CN107675136A - 一种工件表面pvd镀膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明及一种工件表面PVD镀膜的方法，属于表面处理技术领域，它解决了现有的PVD技术单一的镀膜技术形成的涂层均存在一定的缺陷，从而也就导致了产品的致密性和耐腐性差的缺陷。本工件表面PVD镀膜的方法包括以下步骤：A、将经过预清洗处理的待镀工件放入镀膜室内，然后，将镀膜室进行抽真空和加热处理；B、加热完全后，再通入氩气，对待镀工件进行离子轰击处理；C、通入工作气体，打开电源，对待镀工件施加偏压，开启靶源开始镀膜；然后，靶源受电场和磁场的周期变化驱动，在磁控溅射与阴极电弧模式间切换镀膜，在待镀工件表面沉积相应材料的镀层，得到表面镀层后的工件。本工件表面PVD镀膜的方法可实现膜层致密结构更好和高效的耐腐性能。

Description

一种工件表面PVD镀膜的方法

技术领域

本发明涉及一种工件表面PVD镀膜的方法，属于表面镀膜技术领域。

背景技术

PVD涂层技术应用在很多表面处理和薄膜材料制备方面，如模具表面硬质涂层，各种零部件表面的防护涂层，表面改性涂层，导电和透光涂层等。而在目前的PVD涂层过程中，涂层材料的最大问题就是致密性的问题，这导致涂层薄膜材料的性能与实体块材差别很大，使涂层材料的特性不能充分的表现出来。产生这个问题的主要原因是有PVD技术和工艺过程方面。PVD技术主要有蒸发镀膜、溅射镀膜和电弧离子镀膜，但是，这些镀膜技术均有各自的优缺点，如下表所示：

因此，现有的PVD技术单一的镀膜技术形成的涂层均存在一定的缺陷，从而也就导致了产品的致密性和耐腐性差的缺陷。

发明内容

本发明针对以上现有技术中存在的缺陷，提供一种工件表面PVD镀膜的方法，解决的问题是如何实现高致密性和耐腐性的效果。

本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的，一种工件表面PVD镀膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A、将经过预清洗处理的待镀工件放入镀膜室内，然后，将镀膜室进行抽真空和加热处理；

B、加热完全后，再通入氩气，对待镀工件进行离子轰击处理；

C、通入工作气体，打开电源，对待镀工件施加偏压，开启靶源开始镀膜；然后，靶源受电场和磁场的周期变化驱动，在磁控溅射与阴极电弧模式间切换镀膜，在待镀工件表面沉积相应材料的镀层，得到表面镀层后的工件。

本发明通过对待镀膜工件进行清洗和轰击处理后，再通过采用电场和磁场强度呈周期性变化的同步匹配过程，并通过电流的周期性变化使靶源在磁控溅射镀膜和阴极电弧离子镀膜之间交互工作；正是由于采用两者的交互镀膜方式，使在电弧离子镀膜形成的薄膜结构单元中能够有效的嵌入通过磁控溅射镀膜过程中形成的薄膜粒子；同时，这种工作方式的优点是靶材在磁控和电弧间频繁切换，靶材充分冷却，靶电流始终在不同的变化，弧斑的运动范围也不断变化，直接的结果是薄膜细腻。通过磁控溅射和电弧离子镀膜的交互作用来控制膜料反应颗粒的大小和排布控制针孔数量和尺寸变化实现互补的效果，从而使实现膜层致密结构更好和高效的耐腐性能。

在上述工件表面PVD镀膜的方法中，作为优选，步骤C中所述靶电流在10A～150A之间呈连续或阶梯周期变化；所述磁场的磁场强度在100Gs～1000Gs之间呈连续或阶梯变化。能够使电弧产生的高离化率的等离子气氛更好的辅助溅射薄膜的成膜质量，解决了单纯溅射镀膜靶材中毒和离化率的问题，提高镀膜的质量。

在上述工件表面PVD镀膜的方法中，作为优选，步骤C中所述靶电流的周期变化公式为10+140∣sin(∏t₁)|；所述磁场强度的周期变化公式为1000-900∣sin(∏t₁)∣；其中，上述t₁表示镀膜时间，所述靶电流的单位为A，且所述磁场强度的单位为Gs。相当于使靶电流和磁场强度的变化周期是1秒。在一个周期中，靶电流开始是10A，磁场1000Gs，并使靶电流和磁场分别按照各自的规律相应变化，电源在设定的电流值时切换工作模式。随着生产时间的变化，上述过程周而复始的重复，从而能够使形成的小颗粒与大颗粒之间相互嵌入提高镀膜层的致密性，实现耐磨损、防腐蚀、绝缘或导电、改善脱模性能等各种需求。

