CN1530459A - 真空纳米镀膜炉 - Google Patents

Abstract

本发明真空纳米镀膜炉属于材料领域表面改性的真空离子物理镀膜(PVD)技术和设备。本发明设备，可在工件表面实多种膜系的多层纳米膜复合镀层，可应用在改善材料表面的性能。本发明将装有不同的靶材的等离子枪、阴极弧靶和磁控溅射靶等多种离子发生源穿插或交叉安置于同一真空室内，应用不同离子源的不同特性，产生不同材料、不同晶格、不同功效的纳米单膜；在专用的工艺程序控制下，特殊设计的磁控溅射靶及阴极弧靶电源和电气控制系统，保证控制每层膜的晶粒尺寸与厚度，实现纳米膜的多层交叉叠加，并确保纳米膜与基体、及各纳米膜之间的良好结合，从而在材料表面形成各种性能良好的多层纳米膜复合镀层。多层纳米膜复合镀层克服了单层镀膜存在的晶粒长大、内应力大、易产生微裂纹，及与基体结合差等缺点，又产生材料的纳米尺寸效应，使镀层材料性能处于最佳状态。可以广泛应用于工、模具和特殊要求的零部件表面改性。

Description

真空纳米镀膜炉

一、技术领域    本发明专利真空纳米镀膜炉属于材料领域表面改性的真空离子物理镀膜(PVD)技术和设备。利用本发明专利设备，可在工件表面实现多种膜系的多层纳米膜复合镀层，用以改善材料表面的性能。

二、背景技术    自上世纪八十年代以来，以TiN(氮化钛，俗称“钛金”)为代表的提高工具性能的离子镀技术与装备，作为材料表面的改性技术之一，已在制造业中得到了广泛的应用。我国在上世纪八十年代末，开发了相关的真空镀膜炉设备和技术，目前主要用在装饰行业方面，工具行业也得到了一定的应用。

但随着制造业的发展，各种新材料的应用，对工具、模具及机械零件的性能，如硬度、耐磨性、耐蚀及抗氧化性等有更高的要求，以提高其加工效率、使用性能和寿命。目前国际上新的真空镀膜炉，能够进行碳氮化钛(TiCN)、氮铝钛(TiAlN)、氮化锆(ZrN)等化合物及类金刚石(DLC)等，比TiN性能更好的镀膜。例如Metaplas Ionon公司生产的MZR-373和MZR-323型阴极弧靶真空镀膜炉，主要生产TiAlN单层镀膜；德国CemeCon公司生产的CC800/9型磁控溅射靶真空镀膜炉，可以生产金刚石和其他多种单层镀膜。CemeCon公司已经有多层膜镀层产品，但仅是在TiAlN镀层外再镀一薄层Al₂O₃，形成所谓的TIALNOX“外壳”，改善了TiAlN镀膜的硬度和结构。

目前国内少数工具厂已进口真空镀膜炉进行TiAlN等镀膜生产，但因设备价格昂贵，应用受到了限制。一些外企在国内设镀膜中心开展刀具的TiAlN等镀膜业务，但其规模尚小。

国内已有多层复合膜生产的报道，西安交大与北京航空航天大学合作开发的“新型脉冲PCVD模具表面强化设备与技术”，可以生产多层复合膜。但其用的是等离子体化学气相沉积法(PCVD)，由于加工时温度相对较高等原因，它很难制备纳米量级的膜。

理论上讲，VI-V族金属元素及其碳化物、氮化物及其他化合物(见下表)膜层，在硬度、耐磨性、耐蚀及抗氧化性等方面各有特点。使用不同的离子源的真空镀膜炉，由于各种离子源的特性不同，其生产的镀膜品种也各有偏重。但不管何种真空镀膜炉，当其生产的单层膜厚度达到微米级时，由于膜层晶粒长大、内部应力大而易于产生微裂纹，与基体的结合强度减弱等方面的不足，限制充分发挥镀膜材料本身固有的性能。

研究表明，当膜厚度为20～50纳米左右时，由于材料晶体结构中点缺陷和线缺陷(位错)少，故其硬度和韧性等性能可达到材料本身最佳状态。另外，材料科学研究表明，当不同材料相互结合在一起时，其表面以原子、分子状态独立存在的晶体结构键联结将产生互相渗透。当厚度在10～40纳米左右的单层膜相互结合时，晶体结构键联结的相互渗透效果最佳，这种渗透将强化材料的性能。国际上已有关于多层纳米膜优化性能的研究报道，但尚未见有实现生产多层纳米膜复合镀层和相应的真空镀膜炉的报道。

氮化物	碳化物	碳氮化物	其他
				TiN	TiC	TiCN	TiB
CrN	CrC	CrCN	Al2O3
				ZrN	ZrC	ZrCN	类金刚石(DLC)
TaN	TaC	TiAlCN	MoO2
				TiAlN	WC
TiCrN

三、发明内容

1)技术问题

众所周知，多层膜复合镀层可以克服了单层镀膜存在的缺点，另外，最新科研结果更表明，复合镀层中的每层膜的厚度降低至几十纳米时，更可显示材料的纳米尺寸效应，使镀层材料性能处于最佳状态。

因此，研制一种能根据需要镀制不同材质、厚度可控制在纳米量级、并能保证纳米膜与基体间和各纳米膜之间有良好的结构键联结的多层纳米膜复合镀层的真空镀膜炉，是本发明的目标。

