。前者难于用在需要将各种成份的合金钢等易锈蚀材料沉积到工件表面的场合;后者则靶材利用率低，且难于实现靶的工作面位置的连续调整。以上诸端弊病，使得已知技术中的各种真空离子沉积方法和设备至今未能在工业生产中大面积推广，更没有人将这类技术用在当今世界上最量大面广的一般钢铁材料制造的工件，如齿轮、轴、轴承、建筑装饰件、日用器具等的表面强化、防蚀及装饰上。工件表面强化，特别是钢铁制造的工件的表面强化，过去人们总是千方百计地设法将元素强制渗入，例如渗碳、渗氮、渗金属等，这种使原子在金属固体晶格内迁移的办法需要很高的温度，非常长的时间，而且还难于同时渗入比较多的元素，渗层的化学成份也很难精确控制;采用电镀的办法，通常只能得到与工件表面机械贴附的膜层，没有冶金的结合，易于剥落，而且这种方法往往对环境造成污染;因此工件表面合金化，特别是钢铁制工件的表面合金化，是人们长期以来渴望解决而未真正有效解决的一个技术难题。

本发明提出了在工件上施加独立的交变电压以取代稳恒直流偏压的交变电场真空离子沉积方法和设备。用本发明的方法和设备进行的实验。出人意料地在导体和非导体工件的表面获得了化学成份与离子源阴极材料完全相同、金相组织更加细密、与工件结合力十分理想的沉积层，效果不但与工件不带电根本不同，而且在晶粒的细化以及沉积层脱除有害气体等方面，甚至比直流偏压法还要好一些。这一发现消除了人们长期以来认为交变电场在工件处于正半周电位时会排斥离子，因而不能用于真空离子沉积作为工件偏压，并且认为工件直流负偏压愈稳恒愈好的偏见。本发明的第一个目的，是用更方便而成本低得多的交变电场法，特别是就用工频三相交流电提供的交变电场法取代设备结构复杂、成本很高的直流偏压法来获得质地优良的沉积层。

本发明的另一个目的，是提出一种新结构真空阴极电弧靶离子源本体，使得人们从此可以采用钢铁之类的易锈蚀材料作离子源阴极，同时还能做到连续进给以调整不断消耗的离子源阴极的工作面的位置，特别是新旧靶可以反复接长，从而可以使离子源阴极材料利用率从已知技术的不到70%提高到近百分之百。任何真空离子沉积技术要为工业大生产所能接受，必须同时解决上述这些问题。已知技术至今还没有哪种能同时解决上述问题。本发明的离子源本体同交变电场真空离子沉积设备相结合，却可达到这个目的。

本发明再一个目的，是提出一种将工件基体的主元素同所需的合金元素一道转移到工件表面，在工件表面进行外延式的结晶生长，直接获得表面合金层的材料强化新方法。传统的化学热处理技术不能获得任意指定元素种类和成份的表面合金层;即使是它能做到的某些特定的元素的表面合金化，例如渗碳、渗氮、渗金属，也由于要依靠原子在工件基体的固态晶格内部强制迁移、扩散，才能形成一定厚度的表面层，所以需要很高的工艺温度，很长的工艺时间，且会污染环境。按本发明提出的方法，不仅不再需要高温，而且表面层生长速度极快，又是同样晶格类型、相近晶格参数的外延式结晶生长出来的表面层，结合力强，特别是对元素的种类和成份不再限制，使得工件表面任意指定元素种类和任意指定成份的表面合金化这样一个人们长期以来就渴望解决而一直未能很好解决的技术难题，真正有效地获得解决。

本发明方法的要点，是采用为实施本方法而设计的交变电场真空离子沉积设备，先对工件进行预清洗、装夹、抽真空，然后将离子源产生的等离子体中的离子和电子发射到该设备中的反射极与工件极，或者当工件为非导体时，发射到反射极与加速栅极之间的独立的交变电场之中，受其作用而交替地轰击到工件表面。先在200～1000V的电压下对工件交替地进行离子和电子轰击加热、电子轰击除气、离子轰击清洗，待真空度回升，即将交变电场的电压降低到30～200V，对工件进行离子沉积，最后冷却取出工件。

