CN107955938A - 发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，包括：真空溅射室、气缸套支座、磁控阴极结构和运动控制机构；所述气缸套支座固定于所述真空溅射室底部；所述运动控制机构安装于所述真空溅射室顶部，并与所述磁控阴极结构连接对其驱动；本发明采用真空反应磁控溅射镀膜的方法对气缸套内表面进行镀膜，从而使气缸套内表面具有更好的耐高温和耐磨性能；不仅能够实现气缸套内表面全覆盖镀膜，而且还能够实现均匀镀膜。

Description

发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置及方法

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术领域，更具体的说是涉及一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置及方法。

背景技术

气缸套是汽车发动机的关键零件之一，气缸套内表面长期受高温高压燃气作用,并始终与活塞发生高速滑动摩擦；因此，必须提高其耐磨性及耐高温性；其内表面的耐磨性对气缸套寿命起决定性作用；迄今为止，为提高气缸套的耐磨性有很多方法，例如表面激光淬火处理、热喷镀等；

但是，现有的处理方法均有一定的局限性，比如激光淬火处理为了确保润滑效果，并且需采用片状石墨铸铁，无法提高其强度；热喷镀喷镀的粒子比较粗糙，无法达到最优的耐磨效果；

真空磁控溅射镀膜的原理是：电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子或分子沉积在基片上成膜；二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑兹力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上；利用此原理，就可以将需要镀膜的物体作为基板，选用不同的靶材实现金属表面的镀膜。

反应磁控溅射是磁控溅射的一种方法,就是在溅射靶材时，通入一定的反应气体，如氧气、氮气等，使靶材材料与气体发生反应,通过反应沉积化合物薄膜。

由于气缸套是内腔表面镀膜，与以往外表面镀膜的工件不同，采用现有技术无法保证其内表面达到均匀、全覆盖镀膜。

因此，如何提供一种实现气缸套内表面完全镀膜，且镀膜均匀的发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置及方法，采用真空反应磁控溅射镀膜的方法对气缸套内表面进行镀膜，从而使气缸套内表面具有更好的耐高温和耐磨性能；不仅能够实现气缸套内表面全覆盖镀膜，而且还能够实现均匀镀膜。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，包括：真空溅射室、气缸套支座、磁控阴极结构和运动控制机构；所述气缸套支座固定于所述真空溅射室底部；所述运动控制机构安装于所述真空溅射室顶部，并与所述磁控阴极结构连接对其驱动；

所述磁控阴极结构包括：溅射靶体、磁铁S极、磁铁N极、阴极座、绝缘板、外屏蔽罩、阴极支撑板、冷却水道、电极线；所述溅射靶体与所述阴极座一端固定密封连接，并且所述磁铁S极和所述磁铁N极均位于所述阴极座的圆柱空腔内；所述阴极座另一端通过所述绝缘板与所述阴极支撑板密封连接；所述外屏蔽罩与所述阴极支撑板边缘处连接，并将所述阴极座、所述磁铁N极、所述磁铁S极和所述溅射靶体罩于其内；所述冷却水道与所述阴极座空腔连通并形成回路，用于对所述阴极座、所述磁铁N极、所述磁铁S极和所述溅射靶体进行冷却；所述电极线与所述阴极座电性连接；

所述运动控制机构包括：步进式电机、电机同步轮、传动同步带、空芯同步轮、运动管件、可伸缩金属波纹管和电机支架；其中所述电机支架固定在所述真空溅射室顶部的腔壁上，并将所述步进式电机固定；所述步进式电动机与所述电机同步轮传动连接，所述电机同步轮通过所述传动同步带与所述空芯同步轮传动连接；所述空芯同步轮设置有内螺纹，所述运动管件设置有与所述空芯同步轮内螺纹匹配的外螺纹，所述空芯同步轮套设在所述运动管件外部，并通过螺纹连接；所述可伸缩金属波纹管两端均焊接法兰，所述可伸缩金属波纹管一端法兰与所述真空溅射室顶部腔壁相连，另一端法兰与所述阴极支撑板焊接，并且所述运动管件一端也与所述阴极支撑板连接；所述冷却水道和所述电极线均位于所述可伸缩金属波纹管内。

