CN110423988A - 一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置 - Google Patents
一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110423988A CN110423988A CN201910798622.6A CN201910798622A CN110423988A CN 110423988 A CN110423988 A CN 110423988A CN 201910798622 A CN201910798622 A CN 201910798622A CN 110423988 A CN110423988 A CN 110423988A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- impressed current
- current anode
- stick
- ion plating
- workpiece
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000007733 ion plating Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 41
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 33
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 22
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 18
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- KRQUFUKTQHISJB-YYADALCUSA-N 2-[(E)-N-[2-(4-chlorophenoxy)propoxy]-C-propylcarbonimidoyl]-3-hydroxy-5-(thian-3-yl)cyclohex-2-en-1-one Chemical compound CCC\C(=N/OCC(C)OC1=CC=C(Cl)C=C1)C1=C(O)CC(CC1=O)C1CCCSC1 KRQUFUKTQHISJB-YYADALCUSA-N 0.000 claims description 7
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 claims description 7
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 claims description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 abstract description 21
- 230000005012 migration Effects 0.000 abstract description 5
- 238000013508 migration Methods 0.000 abstract description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000168 high power impulse magnetron sputter deposition Methods 0.000 abstract description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 21
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 6
- 229910001311 M2 high speed steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000010963 304 stainless steel Substances 0.000 description 3
- 229910000589 SAE 304 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- QRRWWGNBSQSBAM-UHFFFAOYSA-N alumane;chromium Chemical compound [AlH3].[Cr] QRRWWGNBSQSBAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UGACIEPFGXRWCH-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ti] Chemical compound [Si].[Ti] UGACIEPFGXRWCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UQZIWOQVLUASCR-UHFFFAOYSA-N alumane;titanium Chemical compound [AlH3].[Ti] UQZIWOQVLUASCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910019974 CrSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010037 TiAlN Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- QQHSIRTYSFLSRM-UHFFFAOYSA-N alumanylidynechromium Chemical compound [Al].[Cr] QQHSIRTYSFLSRM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000007888 film coating Substances 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0641—Nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