在上述工件表面PVD镀膜的方法中，作为另一种实施方式，步骤C中所述靶电流的周期变化公式为150-140[t₂-(k-1)]，磁场强度为100+900[t₂-(k-1)]；其中，t₂表示镀膜时间，k表示周期次数；所述靶电流和磁场强度的变化周期均为1秒；所述靶电流的单位为A，且所述磁场强度的单位为Gs。同样能够使电流和磁场分别按照各自的规律相应变化，电源在设定的电流值时切换工作模式。随着生产时间，上述过程周而复始的重复，从而能够使形成的小颗粒与大颗粒之间相互嵌入提高镀膜层的致密性，实现耐磨损、防腐蚀、绝缘或导电、改善脱模性能等各种需求。

在上述工件表面PVD镀膜的方法中，当步骤C中所述靶电流＜30A时，采用磁控溅射的模式对待镀工件进行镀膜；当所述靶电流≥30A时，采用阴极电弧离子镀膜的模式对待镀工件进行镀膜。由于当靶电流超过30A时，磁控溅射由于剧烈放电产生打弧和镀层黑点缺陷，而这个电流对于电弧镀膜属于超低电流，在磁场的驱动下镀层颗粒接近磁控溅射。

在上述工件表面PVD镀膜的方法中，作为优选，步骤C中所述镀膜时间为2500～3000秒；所述镀层的厚度为1.5μm～2.0μm。使具有充分的变化周期性，提高镀膜的充分性，从而也能够更好的保证形成的镀膜层具有更好的致密性；还能够使保证镀层的厚度，提高耐腐和耐磨性的效果。

在上述工件表面PVD镀膜的方法中，作为优选，步骤B中所述离子轰击处理具体为：

开启电源，并将磁场强度调节到500Gs和将靶电流的电流值调节到70A，然后，对待镀膜工件的表面进行离子轰击处理。有利于更好对待镀膜表面进行预处理，提高镀膜的工件表面之间的结合力的效果。

在上述工件表面PVD镀膜的方法中，作为优选，步骤A中所述待镀膜工件采用陶瓷材料、铝合金、合金或合金钢材加工而成。材料便得，且便于加工。

在上述工件表面PVD镀膜的方法中，作为优选，步骤C中所述工作气体选自氮气、氩气或烃类气体。可以根据实际镀膜的需要进行选择应用。

在上述工件表面PVD镀膜的方法中，作为优选，步骤C中所述靶源的材料选自铬或铬合金。使形成镀膜层CrN具有很好的耐磨性的耐腐性。

在上述工件表面PVD镀膜的方法中，作为优选，步骤A中所述抽真空的使镀膜室的真空高于2.0x10^-3pa；所述加热的温度达到200℃～250℃。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过采用电流和磁场强度呈周期性变化的同步匹配过程，并通过电流的周期性变化使靶源在磁控溅射镀膜和阴极电弧离子镀膜之间交互工作；正是由于采用两者的交互镀膜方式，使在电弧离子镀膜形成的薄膜结构单元中能够有效的嵌入通过磁控溅射镀膜过程中形成的薄膜粒子，使控制膜料反应颗粒的大小和排布控制针孔数量和尺寸变化实现互补的效果，从而使实现膜层致密结构更好和高效的耐腐性能。

附图说明

图1是实施例1中的靶电流和磁场强度的周期性变化示意图。

图2是实施例2中的靶电流和磁场强度的周期性变化示意图。

图3是本发明实施例1中得到的产品表面镀膜层的电镜图。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。

实施例1

本实施例中的待镀工件采用skd11材料加工而成。

本实施例中，如图1所示，其中，靶电流按I＝10+140∣sin(∏t₁)∣规律进行周期性变化；对应的磁场强度按B＝1000-900∣sin(∏t₁)∣规律进行周期性变化，t₁是镀膜时间，电流和磁场的变化周期都是1秒，上述靶电流的单位为A，磁场强度的单位为Gs。其中，图1中，B表示磁场强度变化周期，I表示靶电流变周期。

将选取的待镀膜工件用金相砂纸或砂轮进行打磨处理后清洗，可以使采用碱性试剂进行清洗后，再采用清洗进行冲洗至中性，并干燥；然后，将经过清洗干燥后的待镀膜工作放入镀膜室内进行固定；

然后，将镀膜室进行抽真空，使镀膜室内的真空高于2.0x10^-3pa，加热到200℃；通入氩气(Ar)，并将磁场调节到500Gs，靶电流调节到70A，开启电源，对产品表面轰击处理10分钟；