本发明通过所述运动控制机构驱动所述磁控阴极结构在气缸套内腔中往复运动，达到均匀溅射镀膜的目的，解决了现有固定式阴极结构无法对气缸套内表面完全均匀镀膜的问题；所述运动控制机构利用所述步进式电动机带动所述电机同步轮转动，通过所述传动同步带传动转矩给所述空芯同步轮，所述空芯同步轮内部有螺纹，与带螺纹的所述运动管件啮合，所述空芯同步轮转动时带动所述运动管件沿其轴向方向运动，从而使所述磁控阴极结构通过运动控制机构可以进入气缸套内腔进行往复运动，此过程中对所述溅射阴极结构，通过磁控反应，使所述磁控靶体表面的靶材离子化，呈中性的靶原子或分子沉积在气缸套内表面上成膜；二次电子在加速飞向气缸套表面的过程中在所述磁铁N极和所述磁铁S极形成的磁场作用下，受到磁场洛仑兹力的影响，被束缚在靠近所述溅射靶体表面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕溅射靶体表面作圆周运动，经过多次与所述溅射靶体的碰撞后，电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离溅射靶体，与反应气体反应，均匀附着在气缸套内腔，形成沉积化合物薄膜。

优选的，在上述一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置中，所述真空溅射室设置有真空抽气口和反应气体进口。

优选的，在上述一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置中，所述磁铁N极为环形，所述磁铁S极为柱形，并且所述磁铁N极、所述磁铁S极、所述溅射靶体、所述阴极座构成闭合磁路；其中所述磁铁N极和所述磁铁S极采用永久磁铁，所述阴极座采用高饱和磁化强度材料制造。

优选的，在上述一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置中，所述溅射靶体与所述屏蔽罩之间留有一定间隙，从而保证所述溅射靶体与所述屏蔽罩之间不发生放电。

优选的，在上述一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置中，所述空芯同步轮设置有轴向定位销，防止所述空芯同步轮沿其轴向发生移动，保证其稳定的旋转运动。

优选的，在上述一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置中，所述运动管件外壁上沿轴向设置有定位槽，所述真空溅射室顶部腔壁上固接有定位卡件，所述定位卡件一端置于所述定位槽内，当所述运动管件沿轴向运动时，所述定位卡件一端始终位于所述定位槽内，从而阻止所述运动管件发生旋转。

优选的，在上述一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置中，所述气缸套支座由面板和支撑柱组成，所述面板上设置有若干个通孔，使反应气体能够进入到气缸套内腔中。

优选的，在上述一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置中，所述阴极座与所述绝缘板之间、所述绝缘板与所述阴极座支撑板之间、所述溅射靶体与所述阴极座之间、所述可伸缩金属波纹管一端法兰与所述真空溅射室顶部的腔壁之间均设置有真空密封圈。

优选的，在上述一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置中，所述真空溅射室底部设置有固定支架，所述固定支架上设置有多个所述固定支座，并且所述固定支座分别匹配设置有磁控阴极结构和运动控制机构，从而实现对多个气缸套进行镀膜，并且互不影响，提升工作效率。

一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜方法，包括以下工序：

首先，对气缸套表面进行超声波清洗、脱水、烘干的一系列准备工作；

然后，根据镀膜类型选择磁控阴极结构上溅射靶体的靶材；

开始镀膜时，启动步进式电机，步进式电机带动电机同步轮转动，通过传动同步带传动转矩给空芯同步轮，空芯同步轮内部有螺纹，与带螺纹的运动管件啮合，所述空芯同步轮转动时带动所述运动管件沿其轴向方向运动，在行进一段距离后，所述步进式电机反转，使所述运动管件沿其轴向反向运动；

在所述磁控阴极结构往复运动过程中对其通电，使所述磁控阴极结构发生辉光放电现象，最终将溅射靶体表面的金属粒子撞击出来，与反应气体结合形成涂层沉积在被镀气缸套内腔表面；在整个过程中，提前设定所述溅射阴极结构在真空溅射室内的运动速率，以实现气缸套内腔镀膜均匀。