实现上述思想的主要技术问题在：可以同炉镀制不同材质的膜；控制每层膜的厚度在纳米量级；保证各纳米膜与基体间、膜层之间有良好的晶体结构键联结。

2)技术方案

要阻止单层膜继续增厚，改变后续沉积膜的晶粒结构是最直接的办法。通过将具有不同特性的等离子枪、阴极弧靶和磁控溅射靶等离子源置于同一台真空镀膜炉中，就可以实施不同材质、不同晶粒结构的镀膜。

采用的技术方案内容：

1、多种离子源共置：将装有不同靶材的等离子枪、磁控溅射靶和阴极弧靶等多种离子源置于同一真空室内的适当位置上，每个离子源都有其特定的功能，易于实现交叉镀制不同材料的膜；

2、特制的离子源电源和电气控制系统和工件转动架：保证按要求将工件依次镀膜、控制膜层厚度，使每层镀膜的厚度控制变得简单。

3、专门的工艺程序：工艺程序按工件镀层要求，控制工件在各镀膜区的停留时间、转动速度接受均匀镀膜，保证镀层间的结合强度。

3)效果

已制造了本发明真空纳米镀膜炉的试验炉，其生产的多层纳米膜复合镀层的纳米尺寸效应明显，下表以TiN+TiAlN组合的多层纳米膜复合镀层的维氏硬度(Hv)为例，与其他镀膜产品的比较：

                    各种镀膜的维氏硬度(Hv)

氮化钛TiN	氮化铝钛TiAlN	国际上报道的多层纳米膜(TiN+TiAlN)	本发明的多层纳米膜(TiN+TiAlN)
				2100-2300	2500-2800	2900-3500	3200

本发明真空纳米镀膜炉的试验炉生产的镀膜刀具，已在国内某工具厂作过切削试验，其切削效率和使用寿命比单层镀膜都有明显提高。

四、附图说明    图中1、真空室(炉体)，2、真空室门，3、视镜，4、磁控溅射靶或阴极弧靶，5、磁控溅射靶或阴极弧靶，6、阴极弧靶或磁控溅射靶，7、阴极弧靶或磁控溅射靶，8、骨架，9、等离子枪，10、工件转动架。

图中工件转动架(10)可以整体转动(公转)，其中的每个子架部分可单独转动(自转)。它们的转速可以分别控制。

五、具体实施方案    为实现本发明的技术思想，解决技术问题采用的方案如下：

1、本发明真空纳米镀膜炉装有三种离子源，炉顶部为等离子枪，炉体周围装有磁控溅射靶及阴极弧靶(见附图)。

2、不同金属靶材装在不同的位置上，每种离子源形成独立的镀膜区，在不同区域内产生不同金属离子，与反应气体在负偏压作用下，实现该种材料的镀膜。

3、可公、自转的工件转动架，公、自转速度可分别独立控制，可按工件尺寸调节每个工件在不同镀膜区的转动速度，保证工具表面镀膜均匀性。

4、专门设计的等离子枪、磁控溅射靶及阴极弧靶的电源和电气控制系统，使等离子枪、磁控溅射靶及阴极弧靶可同时或间歇进行镀膜，可控制每层膜的晶粒尺寸和镀膜速度。

5、靶前端都有可开关的挡板，可按要求对不同靶的镀膜时间进行控制，以控制纳米膜的厚度。

6、专门的工艺程序对工件转动架、各离子源的电源和电气控制系统进行操作，可保证纳米膜与基体间及纳米膜之间的良好结合，实现是要求的各种纳米膜厚度组合的多层纳米膜复合镀层。

本发明真空纳米镀膜炉是在传统真空镀膜炉基础上，在技术上有重大突破。试验结果表明，本发明真空纳米镀膜炉设计简单，制造方便。

不同的组合可形成多种多样膜系的多层纳米膜复合镀层，以满足不同的需求。本发明真空纳米镀膜炉中的磁控溅射靶因配备了专门设计的的电源和控制系统，具有较强的镀膜功能，原则上可以镀制各种材料的镀膜。因此，虽然镀层要求可以多种多样，但最终几乎总可以用本发明的设备和技术思想找到解决途径。

Claims (4)

1、一种装有多种离子发生源、可实现多层纳米膜复合镀层的真空纳米镀膜炉，其特征在于所述的装有不同的靶材的多种离子发生源，可穿插或交叉安置在同一真空室内，依靠专门的工艺程序对专设的离子源电源和电气系统的控制，可在材料表面形成多层纳米膜复合镀层，改善材料表面性能。

2、根据权利要求1所说的真空纳米镀膜炉，其特征是至少需要由等离子枪、阴极弧靶、磁控溅射靶三种离子源中的两种以上的离子源组成。

3、根据权利要求1、2所说的真空纳米镀膜炉，其特征是装有特制的工件传动架、离子源电源和电气控制系统，依靠它们将工件带进各离子源工作范围进行镀膜。

4、根据权利要求1、2、3所说的真空镀纳米膜炉，其特征是可根据要求使用专门的工艺程序对其工件转动架、各离子源的电源和电气控制系统进行操作，工件在各离子源工位上可实现不同的停留时间和转速，各离子源可以同时工作或间歇工作，实现不同材质和厚度的纳米膜交叉重叠组成的多层纳米膜复合镀层。

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