结束后，再向镀膜室内通入工作气体氮气(N₂)，打开电源，对待镀工件施加偏压，同时，使靶电流I＝10+140∣sin(∏t)∣的正弦规律进行连续性变化，并使磁场强度B＝1000-900∣sin(∏t)∣的余弦规律进行连续性变化，工艺压力控制在1.0-1.5pa，控制偏压在100V，开启靶源，靶材选自金属铬材料，开始镀膜；镀膜时间3000秒，沉积厚度1.8-2.0μm；在单个周期1秒中，靶电流开始时的靶电流是10A，磁场强度是1000Gs，此时使电源按磁控溅射模式工作进行镀膜，使在表面沉积颗粒细腻；之后，随着电流和磁场强度分别按照各自的规律相应变化，当靶电流值达到30A时将镀膜方式切换到阴极电弧离子镀膜工作模式进行镀膜；而当靶电流值随着周期变化时，低于30A时再次重新切换到磁控溅射模式工作进行镀膜。在3000秒镀膜过程中，并以1秒为一个周期，按照上述过程周而复始的重复交替镀膜，最终得到相应的氮化铬镀膜层。

按照上述方法在skd11材料表面形成的氮化铬膜层，经过测试，结果表明：表面粗糙度Ra0.04，常温下15％HCl腐蚀120h无变化，而普通技术制备的CrN薄膜只能耐受60h，提高了100％。说明本发明的镀膜层具有很好的致密性。

同时，本发明的方法得到的镀膜层与基体表面之间的结合力能够达到80MPa。

实施例2

本实施例中的待镀工件采用skd11材料加工而成。

本实施例中，如图2所示，其中，靶电流I＝150-140[t₂-(k-1)]，磁场强度B＝100+900[t₂-(k-1)]，t₂是镀膜时间，k是重复周期数，电流和磁场的变化周期均是1秒，上述靶电流的单位为A，磁场强度的单位为Gs。其中，图1中，B表示磁场强度变化周期，I表示靶电流变化周期。

将选取的待镀膜工件用金相砂纸或砂轮进行打磨处理后清洗，可以使采用碱性试剂进行清洗后，再采用清洗进行冲洗至中性，并干燥；然后，将经过清洗干燥后的待镀膜工作放入镀膜室内进行固定；

然后，将镀膜室进行抽真空，使镀膜室内的真空高于2.0x10^-3pa，加热到250℃；通入氩气(Ar)，并将磁场调节到500Gs，靶电流调节到70A，开启电源，对产品表面轰击处理10分钟；

结束后，再向镀膜室内通入工作气体氮气(N₂)，打开电源，对待镀工件施加偏压，同时，使靶电流I＝150-140[t₂-(k-1)]的规律进行连续性变化，并使磁场强度B＝100+900[t₂-(k-1)]的规律进行连续性变化，工艺压力控制在1.0-1.5pa，控制偏压在100V，靶材选自金属铬材料，开始镀膜；镀膜时间3000秒，沉积厚度1.8-2.0μm；在单个周期1秒中，靶电流开始时的靶电流是10A，磁场强度是1000Gs，此时使电源按磁控溅射模式工作进行镀膜，使在表面沉积颗粒细腻；之后，随着电流和磁场强度分别按照各自的规律相应变化，当靶电流值达到30A时将镀膜方式切换到阴极电弧离子镀膜工作模式进行镀膜；而当靶电流值随着周期变化时，低于30A时再次重新切换到磁控溅射模式工作进行镀膜。在3000秒镀膜过程中，并以1秒为一个周期，按照上述过程周而复始的重复交替镀膜，最终得到相应的氮化铬镀膜层。

按照上述方法在skd11材料表面形成的氮化铬膜层，经过测试，结果表明：表面粗糙度Ra0.04，常温下15％HCl腐蚀100h无变化。而普通技术制备的CrN薄膜只能耐受60h，提高了66.7％。说明本发明的镀膜层具有很好的致密性。

同时，本发明的方法得到的镀膜层与基体表面之间的结合力能够达到170N。

实施例3

本实施例中，如图1所示，其中，靶电流按I＝10+140∣sin(∏t₁)∣规律进行周期性变化；对应的磁场强度按B＝1000-900∣sin(∏t₁)∣规律进行周期性变化，t₁是镀膜时间，电流和磁场的变化周期都是1秒，上述电流的单位为A，磁场强度的单位为Gs。

将选取的待镀膜工件用金相砂纸或砂轮进行打磨处理后清洗，可以使采用碱性试剂进行清洗后，再采用清洗进行冲洗至中性，并干燥；然后，将经过清洗干燥后的待镀膜工作放入镀膜室内进行固定；