本发明采用真空镀膜技术，通过所述运动控制机构驱动所述磁控阴极结构在气缸套内腔中往复运动，达到均匀溅射镀膜的目的，解决了现有固定式阴极结构无法对气缸套内表面完全均匀镀膜的问题；所述运动控制机构利用所述步进式电动机带动所述电机同步轮转动，通过所述传动同步带传动转矩给所述空芯同步轮，所述空芯同步轮内部有螺纹，与带螺纹的所述运动管件啮合，所述空芯同步轮转动时带动所述运动管件沿其轴向方向运动，从而使所述磁控阴极结构通过运动控制机构可以进入气缸套内腔进行往复运动，此过程中对所述溅射阴极结构，通过磁控反应，使所述磁控靶体表面的靶材离子化，呈中性的靶原子或分子沉积在气缸套内表面上成膜；二次电子在加速飞向气缸套表面的过程中在所述磁铁N极和所述磁铁S极形成的磁场作用下，受到磁场洛仑兹力的影响，被束缚在靠近所述溅射靶体表面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕溅射靶体表面作圆周运动，经过多次与所述溅射靶体的碰撞后，电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离溅射靶体，与反应气体反应，均匀附着在气缸套内腔，形成沉积化合物薄膜；

所述溅射靶体与所述屏蔽罩之间留有一定间隙，从而保证所述溅射靶体与所述屏蔽罩之间不发生放电；所述空芯同步轮设置有轴向定位销，防止所述空芯同步轮沿其轴向发生移动，保证其稳定的旋转运动；所述运动管件外壁上沿轴向设置有定位槽，所述真空溅射室顶部腔壁上固接有定位卡件，所述定位卡件一端置于所述定位槽内，当所述运动管件沿轴向运动时，所述定位卡件一端始终位于所述定位槽内，从而阻止所述运动管件发生旋转；所述气缸套支座由面板和支撑柱组成，所述面板上设置有若干个通孔，使反应气体能够进入到气缸套内腔中参与反应；所述真空溅射室底部设置有固定支架，所述固定支架上设置有多个所述固定支座，并且所述固定支座分别匹配设置有磁控阴极结构和运动控制机构，从而实现对多个气缸套进行镀膜，并且互不影响，提升工作效率；

本发明采用真空反应磁控溅射镀膜的方法对气缸套内表面进行镀膜，从而使气缸套内表面具有更好的耐高温和耐磨性能；不仅能够实现气缸套内表面全覆盖镀膜，而且还能够实现均匀镀膜。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明结构示意图；

图2附图为本发明运动控制机构结构示意图；

图3附图为本发明溅射阴极结构示意图；

图4附图为本发明气缸套支座结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置及方法，采用真空反应磁控溅射镀膜的方法对气缸套内表面进行镀膜，从而使气缸套内表面具有更好的耐高温和耐磨性能；不仅能够实现气缸套内表面全覆盖镀膜，而且还能够实现均匀镀膜。

一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，包括：真空溅射室17、气缸套支座18、磁控阴极结构和运动控制机构；气缸套支座18固定于真空溅射室17底部；运动控制机构安装于真空溅射室17顶部，并与磁控阴极结构连接对其驱动；

磁控阴极结构包括：溅射靶体1、磁铁S极3、磁铁N极4、阴极座5、绝缘板6、外屏蔽罩2、阴极支撑板22、冷却水道14、电极线15；溅射靶体1与阴极座5一端固定密封连接，并且磁铁S极3和磁铁N极4均位于阴极座5的圆柱空腔内；阴极座5另一端通过绝缘板6与阴极支撑板22密封连接；外屏蔽罩2与阴极支撑板22边缘处连接，并将阴极座5、磁铁N极4、磁铁S极3和溅射靶体1罩于其内；冷却水道14与阴极座5空腔连通并形成回路；电极线15与阴极座5电性连接；