当所用的交变电场真空离子沉积设备以真空阴极电弧靶为离子源阴极时，提供离子的靶材可以含有欲获工件表面层任何种类和成份的化学元素，当要求实现工件表面合金化时，可用能够进行外延式结晶生长的与工件有相同主成份并含有其它所需要的元素的合金靶，或者当要求实现工件表面镀膜时，可用与工件基体主成份元素不同的单质或合金靶，在这两种情况下，必要时都可以用向真空室内通入反应性气体的办法，伴随着使工件表面沉积层变质和改性。

下面结合附图详述本发明的设备：

图1是交变电场真空离子沉积设备示意图;

图2是用于交变电场真空离子沉积设备的新旧靶可以反复接长和连续进给的间接冷却式的整体化真空阴极电弧靶离子源本体的示意图。

图1所示的交变电场真空离子沉积设备主要由主机、真空获得系统（未示出）、气体供给和气压测控系统（未示出）、冷却水系统（未示出）、离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕、交变电源〔3〕、电气测控系统（未示出）、温度测控系统（未示出）等组成。环绕真空室〔14〕的室壁均匀设置离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕和离子源热屏〔17〕，离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中的离子源阴极分别用导线〔4〕、〔6〕、〔7〕与真空室外各自的离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的负输出端相联，离子源热屏〔17〕则用导线〔5〕与离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的所有正输出端联在一起，离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕提供的电能在离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中的离子源阴极同离子源热屏〔17〕之间引起真空放电，产生和发射等离子体，从而构成离子源。主机的真空室〔14〕内还设置反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕和工件极〔16〕，反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分别环绕离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕设置。工件极〔16〕则位于真空室〔14〕的中央，工件〔18〕置于工件极〔16〕上，反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分别用导线〔10〕、〔8〕、〔9〕与真空室外的对电网电隔离且与离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕没有电联系的独立的交变电源〔3〕各相的输出端〔A〕、〔B〕、〔C〕相联，工件极〔16〕则用导线〔13〕与交变电源〔3〕输出端结点〔0〕相联;当工件〔18〕为非导体时，在反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕与工件〔16〕，之间附设一导电的加速栅极〔15〕，加速栅极〔15〕与工件极〔16〕之间用使两者等电位的导线〔12〕相联。交变电源〔3〕在反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕与工件极〔16〕，或者当工件〔18〕为非导体时在反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕与加速栅极〔15〕之间，产生对离子源发射的等离子体中的离子和电子起作用，引导其交替地轰击到工件〔18〕表面的交变电场。离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中各离子源阴极的工作面与离子源热屏〔17〕及各自周围的反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕持平或略为凸出。离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕的个数以与所用的交变电源〔3〕输出端的相的数目相同、或为相的数目的整倍数为佳。

图2所示的用于交变电场真空离子沉积设备的新旧靶可以反复接长和连续进给的间接冷却式整体化真空阴极电弧靶离子源本体，包括新靶〔22〕、旧靶〔23〕、轴向进给装置〔20〕、由夹紧机构（未示出）和水冷铜夹头〔24〕、〔27〕构成的靶冷却系统、磁场发生装置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕、离子源壳体〔21〕、盖〔19〕等组成。新靶〔22〕、旧靶〔23〕、轴向进给装置〔20〕、靶的冷却系统、磁场发生装置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕等，均安装在有盖〔19〕的离子源壳体〔21〕内，构成一种整体式的离子源本体。安装时要将旧靶〔23〕的首端，即有阴螺纹的那一端面朝真空室〔26〕的中央，穿过真空室〔26〕的室壁，靠密封圈〔25〕真空密封固定在真空室〔26〕的外壁上。新靶〔22〕和旧靶〔23〕均为园棒形，两者直径相等，首端皆有阴螺纹，尾端皆有阳螺纹，阴阳螺纹参数完全相同，新靶〔22〕同旧靶〔23〕靠上述螺纹连接，构成一种可反复接长的靶。夹紧机构可以是弹簧夹头式的或其它任何机械夹紧机构，通过水冷铜夹头〔24〕、〔27〕在旧靶〔23〕靠近首端的外园面上沿径向将旧靶〔23〕对心夹紧，构成一种间接冷却式的靶的冷却系统。冷却夹头数量可以是2个或者多个。进给装置〔20〕可以是丝杠一螺母或其它任何能够传递直线运动的机构，在其带动下新靶〔22〕和旧靶〔23〕沿轴向朝着真空室〔26〕的中央作周期式的或连续式的进给，调整不断消耗的旧靶〔23〕首端工作面的位置。