然后，将镀膜室进行抽真空，使镀膜室内的真空高于1.5x10^-3pa，加热到220℃；通入氩气(Ar)，并将磁场调节到600Gs，靶电流调节到75A，开启电源，对产品表面轰击处理10分钟；

结束后，再向镀膜室内通入工作气体氮气(N₂)，打开电源，对待镀工件施加偏压，同时，使靶电流I＝10+140∣sin(∏t₁)∣的正弦规律进行连续性变化，并使磁场强度B＝1000-900∣sin(∏t₁)∣的余弦规律进行连续性变化，工艺压力控制在1.0-1.5pa，控制偏压在150V，靶材选自金属铬材料，开始镀膜；镀膜时间2500秒，沉积厚度1.7μm；在单个周期1秒中，靶电流开始时的靶电流是10A，磁场强度是1000Gs，此时按磁控溅射模式工作进行镀膜，使在表面沉积颗粒细腻；之后，随着电流和磁场强度分别按照各自的规律相应变化，当靶电流值达到30A时将镀膜方式切换到电弧离子镀膜工作模式进行镀膜；而当靶电流值随着周期变化时，靶电流值低于30A时再次重新切换到磁控溅射模式工作进行镀膜。而当靶电流值达到150A时，达到最大值，即在相当于二分之一周期时的取值。在2500秒镀膜过程中，并以1秒为一个周期，按照上述过程周而复始的重复交替镀膜，最终得到相应的氮化铬镀膜层。

按照上述方法在skd11材料表面形成的氮化铬膜层，经过测试，结果表明：表面粗糙度Ra0.04，常温下15％HCl腐蚀110h无变化，而普通技术制备的CrN薄膜只能耐受60h。说明本发明的镀膜层具有很好的致密性。镀膜层与基体表面之间的结合力能够达到163N。

本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (9)

1.一种工件表面PVD镀膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

A、将经过预清洗处理的待镀工件放入镀膜室内，然后，将镀膜室进行抽真空和加热处理；

B、加热完全后，再通入氩气，对待镀工件进行离子轰击处理；

C、通入工作气体，打开电源，对待镀工件施加偏压，开启靶源开始镀膜；然后，靶源受电场和磁场的周期变化驱动，在磁控溅射与阴极电弧模式间切换镀膜，在待镀工件表面沉积相应材料的镀层，得到表面镀层后的工件。

2.根据权利要求1所述工件表面PVD镀膜的方法，其特征在于，步骤C中所述靶源的靶电流在10A～150A之间呈连续或阶梯周期变化；所述磁场的磁场强度在100Gs～1000Gs之间呈连续或阶梯变化。

3.根据权利要求1所述工件表面PVD镀膜的方法，其特征在于，步骤C中所述靶电流的周期变化公式为10+140∣sin(∏t₁)|；所述磁场强度的周期变化公式为1000-900∣sin(∏t₁)∣；其中，上述t₁表示镀膜时间，所述靶电流的单位为A，且所述磁场强度的单位为Gs。

4.根据权利要求1所述工件表面PVD镀膜的方法，其特征在于，步骤C中所述靶电流周期变化公式为150-140[t₂-(k-1)]，磁场强度为100+900[t₂-(k-1)]；其中，t₂表示镀膜时间，k表示周期次数；所述电流和磁场强度的变化周期均为1秒；所述靶电流的单位为A，且所述磁场强度的单位为Gs。

5.根据权利要求2或3或4所述工件表面PVD镀膜的方法，其特征在于，当步骤C中所述靶电流＜30A时，采用磁控溅射的模式对待镀工件进行镀膜；当所述靶电流≥30A时，采用阴极电弧离子镀膜的模式对待镀工件进行镀膜。

6.根据权利要求2或3或4所述工件表面PVD镀膜的方法，其特征在于，步骤C中所述镀膜时间为2500～3000秒；所述镀层的厚度为1.5μm～2.0μm。

7.根据权利要求1所述工件表面PVD镀膜的方法，其特征在于，步骤B中所述离子轰击处理具体为：

开启电源，并将磁场强度调节到500Gs和将靶电流的电流值调节到70A，然后，对待镀膜工件的表面进行离子轰击处理。

8.根据权利要求1所述待镀工件表面PVD镀膜的方法，其特征在于，步骤A中所述待镀膜工件采用陶瓷材料、铝合金、合金或合金钢材加工而成。

9.根据权利要求1所述待镀工件表面PVD镀膜的方法，其特征在于，步骤C中所述工作气体选自氮气、氩气或烃类气体。