- C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
- C23C14/325—Electric arc evaporation
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明属于材料表面改性领域，涉及一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置。在电弧离子镀设备上部中心的法兰位置处接一根或两根以上辅助阳极棒，辅助阳极棒通过绝缘块与法兰绝缘，辅助阳极棒由紫铜制作，采用空心水冷，辅助阳极棒接辅助阳极电源正极，辅助阳极电源负极接真空室外壁。在镀膜过程中，真空室内产生的电子在辅助阳极电场力的作用下发生迁徙，在迁徙过程中将气体分子电离，极大提高真空室内的等离子体密度，可有效提高镀膜沉积效率和薄膜致密度。本发明不仅适用于工业广泛应用的电弧离子镀设备，而且对于离化率较高的各种离子镀及高功率脉冲磁控溅射等技术同样适用，可有效提高其等离子体密度。
Description
技术领域：
本发明属于材料表面改性领域，涉及一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置。
背景技术：
电弧离子镀技术由于其具有离化率高、沉积效率快、绕镀性好等优点，已在工、模具表面强化等领域发挥重要作用。但对于普通的工业生产型电弧离子镀设备而言，对于工件表面的镀膜沉积速率大多在1～3微米/小时范围内，这对于普通的钻头、铣刀等工具可满足要求，但对于磨损严重且承载较大的工件而言，如汽车用活塞环等，一般需要沉积20微米厚的CrN涂层，这就使得需要的镀膜时间延长到6小时以上，使得镀膜效率明显降低。
为了提高沉积效率，人们往往采用磁场来增加等离子体密度的方法。中国专利公开号CN103540900A(一种磁控电弧离子镀复合沉积工艺及沉积装置)提出在电弧离子镀装置中设置两套磁场发生装置，一套置于靶材后面，称为弧斑约束磁场发生装置，可加速弧斑运动速度；另一套磁场发生装置置于真空室外的等离子体传输通道外侧，可对等离子体进行聚焦，从而最终提高沉积效率，但是该方法需要专用的磁场发生装置及电源。中国专利公开号CN203174194U(一种多功能等离子体增强涂层系统)公开在靶材的正对面真空室壁上设置辅助阳极装置，使得镀膜过程中离化率提高，薄膜致密性提高，沉积效率有所改善。但需要指出的是，由于辅助阳极并非对称设置，这使得真空室内的电子运动路径往往从弧源一端运动到真空室的另一端，很有可能造成真空腔体内的等离子体密度分布不均匀，势必会对镀膜质量有影响。
因此，如何有效提高真空室内的等离子体密度并使其均匀分布，在保证镀膜质量的同时有效提高薄膜沉积速率仍是目前需要解决的一个重要问题。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，解决镀膜速率低等问题。
本发明的技术方案是：
一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，在电弧离子镀设备的中心位置设置辅助阳极棒，辅助阳极棒通过绝缘块与法兰绝缘，绝缘块与法兰之间、辅助阳极棒与绝缘块之间分别通过密封胶圈进行密封，辅助阳极棒采用空心水冷结构，辅助阳极棒接辅助阳极电源正极，辅助阳极电源负极接真空室外壁；工件转架的一端设置工件转架台，基体偏压电源的负极与工件转架台连接；在真空室的侧壁上，设置与工件转架上的工件相对应的弧源靶材。
所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，辅助阳极棒设置于立式电弧离子镀设备上部的中心位置，辅助阳极棒通过立式电弧离子镀设备的上部中心法兰处进行固定。
所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，辅助阳极棒设置于卧式电弧离子镀设备的中心位置，辅助阳极棒通过卧式电弧离子镀设备的左端或右端中心法兰处进行固定。
所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，辅助阳极棒的具体位置是固定于立式电弧离子镀设备上部中心的法兰端面，辅助阳极棒上部伸出法兰端面，并在辅助阳极棒的伸出部分设置接线柱与辅助阳极电源正极连接，辅助阳极棒下部伸入到真空室内，辅助阳极棒的底部与工件转架台距离50～150mm，辅助阳极棒的直径在30～200mm范围内。
所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，辅助阳极棒的具体位置是固定于卧式电弧离子镀设备的左端或右端中心法兰端面，辅助阳极棒伸出中心法兰端面，并在辅助阳极棒伸出法兰端面的一侧设置接线柱与辅助阳极电源正极连接，辅助阳极棒的另一侧伸入到真空室内，辅助阳极棒的另一侧尾部与工件转架台距离50～150mm，辅助阳极棒的直径在30～200mm范围内。
所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，工件分组对称设置于工件转架上，每组工件分层均匀排布。
