CN113073306A - 一种可批量化金属球表面均匀镀膜的方法 - Google Patents

一种可批量化金属球表面均匀镀膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可批量化金属球表面均匀镀膜的方法。所述方法包括如下步骤：金属球经表面清洁后置于镀膜球盘中，然后进行镀膜即可；在镀膜过程中，将金属球约束在镀膜球盘的流道内，并保持自由流动；镀膜球盘包括一盘体，盘体内设有若干同心的流道；流道的宽度为金属球直径的1.2～1.5倍。本发明采用的镀膜球盘的结构设计简单、精巧，辅以驱动程序控制，调试快捷，易于操作，可以实现球体高效批量镀膜；而且安装、拆卸方便，易于对镀膜样品盘清洗。

Description

一种可批量化金属球表面均匀镀膜的方法
技术领域
本发明涉及一种可批量化金属球表面均匀镀膜的方法，属于镀膜技术领域。
背景技术
轴承是各类机械设备中非常重要的零部件，球形滚动体是轴承的关键部件，对球形滚动体进行表面耐磨处理，可以减少球体运行磨损，可长时间保持轴承的运转精度 和性能，大幅提高轴承的使用寿命和可靠性，保证了各类机械装备的正常工作；同时 也降低了轴承的更换成本。因此，目前对轴承用的球形滚动体进行表面镀膜耐磨处理 的需求量非常大。
另外，目前的一类先进核能系统—加速器驱动洁净嬗变系统(ADS)对球形靶体 的表面处理也提出了非常迫切的需求。中科院近代物理研究所在目前国内外高功率散 裂中子源、第四代反应堆以及ADS研究成果的基础上，原创性地提出了一种高功率 颗粒流散裂靶设计，它是一种由大量的金属小球组成的流化固体靶，中子学性能好， 与结构材料兼容性好，可在重力诱导下连续流动；成为非常有应用潜力的散裂靶靶型。 但是，未来的高功率散裂靶对靶材料的耐磨性提出了非常高的要求。因此，对靶球表 面进行镀膜处理，增加靶球的耐磨性，延长靶球的服役寿命，成为ADS亟待解决的重 大科学工程问题之一。然而目前高功率散裂靶选用的靶球为Φ1mm的金属小球，用量 大于100吨(超过1010粒球)；因此如何实现对Φ1mm的小球表面进行批量处理，且 获得高质量、符合要求的膜层，这是一个巨大的挑战。
目前现有的球体表面镀膜技术均存在不足。如采用夹具法会在小球表面出现镀膜盲区，而且不适合批量处理，成本高(单颗球处理费用超过0.5元)；摩擦驱动法适合 于直径大于Φ5mm的球，对于Φ1mm的球则滚动不均匀，最终导致镀膜不均匀。因 此，急需发展一种低成本、可实现小球批量化、均匀镀膜的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可批量化金属球表面均匀镀膜的方法，通过本发明方法能够实现金属球(靶球)的批量、均匀镀膜，并降低镀膜成本，解决了目前利用等离 子体辅助气相沉积在Φ1mm靶球表面制备硬质耐磨涂层成本高、难以实现批量化、均 匀镀膜的技术问题。
本发明所提供的可批量化金属球表面均匀镀膜的方法，采用一特定结构的镀膜球盘，将金属球置于所述镀膜球盘中，在镀膜(如应用等离子体辅助气相沉积镀膜)过 程中，采用惯性驱动的方法，将金属球约束在固定的流道内，使金属球有序滚动，经 过一定的周期后，使金属球自由流动，更换流道，如此循环往复，根据不同的参数需 求(如镀膜功率要求、膜层沉积速率要求、厚度要求等)可以调节小球的滚动速度， 最终可实现靶球的批量、均匀镀膜，并降低镀膜成本。
具体地，本发明所提供的可批量化金属球表面均匀镀膜的方法包括如下步骤：
金属球经表面清洁后置于镀膜球盘中，然后进行镀膜即可；
在所述镀膜过程中，将所述金属球约束在所述镀膜球盘的流道内，并保持自由流动；
所述镀膜球盘包括一盘体，所述盘体内设有若干同心的所述流道，所述流道之间设有间距。
所述流道的宽度为所述金属球直径的1.2～1.5倍，以使所述金属球能够自由流动， 对于所述流道的高度没有特殊要求，这与所述金属球的大小以及转动速度有关。
所述镀膜球盘中，所述流道为等间距布置，该间距可根据具体情况进行调整，不影响镀膜效果。
所述金属球的直径为0.5～15mm，即本发明方法适用于对Φ0.5～15mm内的金属球进行批量镀膜；
所述金属球可为靶球。
上述的方法中，所述表面清洁包括如下步骤：酸洗、碱洗、酒精洗和/或丙酮洗。
上述的方法中，所述镀膜的方法可为下述任一种：
气相沉积法、离子注入法、等离子浸没注入法、磁控溅射法和阴极电弧沉积法。
具体地，采用气相沉积法进行镀膜时，将所述镀膜球盘安装于气相沉积设备的真空镀膜腔体内，将驱动电机通过真空旋转轴与所述镀膜球盘连接。