运动控制机构包括：步进式电机9、电机同步轮10、传动同步带11、空芯同步轮12、运动管件13、可伸缩金属波纹管7和电机支架8；其中电机支架8固定在真空溅射室17顶部的腔壁上，并将步进式电机9固定；步进式电动机9与电机同步轮10传动连接，电机同步轮10通过传动同步带11与空芯同步轮12传动连接；空芯同步轮12设置有内螺纹，运动管件13设置有与空芯同步轮内螺纹12匹配的外螺纹，空芯同步轮12套设在运动管件13外部，并通过螺纹连接；可伸缩金属波纹管7两端均焊接法兰，可伸缩金属波纹管7一端法兰与真空溅射室17顶部腔壁相连，另一端法兰与阴极支撑板22焊接，并且运动管件13一端也与阴极支撑板22连接；冷却水道14和电极线15均位于可伸缩金属波纹管7内。

为了进一步优化上述技术方案，真空溅射室17设置有真空抽气口23和反应气体进口24。

为了进一步优化上述技术方案，磁铁N极4为环形，磁铁S极3为柱形，并且磁铁N极4、磁铁S极3、溅射靶体1和阴极座5构成闭合磁路；其中磁铁N极4和磁铁S极3采用永久磁铁，阴极座5采用高饱和磁化强度材料制造。

为了进一步优化上述技术方案，溅射靶体1与屏蔽罩2之间留有一定间隙，从而保证溅射靶体1与屏蔽罩2之间不发生放电。

为了进一步优化上述技术方案，空芯同步轮12设置有轴向定位销20，防止空芯同步轮12沿其轴向发生移动，保证其稳定的旋转运动。

为了进一步优化上述技术方案，运动管件13外壁上沿轴向设置有定位槽25，真空溅射室17顶部腔壁上固接有定位卡件21，定位卡件21一端置于定位槽内25，当运动管件13沿轴向运动时，定位卡件21一端始终位于定位槽25内，从而阻止运动管件13发生旋转。

为了进一步优化上述技术方案，气缸套支座18由面板26和支撑柱27组成，面板26上设置有若干个通孔28，使反应气体能够进入到气缸套16内腔中。

为了进一步优化上述技术方案，阴极座5与绝缘板6之间、绝缘板6与阴极座支撑板22之间、溅射靶体1与阴极座5之间、可伸缩金属波纹管7一端法兰与真空溅射室17顶部的腔壁之间均设置有真空密封圈19。

为了进一步优化上述技术方案，真空溅射室17底部设置有固定支架，固定支架上设置有多个固定支座18，并且固定支座18分别匹配设置有磁控阴极结构和运动控制机构，从而实现对多个气缸套16进行镀膜，并且互不影响，提升工作效率。

一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜方法，包括以下工序：

首先，对气缸套16表面进行超声波清洗、脱水、烘干的一系列准备工作；

然后，根据镀膜类型选择磁控阴极结构上溅射靶体1的靶材；

开始镀膜时，启动步进式电机9，步进式电机9带动电机同步轮10转动，通过传动同步带11传动转矩给空芯同步轮12，空芯同步轮12内部有螺纹，与带螺纹的运动管件13啮合，空芯同步轮12转动时带动运动管件13沿其轴向方向运动，在行进一段距离后，步进式电机9反转，使运动管件13沿其轴向反向运动；

在磁控阴极结构往复运动过程中对其通电，使磁控阴极结构发生辉光放电现象，最终将溅射靶体1表面的金属粒子撞击出来，与反应气体结合形成涂层沉积在被镀气缸套16内腔表面；在整个过程中，提前设定溅射阴极结构在真空溅射室17内的运动速率，以实现气缸套16内腔镀膜均匀。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，其特征在于，包括：真空溅射室、气缸套支座、磁控阴极结构和运动控制机构；所述气缸套支座固定于所述真空溅射室底部；所述运动控制机构安装于所述真空溅射室顶部，并与所述磁控阴极结构连接对其驱动；

所述磁控阴极结构包括：溅射靶体、磁铁S极、磁铁N极、阴极座、绝缘板、外屏蔽罩、阴极支撑板、冷却水道、电极线；所述溅射靶体与所述阴极座一端固定密封连接，并且所述磁铁S极和所述磁铁N极均位于所述阴极座的圆柱空腔内；所述阴极座另一端通过所述绝缘板与所述阴极支撑板密封连接；所述外屏蔽罩与所述阴极支撑板边缘处连接，并将所述阴极座、所述磁铁N极、所述磁铁S极和所述溅射靶体罩于其内；所述冷却水道与所述阴极座空腔连通并形成回路；所述电极线与所述阴极座电性连接；

所述运动控制机构包括：步进式电机、电机同步轮、传动同步带、空芯同步轮、运动管件、可伸缩金属波纹管和电机支架；其中所述电机支架固定在所述真空溅射室顶部的腔壁上，并将所述步进式电机固定；所述步进式电动机与所述电机同步轮传动连接，所述电机同步轮通过所述传动同步带与所述空芯同步轮传动连接；所述空芯同步轮设置有内螺纹，所述运动管件设置有与所述空芯同步轮内螺纹匹配的外螺纹，所述空芯同步轮套设在所述运动管件外部，并通过螺纹连接；所述可伸缩金属波纹管两端均焊接法兰，所述可伸缩金属波纹管一端法兰与所述真空溅射室顶部腔壁相连，另一端法兰与所述阴极支撑板焊接，并且所述运动管件一端也与所述阴极支撑板连接；所述冷却水道和所述电极线均位于所述可伸缩金属波纹管内。

2.根据权利要求1所述的一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述真空溅射室设置有真空抽气口和反应气体进口。

3.根据权利要求2所述的一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述磁铁N极为环形，所述磁铁S极为柱形，并且所述磁铁N极、所述磁铁S极、所述溅射靶体、所述阴极座构成闭合磁路；其中所述磁铁N极和所述磁铁S极采用永久磁铁，所述阴极座采用高饱和磁化强度材料制造。

4.根据权利要求3所述的一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述溅射靶体与所述屏蔽罩之间留有一定间隙。

5.根据权利要求4所述的一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述空芯同步轮设置有轴向定位销。

6.根据权利要求5所述的一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述运动管件外壁上沿轴向设置有定位槽，所述真空溅射室顶部腔壁上固接有定位卡件，所述定位卡件一端置于所述定位槽内。

7.根据权利要求6所述的一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述气缸套支座由面板和支撑柱组成，所述面板上设置有若干个通孔。

8.根据权利要求7所述的一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述阴极座与所述绝缘板之间、所述绝缘板与所述阴极座支撑板之间、所述溅射靶体与所述阴极座之间、所述可伸缩金属波纹管一端法兰与所述真空溅射室顶部的腔壁之间均设置有真空密封圈。

9.根据权利要求1-8所述的一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜装置，其特征在于，所述真空溅射室底部设置有固定支架，所述固定支架上设置有多个所述固定支座，并且所述固定支座分别匹配设置有磁控阴极结构和运动控制机构。

10.一种发动机气缸套内腔真空反应磁控溅射镀膜方法，其特征在于，包括以下工序：

首先，对气缸套表面进行超声波清洗、脱水、烘干的一系列准备工作；

然后，根据镀膜类型选择磁控阴极结构上溅射靶体的靶材；

开始镀膜时，启动步进式电机，步进式电机带动电机同步轮转动，通过传动同步带传动转矩给空芯同步轮，空芯同步轮内部有螺纹，与带螺纹的运动管件啮合，所述空芯同步轮转动时带动所述运动管件沿其轴向方向运动，在行进一段距离后，所述步进式电机反转，所述运动管件沿其轴向反向运动；

在所述磁控阴极结构往复运动过程中对其通电，使所述磁控阴极结构发生辉光放电现象，最终将溅射靶体表面的金属粒子撞击出来，与反应气体结合形成涂层沉积在被镀气缸套内腔表面；在整个过程中，提前设定所述溅射阴极结构在真空溅射室内的运动速率，以实现气缸套内腔镀膜均匀。