所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，辅助阳极棒采用紫铜材料，或者采用导热及导电效果较好的无磁不锈钢材料。
所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，该装置的使用方法如下：
(1)将工件研磨并经镜面抛光，后在无水酒精中超声清洗10～30分钟，热风吹干后置于工件转架上；
(2)抽真空至真空室内真空度达到6×10-4Pa～1×10-2Pa时，通氩气、气压控制在0.2～1Pa之间；
(3)开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源，通过基体偏压电源对工件加负偏压-10V～-1000V范围，且偏压渐进式增加，对工件进行辉光清洗30～120分钟；
(4)调整Ar气流量，使真空室内气压调整为0.2～1.0Pa，同时开启弧源靶材，通过钛弧对工件沉积Ti过渡层1～5分钟；
(5)通过基体偏压电源调整基体偏压为-20～-600V范围，通氮气，调整气压为0.1～4.0Pa，同时开启辅助阳极电源，电源电压调整为10～180V，沉积TiN层，沉积时间为20～180分钟；
(6)沉积结束后，关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭辅助阳极电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。
本发明的核心思想是：
为了有效提高镀膜真空室内等离子体的密度及利用效率，在等离子体空间内合适位置施加正电位的方法，即设置辅助阳极，辅助阳极上施加正电位(正偏压)，而真空室外壁接地为0电位，这样电子在辅助阳极电场力的作用下优先朝着辅助阳极发生迁徙，而不是优先沉积到真空室壁上，在迁徙过程中将气体分子电离，极大提高真空室内的等离子体密度，从而有效提高镀膜沉积效率和薄膜致密度。而且，为了保证真空室内等离子体密度分布均匀性，将辅助设置在整个真空室的中心位置。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明采用在真空室内设置中心辅助阳极的方法，利用辅助阳极电场对电子的吸引作用，在电子迁徙过程中将气体分子或金属原子电离，可有效提高等离子体密度，并使得镀膜沉积速率大大提高。
2、本发明在真空室中心位置设置辅助阳极，辅助阳极相对于各个弧源距离基本相同，且电子向辅助阳极迁徙过程中的运动路径基本相同，使得整个真空室内的等离子体密度分布较为均匀，有利于整体镀膜质量的改善。
3、本发明采用在真空室内设置中心辅助阳极的方法，辅助阳极棒设置在设备真空室的中心位置，阳极棒配置相对简单，在真空室内所占空间相对合理，且对镀膜工件的装炉量及弧源数量的配置无明显不利影响。
附图说明
图1是本发明的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置示意图。
图中，1基体偏压电源；2工件转架台；3工件转架；4弧源靶材；5真空室；6工件；7辅助阳极棒；8法兰；9绝缘块；10辅助阳极电源。
具体实施方式：
如图1所示，本发明是通过在设备的中心位置设置辅助阳极棒7，辅助阳极棒7通过绝缘块9与法兰8绝缘，绝缘块9与法兰8之间、辅助阳极棒7与绝缘块9之间分别通过密封胶圈进行密封，辅助阳极棒7由紫铜制作，采用空心水冷，辅助阳极棒7接辅助阳极电源10正极，辅助阳极电源10负极接真空室5外壁；工件转架台2位于设备的底部，工件转架台2上设置若干工件转架3，基体偏压电源1的负极与工件转架台2连接，基体偏压电源1的正极接真空室5外壁并接地。在真空室5的侧壁上，设置与工件转架3上的工件6相对应的弧源靶材4。
本发明的弧源靶材4采用金属纯钛靶(或其它纯金属，如：铬、锆、铝等；或合金靶材，如：钛铝、钛硅、铝铬、铝铬硅等)，将工件6(304不锈钢样片)研磨并经镜面抛光，后在无水酒精中超声清洗20分钟，热风吹干后分组对称放置于工件转架3上，每组工件6分层均匀排布。抽真空至真空室5内真空度达到6×10-4Pa～1×10-2Pa时，通氩气、气压控制在0.2～1Pa之间，开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源(含义是采用弧光放电使其产生电子，电子将通入的惰性气体(一般为氩气)电离，且在工件转架台上施加负偏压，进一步产生辉光放电，该刻蚀源的最大优势是利用弧光放电产生的点子进一步增强辉光放电效果)，通过基体偏压电源1对工件6加负偏压-10V～-1000V范围，且偏压渐进式增加，对工件进行辉光清洗30～120分钟；然后调整Ar气流量，使真空室内气压调整为0.2～1.0Pa，同时开启金属纯钛靶(或其它纯金属，如：铬、锆、铝等；或合金靶材，如：钛铝、钛硅、铝铬、铝铬硅等)，通过钛弧对工件6沉积Ti过渡层1～5分钟；通过基体偏压电源1调整基体偏压为-20～-600V范围，通氮气，调整气压为0.1～4.0Pa，同时开启辅助阳极电源10，电源电压调整为10～180V，沉积TiN层，沉积时间为20～180分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭辅助阳极电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。
本发明中，辅助阳极棒7可设置于立式电弧离子镀设备上部的中心位置，辅助阳极棒7通过设备的上部中心法兰处进行固定，辅助阳极棒7与法兰通过绝缘块9绝缘，且用密封胶圈进行密封。辅助阳极棒7的具体位置是固定于立式电弧离子镀设备上部中心的法兰8端面，辅助阳极棒7上部伸出法兰8端面，并在辅助阳极棒7的伸出部分设置接线柱与辅助阳极电源10正极连接，辅助阳极棒7下部伸入到真空室5内，辅助阳极棒7的底部与工件转架台2距离50～150mm，辅助阳极棒7的直径在30～200mm范围内。