可设定驱动电机的运行程序，通过所述驱动电机控制所述镀膜球盘的运动方向和运动速度(具体的参数设置可根据所述金属球和所述镀膜球盘的尺寸设定)，利用运动 过程中产生的向心力和惯性，将所述金属球约束在固定的所述流道内。
另外，本发明方法还包括定期更换所述金属球所在所述流道的步骤，具体地，通过调节所述镀膜球盘的运动状态，使所述金属球进入其他流道，以实现不同区域的球 的位置互换，如提高转速使所述金属球脱离原来所在的流道，再降低转速，即可重新 分配流道；如此循环反复，保证镀膜过程中所有金属球可在整个镀膜球盘内不同位置 或区域遍历，最终实现所有金属球表面的均匀镀膜。
本发明提供的方法，可以在物理气相沉积镀膜过程中实现靶球集体均匀滚动，无堆积现象，最终可以实现靶球表面均匀镀膜；而且效率非常高，例如，尺寸为Φ15cm 的镀膜样品盘每批次可实现超过1万颗球(Φ1mm)表面镀膜，大幅的降低了镀膜成 本，有效解决了ADS系统颗粒流散裂靶工程化面临的关键问题之一。另外，本发明提 供的方法仍可进一步拓展，通过提高靶的功率、面积，并相应增加镀膜球盘的尺寸， 具有可实现每批次2万颗球(Φ1mm)镀膜的潜力，甚至更高。
本发明方法由于每批次镀膜小球数量多，几乎将镀膜球盘大部分面积遮盖，提高了靶材有效沉积面积，可以大部分沉积到金属球表面，而不是沉积到镀膜球盘表面或 夹具上面，可以明显的提高的靶材的使用效率，节约镀膜靶材。
本发明采用的镀膜球盘的结构设计简单、精巧，辅以驱动程序控制，调试快捷， 易于操作，可以实现球体高效批量镀膜；而且安装、拆卸方便，易于对镀膜样品盘清 洗。由于本发明方法省去了一些复杂的构件，镀膜过程中不易产生放电，镀膜质量高， 可以用于多种方法镀膜，如阴极弧、磁控溅射、等离子浸没注入、离子注入等技术方 法对小球进行表面处理。
附图说明
图1为本发明镀膜球盘的结构示意图。
图2为本发明镀膜球盘与真空旋转轴连接的示意图。
图3为本发明方法将靶球无堆积被约束在特定流道内稳定均匀流动的实物图。
图4为利用本发明方法在靶球表面镀膜的横截面。
图中各部件如下：
1盘体、2流道、3真空旋转轴、4镀膜球盘、5真空镀膜腔体。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1所示，为本发明提供的镀膜球盘的结构示意图，包括一个盘体1，盘体1 内设有多条(图中示出4条)同心的等距的流道2，流道2的宽度为靶球直径的1.2～1.5 倍，从而可使靶球在流道2内自由流动。
本实施例镀膜球盘适用于对Φ0.5～15mm内的靶球进行批量镀膜。
本实施例中，对于流道2的高度没有特殊要求，这与靶球的大小以及转动速度有关。
本实施例中，流道2之间的间距可根据具体情况进行调整，不影响镀膜效果。
本实施例，流道2均进行精密抛光处理。
采用本发明镀膜球盘进行批量镀膜时，可按照下述步骤进行：
首先将靶球进行表面洁净清洗，包括酸洗、碱洗、酒精、丙酮等步骤；将镀膜球 盘安装到气相沉积设备中，外部驱动电机通过真空旋转轴3与真空镀膜腔体5内的镀 膜球盘4连接，如图2所示。设定驱动电机运行程序，可控制镀膜球盘5的运动方向 和速度，具体的参数设置可根据需要镀膜球和球盘的尺寸设定。
镀膜前，将表面清洗好的一定量的靶球放置于镀膜球盘4内，保证靶球在镀膜球盘4内均匀平铺，不出现相互堆叠现象。镀膜过程中，由特定的电机程序控制镀膜球 盘4的运动，通过镀膜球盘4运动过程中产生的向心力和惯性及相应的流道将靶球约 束在固定的流道2内，最终实现靶球在固定通道内的连续稳定、均匀流动，效果如图 3所示，而且能够实现靶球集体均匀滚动，无堆积现象。
由于镀膜过程中，不同区域沉积膜层速率可能存在一定的差异(这主要是由于等离子体或靶蒸发不均匀造成的差异，目前的物理气相沉积和化学气相沉积镀膜都存在 的问题，差异的大小取决于设备和放电等离子体的稳定性)，因此，一段时间后，调节 镀膜球盘4的运动状态(可通过程序设定后自动调节，先后提高转速和降低转速)，使 靶球更换通道，以实现不同区域的球的位置互换；如此循环反复，保证镀膜过程中所 有靶球可在整个镀膜球盘4内不同位置或区域遍历，最终实现所有靶球表面的均匀镀 膜。
如图4所示，为利用本发明方法在靶球表面镀膜的横截面，可以看出，本发明方 法形成的镀膜均匀。
本发明方法可以在物理气相沉积镀膜过程中实现靶球集体均匀滚动，无堆积现象， 最终可以实现靶球表面均匀镀膜；而且效率非常高，例如，尺寸为Φ15cm的镀膜球盘每批次可实现超过1万颗球(Φ1mm)表面镀膜，大幅度的降低了镀膜成本，有效解 决了ADS系统颗粒流散裂靶工程化面临的关键问题之一。
另外，通过提高靶的功率、面积，并相应增加镀膜球盘的尺寸，具有可实现每批 次2万颗球(Φ1mm)镀膜的潜力，甚至更高。