本发明所说的离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中的离子源阴极，可以是磁控溅射靶、真空阴极电弧靶等任何一种离子发射源，但以真空阴极电弧靶为佳，并且特别建议采用本发明提出的新旧靶可以反复接长和连续进给的间接冷却式的整体化真空阴极电弧靶。

本发明所说的离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕在采用真空阴极电弧靶离子源本体时，是输出电压为10～100V、输出电流为30～300A的直流电源或脉冲直流电源。

本发明所说的交变电源〔3〕，是其输出电压能在0～1000V范围内连续可调的至少含有交流成份的交变电源。这里所说的交流成份，是指该电源提供的交变电压、交变电流的频率和波形根据需要可有不同，但最好有周期性的自动过零;相的数目则可以是单相或多相。本发明特建议采用输出电压能在0～1000V范围内连续可调的工频三相交流电源作为交变电源〔3〕。

本发明同已知技术相比，有如下优点：

1.设备结构较简单，成本低-本发明以交变电场取代直流电场，因有周期性的自动过零，所以只须在电路中采用简单的电抗器、过流继电器等即可防止烧毁工件;又由于本发明交变电源输出端对电网电隔离且与离子电源没有电的联系，交变电源对离子电源没有干扰，也不会将其击穿，无须采用复杂的保护措施。因此，本发明的设备成本比已知技术低很多。

2.本发明的新结构真空阴极电弧靶离子源本体有如下特点：

a、新旧靶可方便地用螺纹首尾相连，反复接长，靶材利用率可接近100%;

b、带有轴向进给装置，可周期式或连续式调整不断消耗的靶的工作面的位置;

C、径向间接冷却，靶的材质可以扩展到易锈蚀的材料领域，靶的毛坯可以是锻压、铸造、粉末冶金，特别是轧制而成的材料，适应面大为增加;

d、带盖的整体化离子源本体便于新靶的补充和必要时整体拆装维修。

3.更节能-本发明的设备中离子源发射的等离子体中的电子，有部份轰击到工件上，直接为工件提供热能，其余的轰击到离子源热屏上，使其升温，反过来对工件构成热幅射源，不象已知技术中工件施加直流负偏压，真空室壁兼作离子源阳极，电子只被真空室壁吸收，其热能只由冷却水带走而浪费掉。

4.沉积层更均匀-本发明提出使用工频三相交流电取代稳恒直流负偏压，不仅利于电网平衡，而且每一瞬间总有一个反射极相对于工件处于正电位，使工件相对于这个反射极的一侧受到离子的轰击，工件上相对的另一侧则受电子的轰击。由于反射极在空间上是均匀设置的，与反射极分别相联的工频三相交流电源各相间位相差为120°所以工件上受到离子轰击的部位，或者工件上受到电子轰击的相对的部位，是依相序按工频不断旋转着的，好似在工件表面有一旋转电场，带动等离子体绕工件旋转。这无疑有助于获得更均匀的沉积层。

5.沉积层质量更好-这是因为：

a、已知技术中使用稳恒直流负偏压，工件只受离子轰击，不但不能很好地除气，有时还会将真空室内残存的有害气体夹带和埋葬进沉积层，而本发明的方法在交变电场正半周时，会有电子轰击工件，为有害气体自工件表面解析提供能量和机会，有利于获得较高韧性的沉积层;

b、直流负偏压下工件对离子不管其能量大小如何一律吸引，而本发明的方法在交变电场的正半周时有部份离子能量比较低被排斥而偏转，不沉积到工件上，故沉积层强度会较高;