本发明中，辅助阳极棒7可设置于卧式电弧离子镀设备的中心位置，辅助阳极棒7通过设备的左端或右端中心法兰处进行固定，辅助阳极棒与法兰通过绝缘块绝缘，且用密封胶圈进行密封。辅助阳极棒的具体位置是固定于卧式电弧离子镀设备的左端或右端中心法兰端面，辅助阳极棒伸出中心法兰端面，并在辅助阳极棒伸出法兰端面的一侧设置接线柱与辅助阳极电源正极连接，辅助阳极棒的另一侧伸入到真空室内，辅助阳极棒的另一侧尾部与工件转架台距离50～150mm，辅助阳极棒的直径在30～200mm范围内。
本发明中，辅助阳极棒还可采用导热及导电效果较好的无磁不锈钢等材料制作。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，将尺寸为20×20×3mm的工件304不锈钢片研磨、抛光、超声清洗及吹干后，置于立式电弧离子镀装置的工件转架上。如图1所示，电弧离子镀装置主要包括：真空室5、工件转架台2、工件转架3、工件6、基体偏压电源1、弧源靶材4、设备上部中心法兰8、辅助阳极棒7、绝缘块9及辅助阳极电源10等，具体结构如下：
真空室5内底部设置工件转架台2，工件转架台2上设置工件转架3，真空室5的侧壁设置弧源靶材4，并在设备上部中心位置处设置法兰8，法兰8处接一根或两根以上辅助阳极棒7，辅助阳极棒7由紫铜制作，空心水冷，外径为50mm，辅助阳极棒7通过绝缘块9与上部中心法兰8绝缘，辅助阳极棒7上部伸出上部中心法兰8约50mm，并设置接线柱，接线柱与辅助阳极电源10正极连接，辅助阳极棒7下部伸入到真空室5中，并距离工件转架台2大约70mm。
弧源靶材4采用金属纯钛靶，将工件304不锈钢样片研磨并经镜面抛光，后在无水酒精中超声清洗20分钟，热风吹干后置于工件转架上。抽真空至真空室内真空度达到4×10-3Pa时，通氩气、气压控制在0.5Pa，开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源，通过基体偏压电源1对工件加负偏压-10V～-300V范围，且偏压渐进式增加，对工件进行辉光清洗120分钟；然后调整Ar气流量，使真空室内气压调整为0.5Pa，同时开启金属纯钛靶产生钛弧，弧流为70A，对工件5沉积Ti过渡层3分钟；通过基体偏压电源1调整基体脉冲负偏压为-120V，占空比为40％，通氮气，调整气压为1.5Pa，调整金属纯钛靶弧流为120A，同时开启辅助阳极电源，电源电压调整为+30V，沉积TiN层，沉积时间为120分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭辅助阳极电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。
所沉积TiN薄膜的厚度为8.2微米，薄膜沉积速率约4.1微米/小时，显微硬度为25GPa，膜基结合强度为80N。
实施例2
本实施例中，将尺寸为20×14×3mm的工件M2高速钢片研磨、抛光、超声清洗及吹干后，立式置于电弧离子镀装置的工件转架上。与实施例1不同的是，本实施例中采用卧式电弧离子镀设备，辅助阳极棒外径为80mm，辅助阳极棒距离工件转架台为120mm。
弧源靶材采用Ti30Al70at.％合金靶(原子百分比)，将处理好的工件M2高速钢样片置于工件转架上。抽真空至真空室内真空度达到8×10-3Pa时，通氩气、气压控制在0.6Pa，开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源，通过基体偏压电源对工件加负偏压-10V～-250V范围，且偏压渐进式增加，对工件进行辉光清洗110分钟；然后调整Ar气流量，使真空室内气压调整为0.4Pa，同时开启弧源靶材产生铝钛弧，弧流设定为80A，对工件沉积AlTi过渡层4分钟；通过基体偏压电源调整基体脉冲负偏压为-100V，占空比为35％，通氮气，调整气压为2.5Pa，调整铝钛合金靶材弧流为110A，同时开启辅助阳极电源，电源电压调整为+40V，沉积AlTiN层，沉积时间为90分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭辅助阳极电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。
所沉积AlTiN薄膜的厚度为9.3微米，薄膜沉积速率约6.2微米/小时，显微硬度为22GPa，膜基结合强度为88N。
实施例3
本实施例中，将尺寸为20×16×3mm的工件M2高速钢片研磨、抛光、超声清洗及吹干后，立式置于电弧离子镀装置的工件转架上。与实施例1不同的是，本实施例中采用卧式电弧离子镀设备，辅助阳极棒外径为100mm，辅助阳极棒距离工件转架台为90mm。
弧源靶材采用Al67Cr33at.％(原子百分比)合金靶，将处理好的工件M2高速钢样片置于工件转架上。抽真空至真空室内真空度达到7×10-3Pa时，通氩气、气压控制在0.8Pa，开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源，通过基体偏压电源对工件加负偏压-10V～-260V范围，且偏压渐进式增加，对工件进行辉光清洗100分钟；然后调整Ar气流量，使真空室内气压调整为0.3Pa，同时开启弧源靶材产生铝铬弧，弧流设定为85A，对工件沉积AlCr过渡层5分钟；通过基体偏压电源调整基体脉冲负偏压为-80V，占空比为55％，通氮气，调整气压为2.2Pa，调整铝铬合金靶材弧流为120A，同时开启辅助阳极电源，电源电压调整为+50V，沉积AlCrN层，沉积时间为90分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭辅助阳极电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。