Claims (10)

1.一种可批量化金属球表面均匀镀膜的方法，包括如下步骤：
金属球经表面清洁后置于镀膜球盘中，然后进行镀膜即可；
在所述镀膜过程中，将所述金属球约束在所述镀膜球盘的流道内，并保持自由流动；
所述镀膜球盘包括一盘体，所述盘体内设有若干同心的所述流道，所述流道之间设有间距。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述流道的宽度为所述金属球直径的1.2～1.5倍。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述流道为等间距布置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：所述金属球的直径为0.5～15mm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述表面清洁包括如下步骤：酸洗、碱洗、酒精洗和/或丙酮洗。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：所述镀膜的方法为下述任一种：
气相沉积法、离子注入法、等离子浸没注入法、磁控溅射法和阴极电弧沉积法。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：采用气相沉积法进行镀膜时，将所述镀膜球盘安装于气相沉积设备的真空镀膜腔体内，将驱动电机通过真空旋转轴与所述镀膜球盘连接。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：通过所述驱动电机控制所述镀膜球盘的运动方向和运动速度，利用运动过程中产生的向心力和惯性，将所述金属球约束在固定的所述流道内。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述方法还包括定期更换所述金属球所在所述流道的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：通过调节所述镀膜球盘的转速实现所述流道的更换。
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