C、在相同的有效值下，交变电压的峰值比稳恒直流电压高1.414倍，这一较高的偏压有助于沉积时形成较多的结晶核心;另一方面，交变电场作用下离子以脉冲方式轰击到工件上，已经形成的核心来不及长大又会形成新的结晶核心;总的效果是，交变电场作用下，沉积层晶粒比直流电场作用下更细小均匀。

6.可实现工件表面任意指定元素种类及成份的表面合金化-由于设备结构的简化和成本的大幅度降低，以及本发明提出的用于交变电场真空离子沉积设备的新旧靶可以反复接长和连续进给的间接冷却式的整体化真空阴极电弧靶离子源本体的一系列特点，使得工件表面合金化，特别是量大面广的钢铁材料工件任意指定元素种类和成份的表面合金化这一理想，有了在工业大生产中实现的可能。因为本发明的表面合金化方法不再需要高温（一般不必高于560℃），沉积速度极高（0.1～0.5mm/h），沉积层化学成份与靶材精确相同，金相组织更加细小均匀，所以用本发明的方法和设备进行钢铁制工件表面任意指定化学元素种类与成份的表面合金化，将可成功地取代渗碳、渗氮，以及Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Al等任何元素的一元或多元共渗之类的高温、高能耗、长时间并对环境有一定污染的传统的化学热处理技术，部份取代镀Cr等高能耗、严重污染环境的电镀技术。

实施例：

1.用工频交变电场真空离子沉积法实现碳素钢45＃表面Cr、Mo、Al三元合金化。

靶材：38CrMoAl。

工件：45＃钢。

表面合金化温度：400℃。

表面合金化有效时间：40min。

结果：

a、化学成份分析

C  Cr  Mo  Al

0.35  1.35  0.15  0.70

靶材（YB6-71）  ～0.42  ～1.65  ～0.25  ～1.10

工件表面合金层  0.40  1.63  0.16  0.89

b、金相组织：靶材原始组织为铁素体和片状珠光体，所获表面合金层为铁素体基体上均匀分布的细粒状渗碳体（粒状珠光体）。

C、结合力：所获表面合金层无法用高速钢刀具从45＃钢工件表面剥离。

d、厚度：所获表面合金层厚度0.30mm。

2.用工频交变电场真空离子沉积法使45＃钢表面获得高硬度。

靶材：38CrMoAlA。

反应气体：NH₃分解气。

工件：45＃钢。

表面合金化伴随硬化温度：450℃。

时间：1h。

结果：

a、实现了Cr、Mo、Al、N四元共渗式的表面合金化。

b、表面显微硬度Hm＝1050kg/mm²

C、厚度0.30mm

3.在玻璃上工频交变电场真空离子镀膜

靶材：38CrMoAlA。

工件：试镜玻璃。

温度：300℃

时间：1h。

结果：膜层与玻璃基体结合牢固，剥离时只能连同玻璃一道撕开。

4.在高速钢钻头上工频交变电场反应离子镀TiN膜。

靶材：纯Ti。

反应气体：NH₃分解气体。

温度：450℃

时间：30min。

结果：

a、获得表面层颜色为金黄，光亮。

b、显微硬度：Hm＝1700kg/mm²。

C、厚度：4μ。

d、使用寿命提高一倍。

Claims (10)

1、一种交变电场真空离子沉积方法，包括工件的预清洗，装夹、抽真空、离子源等离子体发射，离子和电子对工件的轰击所致加热、电子轰击除气、离子轰击清洗、离子的沉积、以及最后的冷却等，其特征在于采用为实施本方法而设计的设备，将离子源所产生的等离子体中的离子和电子，发射到反射极与工件极，当工件为非导体时发射到反射极与加速栅极之间的独立的交变电场中，受其作用而交替地轰击到工件表面上。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于被发射到独立的交变电场中的离子和电子，先在200～1000V的电压下对工件交替地进行轰击加热、电子轰击除气、离子轰击清洗，待真空度回升，即将交变电场的电压降至30～200V，对工件进行离子沉积。

3、根据权利要求1和2所述的方法，其特征在于离子源阴极采用真空阴极电弧靶时，靶材可以含有欲获工件表面层任何元素，当要求实现工件表面合金化时，可用能够进行外延式结晶生长的与工件有相同主成份元素并含有其它所需元素的合金靶，当要求实现工件表面镀膜时，可用与工件基体主成份元素不同的单质或合金靶。

4、根据权利要求1～3所述的方法，其特征在于进行交变电场真空离子沉积时，可向真空室内通入反应性气体，伴随使工件表面沉积层变质和改性。

5、一种交变电场真空离子沉积设备，包括主机、真空获得系统、气体供给和气压测控系统、冷却水系统、离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕、交变电源〔3〕、电气测控系统、温度测控系统等，其特征在于：

a、环绕主机的真空室〔14〕壁均匀分布设置离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕和离子源热屏〔17〕，离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中各自的离子源阴极分别用导线〔4〕、〔6〕、〔7〕与真空室外各自的离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的负输出端相联，离子源热屏〔17〕用导线〔5〕与离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的所有正输出端联在一起，离子源热屏〔17〕分别与离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中各离子源阴极构成产生和发射等离子体的各个离子源;

b、主机的真空室〔14〕内还设置产生交变电场的反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕和工件极〔16〕，反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分别环绕离子源本体〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕设置，工件极〔16〕位于真空室〔14〕的中央，工件〔18〕置于工件极〔16〕上，反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分别用导线〔10〕、〔8〕、〔9〕与真空室外的对电网电隔离且与离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕没有电联系的独立的交变电源〔3〕各相的输出端〔A〕、〔B〕、〔C〕相联，工件极〔16〕则用导线〔13〕与交变电源〔3〕输出端的结点〔O〕相联，当工件为非导体时，在反射极〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕与工件极〔16〕之间附设一导电加速栅极〔15〕，加速栅极〔15〕与工件极〔16〕之间用使两者等电位的导线〔12〕相联。

6、一种用于交变电场真空离子沉积设备的新旧靶可以反复接长和连续进给的间接冷却式的整体化真空阴极电弧靶离子源本体，包括新靶〔22〕、旧靶〔23〕、轴向进给装置〔20〕、靶冷却系统、磁场发生装置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕、离子源壳体〔21〕、盖〔19〕等，其特征在于：

a、新靶〔22〕和旧靶〔23〕均为园棒形，直径相等，首端皆有阴螺纹，尾端皆有阳螺纹，阴阳螺纹参数完全相同，新靶〔22〕和旧靶〔23〕以上述螺纹连接，构成可反复接长的靶;

b、依靠进给装置〔20〕带动新靶〔22〕和旧靶〔23〕沿轴向作周期式的或连续式的进给，以调整旧靶〔23〕首端不断消耗的工作面的位置;

C、间接冷却式的靶冷却系统由夹紧机构和水冷铜夹头〔24〕、〔27〕构成，夹紧机构通过水冷铜夹头〔24〕、〔27〕在旧靶〔23〕靠近工作面的首端的外园面上沿径向将靶对心夹紧。

d、新靶〔22〕、旧靶〔23〕、轴向进给装置〔20〕、靶冷却系统、磁场发生装置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕等，均安装在带有用在补装新靶〔22〕时便于开启的盖〔19〕的离子源壳体〔21〕内，构成整体化离子源本体，由真空室外穿过真空室〔26〕壁通过密封圈〔25〕真空密封固定在真空室〔26〕的外壁上。

7、根据权利要求5和6所述的设备，其特征在于交变电场真空离子沉积设备的离子源本体可以采用磁控溅射靶，也可以采用真空阴极电弧靶离子源本体，以采用新旧靶可以反复接长和连续进给的间接冷却式的整体化真空阴极电弧靶离子源本体为佳。

8、根据权利要求7所述的设备，其特征在于设备采用真空阴极电弧靶离子源本体时，离子电源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕是输出电压为10～100V、输出电流为30～300A的直流电源或脉冲直流电源。

9、根据权利要求5所述的设备，其特征在于交变电源〔3〕是其输出电压能在0～1000V范围内连续可调的至少含有交流成份的交变电源。

10、根据权利要求5和9所述的设备，其特征在于交变电源〔3〕是输出电压能在0～1000V范围内连续可调的工频三相交流电源。