所沉积AlCrN薄膜的厚度为8.6微米，薄膜沉积速率约5.3微米/小时，显微硬度为32GPa，膜基结合强度为94N。
实施例4
本实施例中，将尺寸为15×15×5mm的工件YG6硬质合金刀片研磨、抛光、超声清洗及吹干后，立式置于电弧离子镀装置的工件转架上。与实施例1不同的是，本实施例中采用立式电弧离子镀设备，辅助阳极棒外径为120mm，辅助阳极棒距离工件转架台为100mm。
弧源靶材采用Al60Cr30Si10at.％(原子百分比)合金靶，将处理好的工件YG6硬质合金刀片置于工件转架上。抽真空至真空室内真空度达到3×10-3Pa时，通氩气、气压控制在0.4Pa，开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源，通过基体偏压电源对工件加负偏压-10V～-180V范围，且偏压渐进式增加，对工件进行辉光清洗80分钟；然后调整Ar气流量，使真空室内气压调整为0.7Pa，同时开启弧源靶材产生铝铬硅弧，弧流设定为80A，对工件沉积AlCrSi过渡层5分钟；通过基体偏压电源调整基体脉冲负偏压为-60V，占空比为50％，通氮气，调整气压为2.5Pa，调整铝铬硅合金靶材弧流为100A，同时开启辅助阳极电源，电源电压调整为+35V，沉积AlCrSiN层，沉积时间为60分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭辅助阳极电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。
所沉积AlCrSiN薄膜的厚度为5.7微米，薄膜沉积速率约5.7微米/小时，显微硬度为37GPa，膜基结合强度为89N。
实施例结果表明，采用本发明在镀膜过程中，真空室内产生的电子在辅助阳极电场力的作用下发生迁徙，在迁徙过程中将气体分子电离，极大提高真空室内的等离子体密度，可有效提高镀膜沉积效率和薄膜致密度。本发明不仅适用于工业广泛应用的电弧离子镀设备，而且对于离化率较高的各种离子镀及高功率脉冲磁控溅射等技术同样适用，可有效提高其等离子体密度。
Claims (8)
1.一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，其特征在于，在电弧离子镀设备的中心位置设置辅助阳极棒，辅助阳极棒通过绝缘块与法兰绝缘，绝缘块与法兰之间、辅助阳极棒与绝缘块之间分别通过密封胶圈进行密封，辅助阳极棒采用空心水冷结构，辅助阳极棒接辅助阳极电源正极，辅助阳极电源负极接真空室外壁；工件转架的一端设置工件转架台，基体偏压电源的负极与工件转架台连接；在真空室的侧壁上，设置与工件转架上的工件相对应的弧源靶材。
2.按照权利要求1所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，其特征在于，辅助阳极棒设置于立式电弧离子镀设备上部的中心位置，辅助阳极棒通过立式电弧离子镀设备的上部中心法兰处进行固定。
3.按照权利要求1所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，其特征在于，辅助阳极棒设置于卧式电弧离子镀设备的中心位置，辅助阳极棒通过卧式电弧离子镀设备的左端或右端中心法兰处进行固定。
4.按照权利要求1所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，其特征在于，辅助阳极棒的具体位置是固定于立式电弧离子镀设备上部中心的法兰端面，辅助阳极棒上部伸出法兰端面，并在辅助阳极棒的伸出部分设置接线柱与辅助阳极电源正极连接，辅助阳极棒下部伸入到真空室内，辅助阳极棒的底部与工件转架台距离50～150mm，辅助阳极棒的直径在30～200mm范围内。
5.按照权利要求1所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，其特征在于，辅助阳极棒的具体位置是固定于卧式电弧离子镀设备的左端或右端中心法兰端面，辅助阳极棒伸出中心法兰端面，并在辅助阳极棒伸出法兰端面的一侧设置接线柱与辅助阳极电源正极连接，辅助阳极棒的另一侧伸入到真空室内，辅助阳极棒的另一侧尾部与工件转架台距离50～150mm，辅助阳极棒的直径在30～200mm范围内。
6.按照权利要求1所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，其特征在于，工件分组对称设置于工件转架上，每组工件分层均匀排布。
7.按照权利要求1所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，其特征在于，辅助阳极棒采用紫铜材料，或者采用导热及导电效果较好的无磁不锈钢材料。
8.一种权利要求1至7之一所述的配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置，其特征在于，该装置的使用方法如下：
(1)将工件研磨并经镜面抛光，后在无水酒精中超声清洗10～30分钟，热风吹干后置于工件转架上；
(2)抽真空至真空室内真空度达到6×10-4Pa～1×10-2Pa时，通氩气、气压控制在0.2～1Pa之间；
(3)开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源，通过基体偏压电源对工件加负偏压-10V～-1000V范围，且偏压渐进式增加，对工件进行辉光清洗30～120分钟；
(4)调整Ar气流量，使真空室内气压调整为0.2～1.0Pa，同时开启弧源靶材，通过钛弧对工件沉积Ti过渡层1～5分钟；
(5)通过基体偏压电源调整基体偏压为-20～-600V范围，通氮气，调整气压为0.1～4.0Pa，同时开启辅助阳极电源，电源电压调整为10～180V，沉积TiN层，沉积时间为20～180分钟；
(6)沉积结束后，关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭辅助阳极电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910798622.6A CN110423988A (zh) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | 一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910798622.6A CN110423988A (zh) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | 一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110423988A true CN110423988A (zh) | 2019-11-08 |
Family
ID=68417808
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910798622.6A Pending CN110423988A (zh) | 2019-08-27 | 2019-08-27 | 一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110423988A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110468379A (zh) * | 2019-08-27 | 2019-11-19 | 中国科学院金属研究所 | 一种配置热丝的电弧离子镀膜装置 |
| CN111020515A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-04-17 | 兰州广合新材料科技有限公司 | 非超高真空环境离子镀膜制备低氧含量易氧化薄膜的装置及方法 |
| CN112030105A (zh) * | 2020-08-29 | 2020-12-04 | 扬州大学 | 一种空压机转子表面AlCrNx涂层的制备方法 |
| CN113660759A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-11-16 | 合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室) | 一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源 |
| CN114411099A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-29 | 广东鼎泰高科技术股份有限公司 | 一种真空镀膜系统及镀膜方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203174194U (zh) * | 2012-11-12 | 2013-09-04 | 广东世创金属科技有限公司 | 一种多功能等离子体增强涂层系统 |
| CN103540900A (zh) * | 2013-10-22 | 2014-01-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种磁控电弧离子镀复合沉积工艺和沉积装置 |
| CN108977781A (zh) * | 2018-07-28 | 2018-12-11 | 华南理工大学 | 一种硬质合金表面磁控溅射复合技术沉积w-n硬质膜的方法 |
| CN210974854U (zh) * | 2019-08-27 | 2020-07-10 | 中国科学院金属研究所 | 一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置 |
-
2019
- 2019-08-27 CN CN201910798622.6A patent/CN110423988A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN203174194U (zh) * | 2012-11-12 | 2013-09-04 | 广东世创金属科技有限公司 | 一种多功能等离子体增强涂层系统 |
| CN103540900A (zh) * | 2013-10-22 | 2014-01-29 | 中国科学院金属研究所 | 一种磁控电弧离子镀复合沉积工艺和沉积装置 |
| CN108977781A (zh) * | 2018-07-28 | 2018-12-11 | 华南理工大学 | 一种硬质合金表面磁控溅射复合技术沉积w-n硬质膜的方法 |
| CN210974854U (zh) * | 2019-08-27 | 2020-07-10 | 中国科学院金属研究所 | 一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| YING KONG等: "Microstructure and mechanical properties of Ti-Al-Cr-N films: Effect of current of additional anode", 《APPLIED SURFACE SCIENCE》, vol. 483, pages 1059 * |
| 王浩: "阳极真空电弧镀膜方法及其应用", 《真空与低温》, pages 228 * |
| 赵彦辉;史文博;刘忠海;赵升升;王铁钢;于宝海;: "沉积工艺参数对电弧离子镀薄膜沉积速率影响的研究进展", 真空与低温, vol. 26, no. 05, pages 385 - 391 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110468379A (zh) * | 2019-08-27 | 2019-11-19 | 中国科学院金属研究所 | 一种配置热丝的电弧离子镀膜装置 |
| CN111020515A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-04-17 | 兰州广合新材料科技有限公司 | 非超高真空环境离子镀膜制备低氧含量易氧化薄膜的装置及方法 |
| CN111020515B (zh) * | 2020-01-13 | 2024-05-31 | 兰州广合新材料科技有限公司 | 非超高真空环境离子镀膜制备低氧含量易氧化薄膜的装置及方法 |
| CN112030105A (zh) * | 2020-08-29 | 2020-12-04 | 扬州大学 | 一种空压机转子表面AlCrNx涂层的制备方法 |
| CN113660759A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-11-16 | 合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室) | 一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源 |
| CN113660759B (zh) * | 2021-08-12 | 2023-12-22 | 合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室) | 一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源 |
| CN114411099A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-29 | 广东鼎泰高科技术股份有限公司 | 一种真空镀膜系统及镀膜方法 |
| CN114411099B (zh) * | 2021-12-30 | 2023-12-08 | 广东鼎泰高科技术股份有限公司 | 一种真空镀膜系统及镀膜方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110423988A (zh) | 一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置 | |
| US6113752A (en) | Method and device for coating substrate | |
| US4992153A (en) | Sputter-CVD process for at least partially coating a workpiece | |
| JP5448232B2 (ja) | 物体を前処理及びコーテイングするための装置及び方法 | |
| JP5291086B2 (ja) | 真空アーク蒸発源、及び真空アーク蒸発源を有するアーク蒸発チャンバ | |
| CN108396295B (zh) | 曲面磁控溅射阴极、闭合磁场涂层磁控溅射设备及其应用方法 | |
| CN109778136B (zh) | 采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法 | |
| CN107022761A (zh) | 基于类金刚石薄膜的复合厚膜及其镀膜方法 | |
| CN203174194U (zh) | 一种多功能等离子体增强涂层系统 | |
| CN101698934B (zh) | 一种中空阴极电弧离子镀涂层系统 | |
| CN104213076A (zh) | Pvd与hipims制备超硬dlc涂层方法及设备 | |
| CN210065893U (zh) | 一种自清洁刻蚀阳极装置 | |
| CN107338409B (zh) | 可调控磁场电弧离子镀制备氮基硬质涂层的工艺方法 | |
| CN111519151A (zh) | 一种多元硬质涂层及其电磁增强磁控溅射制备工艺 | |
| CN201169620Y (zh) | 弧光离子源增强磁控溅射装置 | |
| WO2005089272A2 (en) | Pulsed cathodic arc plasma source | |
| CN103276362B (zh) | 多级磁场直管磁过滤与脉冲偏压复合的电弧离子镀方法 | |
| CN105200381A (zh) | 阳极场辅磁控溅射镀膜装置 | |
| CN106119784B (zh) | 一种Ti-Al-Mo-N多组元硬质梯度膜及其制备方法和应用 | |
| CN206494965U (zh) | 多功能真空离子镀膜机 | |
| CN210974853U (zh) | 一种配置热丝的电弧离子镀膜装置 | |
| CN114481025A (zh) | 一种ta-C沉积镀膜方法 | |
| CN210974854U (zh) | 一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置 | |
| CN110468379A (zh) | 一种配置热丝的电弧离子镀膜装置 | |
| CN109136865A (zh) | 一种电弧离子镀装置及沉积硬质涂层工艺 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |