CN209307474U - 一种提高硬质涂层与基材结合力的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的装置，在原有物理气相沉积装置基础上，该装置由嵌入真空室腔壁的柱状弧源或平面弧源和置于其前面距离、位置可调的挡板，以及相应的独立供电电源组成。通过调整弧源、挡板、悬挂基材转架及真空室壁之间的电位，实现对弧源发射的等离子体及其所离化工作气体离子的分离、运动的有效控制，实现电子轰击加热、气体离子或弧源金属离子刻蚀清洗及金属离子注入，之后接续硬质涂层的物理气相沉积，本装置及工艺能够使基材表面清洗更加彻底，调控基材表面粗糙度，活化基材表面，有效提高了刀具、模具、机械关键零部件和锁具等产品表面硬质防护涂层与基体的结合力。

Description

一种提高硬质涂层与基材结合力的装置

技术领域

本实用新型涉及金属等基材表面防护、改性技术领域，尤其涉及真空镀膜技术领域。

背景技术

物理气相沉积(PVD)是原子或分子从气相中沉积到基体表面，包括蒸镀、溅射沉积、离子镀、脉冲激光沉积和扩散涂覆等工艺。切削刀具、模具、耐磨损零件等经物理气相沉积硬质涂层后，有效提高了其表面硬度、复合韧性、耐磨损性和化学稳定性能等，大幅度提高了工件的使用寿命。

硬质涂层与基体材料良好的结合是保证其使役性能的关键。但是，由于硬质涂层与基体材料的结构（晶格常数）、硬度以及热膨胀性能存在较大差异，二者之间往往存在较大的应力，导致结合性能较差，进而影响硬质涂层对基材的防护。基体的表面状态对附着力的影响很大。即使试样经过打磨、抛光、用酒精、丙酮清洗，但表面仍有一层污染层，将使所沉积硬质涂层不能和基体直接接触，扩散附着也不可能，从而附着性能极差。解决的方法是除对基片进行常规的前处理（机械研磨、抛光以及清洗）外，可以通过沉积硬质涂层之前真空室内对基材前处理、加热以及沉积过渡层来提高硬质涂层与基材的结合性能。

真空室内基材前处理是物理气相沉积技术中一个重要步骤，传统（常规采用）方法一般包括辉光放电清洗和弧光放电清洗两个过程。高能离子轰击基体表面可排除表面吸附的气体及有机物，同时还能在一定程度上增加表面的微观粗糙度，使沉积层的附着力增加。辉光放电是在低压气体如氩气或其他惰性气体通过100V到几千伏电流时形成的一种等离子体过程。通过控制电位差，实现等离子体（一般是惰性气体正离子）对基材的清洗。但是，传统辉光放电产生的离子能量较低，导致清洗效果不够理想，同时容易出现择优在尖端燃烧现象（即被称为天线效应）。此外，采用传统的辉光放电清理基材表面时的均匀性较差；弧光放电是通过电弧源发射金属离子，在偏压的作用下轰击基材，从而实现对其进行清洗的目标。弧光放电存在两个突出问题：一方面，由于电弧的高温蒸发，电弧源发射的等离子体中除了主要包含金属离子和电子外，同时还含有大量的金属靶液滴，即大颗粒，这将严重影响基材清洗质量并恶化后续沉积层包括结合力等性能。另一方面，在偏压的作用下，电弧源发射的金属离子的能量远高于惰性气体（工作气体）电离离子能量，不容易控制其对基材轰击的清洗效果，一些时候甚至给基材带来损伤。

此外，基体的温度也是影响物理气相沉积硬质涂层质量和使用性能的主要参数之一，其数值的高低影响硬质涂层的内应力和与基体的结合强度。合适（一般是较高的）温度有利于沉积向基体内扩散以及获得较高的沉积速率。常规对基材加热的方法是在真空室内安装加热体，以红外辐射的形式对基材进行加热升温。这一方法的问题在于加热效率较低，同时加热体占据真空室一定的空间，降低了真空室内的空间利用率。

最后，由于预沉积的硬质涂层与基材存在着晶格常数、硬度和热膨胀性能等的明显差别，导致二者之间出现较大的应力并显著降低了结合性能。由此，目前依旧难于获得厚度较大的硬质涂层。为了提高薄膜的附着性能，可以在硬质涂层与基体之间加入一种另外的材料如靶材金属层（性能在两者之间），通过中间过渡层来提高涂层与基体的结合力。但中间过渡层与基材依旧存在界面，导致对结合力的提高有限。

实用新型内容

为了解决现有硬质涂层与基体材料结合技术存在的问题，本实用新型提供了一种提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的装置。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种提高硬质涂层与基材结合力的装置，真空腔室内部安装弧源和挡板，弧源包括弧源靶和弧源阳极，弧源前方安装挡板，真空腔室中心处安装转架，弧源的电源负极端接在阴极弧源靶上，弧源的电源正极端接在装配在弧源附近的阳极上；独立的挡板电源及转架电源分别与挡板及转架连接，其中两个电源的另一极与真空腔室连接，弧源阳极、挡板、转架与真空腔室都为电位悬浮状态。

所述真空腔室为内切八边形，真空腔室内均匀排列安装1-4组弧源，弧源靶为平面弧源靶或柱形弧源靶，平面弧源靶前部安装平面挡板，柱形弧源靶前部安装弧形挡板。

所述平面挡板采用支撑方式与真空腔室内壁相连，并通过绝缘组件与真空腔室10电位绝缘，平面挡板的长度和宽度是平面弧源直径的2-3倍；所述弧形挡板采用悬挂方式与真空腔室内壁相连，并通过绝缘组件与真空腔室电位绝缘，弧形挡板的长度为柱弧的长度的1.1-1.5倍，宽度为柱弧直径的2-3倍。

所述平面挡板和弧形挡板由导电、高导热材料制成，平面挡板和弧形挡板表面涂覆2-10μm耐刻蚀SiC涂层，平面挡板和弧形挡板为2-4层结构，层与层之间交错重叠，层与层间距1-2mm，纵向相互重叠3-4mm，平面挡板和弧形挡板可以在10mm至100mm间调节与弧源靶面的距离。

所述弧源阳极为带有水冷的柱形结构，弧源阳极背向转架一侧设有阳极遮板。

所述弧源、挡板、转架之间接互相独立供电电源，电源采用双极脉冲，脉冲频率5-80kHz，占空比0.2-1.0。

本实用新型的提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的装置及工艺，具有节省空间、操作简单易行的特点，同时，本装置及工艺能够使基材表面清洗更加彻底，调控基材表面粗糙度，活化基材表面（细化基材表面晶粒），适用于各种金属基材，并且可以根据不同金属基材的特点选择不同的工艺，有效提高了刀具、模具、机械关键零部件和锁具等产品表面硬质防护涂层与基体的结合力。

附图说明

图1是提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的装置的原理示意图。

图2是电子加热过程的原理示意图。

图3是工作气体离子清洗过程的原理示意图。

图4是金属离子清洗过程的原理示意图。

图5是实施例一提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的外部结构图。

图6是实施例一提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的内部结构图。

图7是实施例二提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的外部结构图。

图8是实施例二提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的内部结构图。

图中：10、真空腔室，110、弧源靶，111、弧源阳极，12、挡板，13、转架，1110、平面弧源靶，14、阳极遮阳板，112、平面挡板，212、弧形挡板。

具体实施方式

本实用新型采用真空蒸镀、磁控溅射技术与电弧离子镀技术的原理如下：真空蒸发镀膜是在真空条件下，用蒸发器加热蒸发物质使之汽化，蒸发粒子流直接射向基片并在基片上沉积形成固态薄膜的技术。其主要优点是设备与工艺相对比较简单，可沉积非常纯净的膜层，也可制备具有特定结构和性质的膜层；磁控溅射技术的工作原理是：真空室内，通过放电将惰性气体如氩原子电离成氩离子和电子，在磁场作用和束缚下的电子增加了与氩原子的进一步碰撞并产生更多的氩离子和二次电子。氩离子在电场的作用下加速轰击金属靶材，溅射出大量的靶材原子并高速运动至基片表面成膜。该方法的优点是膜层质量高、结构致密、与基材附着力好。电弧离子镀技术是结合了蒸发与溅射技术而发展的一种PVD技术。在真空室内，金属靶材蒸发在气体放电中进行，通过碰撞和电子撞击形成气体和金属的离子，这些离子在电场作用下高速飞向衬底并形成涂层，其中金属离子的发射能量可达10～100eV。电弧离子镀的主要优点在于靶材的离化率高、涂层沉积速率快，所制备的涂层与衬底之间扩散结合具有良好的附着力，并且结构致密。

本实用新型涉及表面防护、改性领域，针对传统物理气相制备硬质涂层前处理过程及工艺存在的硬质涂层与基材结合力不足的问题，在原有物理气相沉积装置基础上，提出了一种提高物理气相沉积硬质涂层与基材结合力的装置和工艺。该装置由嵌入真空室腔壁的柱状/平面弧源和置于其前面距离、位置可调的挡板，以及相应的独立供电电源组成。其中，挡板为由导电、高导热材料制成，采用悬挂或支撑方式与真空室壁相连。通过调整弧源、挡板、悬挂基材转架及真空室壁之间的电位，实现对弧源发射的等离子体及其离化工作气体离子的有效控制。对应的工艺为常规前处理（机械研磨抛光、超声清洗、干燥、转架悬挂、抽真空）基础上的电子加热、气体离子/金属弧离子刻蚀清洗和金属离子注入，之后接续硬质涂层的物理气相沉积。

本实用新型的提高PVD硬质涂层与基材结合力的装置是通过弧源、挡板12、转架13之间的电位转换来控制等离子体中的电子或离子的输出，其中弧源、挡板、转架与真空腔室（接地端）都为电位悬浮状态，弧源放电过程中的阳极也与真空腔室（接地端）为电位悬浮，弧源阳极装配在弧源周边；本实用新型中的实施例结构示意图为简要图，部分部件并未画出（进出水冷管道、外接电极、弧源内部结构、转架传动结构、部分绝缘组件等），但不影响对本实用新型中结构阐述极说明。

参见图1，一种提高PVD硬质涂层与基材结合力的装置的原理图所示：该装置包括装配在真空腔室10的多组弧源，以及装配在弧源前方的挡板12，用于防止沉积硬质涂层前的污染；挡板12与弧源之间的距离、位置可调，转架13装配在真空腔室中心位置；其中弧源的电源负极端接在阴极弧源靶面110上，正极端接在装配在弧源附近的弧源阳极111上；独立的挡板电源及转架电源分别与挡板12及转架13接通，其中两个电源的另一极与真空腔室10（接地端）接通。

参见图2，电子加热过程的原理示意图所示：弧源电源在一定真空度下引弧发生弧光放电，放电过程中，电子将向周边的阳极运动，与此同时挡板电源的负极接在挡板12上（挡板上为负电），转架电源的正极接在转架13上（转架上为正电），带负电的挡板将加速电子向阳极运动，而电势较高的带正电的转架（转架电势远大于弧源阳极电势）将大量的吸收弧光放电过程中的电子，放电过程中受挡板阴极加速的高能电子轰击转架上的基材，基材表面温度上升。

参见图3，工作气体离子清洗（注入）过程的原理示意图所示：弧源电源在一定真空度下引弧发生弧光放电，放电过程中，电子将向周边的阳极运动，与此同时，挡板电源的负极接在挡板上（挡板上为负电），转架电源的负极接在转架上（转架为负电），带负电的挡板将加速电子向弧源的阳极运动，在运动过程中电子将对真空腔室内的工作气体进行激活离华，大量工作气体的离华后的离子在带负电的转架（转架电势大于带负电的挡板的电势）电场的作用下向转架运动，在电场的作用下离华的工作气体离子轰击基材表面，可对基材进行清洗。

工作气体离子注入的过程与工作气体离子清洗的原理相同，其工作气体的浓度及转架上施加的负极电势加大，使得离华的工作气体（碳离子、氮离子）以更高的能量轰击基材表面，并实现离子注入。

在电子加热过程及工作气体离子过程中，挡板都接负电，其主要作用为：一方面将弧光放电过程中迸射出的大颗粒及金属离子遮挡，沉积在挡板上，另一方面负极电势将加速电子向阳极运动。

参加图4，金属离子清洗（注入）过程的原理示意图所示：弧源电源在一定真空度下引弧发生弧光放电，放电过程中，电子将向周边的阳极运动，与此同时，挡板电源的正极接在挡板上（挡板上为正电），转架电源的负极接在转架上（转架为负电），带正电的挡板将放电过程中的电子及迸射出来的大颗粒吸收，同时将加速金属阳离子，加速的金属阳离子受带负电的转架的电场影响下，将加速电子向转架运动，在电场的作用下阳离子轰击基材表面，可对基材进行清洗。

金属离子注入的过程与金属离子清洗的原理相同，其真空度及转架上施加的负极电势加大，使得金属阳离子以更高的能力轰击基材表面，并实现离子注入。

在金属离子清洗（注入）过程中，挡板接正电，其主要作用为：一方面将弧光放电过程中迸射出的大颗粒遮挡沉积在挡板上并吸收电子，另一方面正极电势将加速阳离子向负极（转架）运动。

下面结合具体的实施例进行说明：

实施例1：当选用平面弧源时，沿真空室高度方向每组弧源应由2-4个弧源组成，以确保能够均匀覆盖整个真空室高度；当弧源为1组时，该组弧源位置应选取靠近真空室进气口。本实施例中，平面阴极弧的一种提高PVD硬质涂层与基材结合力的装置及工艺参见图5和图6所示：内切八边行的真空腔室10上装配由四组平面弧源靶，每组有3个弧源靶1110，其中弧源与真空腔室之间电位悬浮，其弧源阳极111装配在弧源靶1110周边，本实施例中弧源阳极111为带有水冷的柱形结构，为提高电子的行程，对背向转架方向的阳极进行了遮挡，阳极遮板14与真空腔室10、弧源阳极111之间电位悬浮。

弧源前面的平面挡板112均采用支撑方式与真空室壁相连，并通过绝缘组件实现电位绝缘。平面挡板112的尺寸为弧源的3倍，保挡板处于最远离弧源时的位置能够遮挡待镀基材。弧源前面的挡板由青铜制成，表面选择涂覆2-10μm耐刻蚀SiC涂层；本实施例中挡板为2层结构，层与层之间交错重叠补充，其中层与层间距2mm，纵向相互重叠4mm；弧源前面的挡板可通过支撑螺杆从10mm至100mm间调节与弧源靶面的距离。

当采用弧源为平面弧时，对单组弧源的每个弧源及对应挡板分别采用独立电源进行控制。弧源电源、挡板电源、转架电源为独立供电电源，供电电源采用双极脉冲，脉冲频率5-80kHz，占空比0.2-1.0。

基材可以是纯金属、合金和金属陶瓷等材料。下面以纺织机械钩针为例，对本装置下的TiN涂层的沉积对提升基材与涂层之间的结合力的工艺进行阐述。

将钩针进行喷砂-抛光-除蜡-除油-漂洗-烘干处理后，待用。将经过磨、抛及清洗之后的钩针放入真空室并悬挂于转架。电弧靶采用4组12只平面弧源靶1110，靶材纯度为99.99%Ti靶，在真空室内呈90度角排列。将挡板调节固定至Ti靶前30mm，关闭真空室并抽真空至本底真空4×10^-3Pa后，通入氩气并保持真空室工作压强0.05Pa；采用双极脉冲电源，频率为20kHz，占空比为50%。挡板接负极；转架电源电压设置为400V，转架接正极。接通12个电弧电源，电流均为80A，电压均为20V，首先采用电子轰击对基材加热30分钟，通过红外测温仪测量基材表面温度为400℃；提高氩气流量至真空室工作压强0.3Pa，保持挡板接负极，电压为150V，转架接负极，电压为400V，采用氩离子轰击对基材刻蚀清洗25分钟，随后挡板接正极，电压为150V，转架接负电，电压为200V，采用金属钛离子对基材刻蚀清洗10分钟，随后继续通入氩气并保持真空室压强在0.2Pa线性提高转架负电压（200V-800V，5分钟）并保持800v电压金属离子注入15分钟。随后挡板接正极电压50V，转架接负极，电压80V，沉积金属钛层10分钟。降低氩气流量，通入氮气，设定两者分压比为1：4，并保持真空室压强为0.2Pa，沉积氮化钛涂层40分钟。镀膜结束后，开启炉体循环冷热水系统对腔室进行冷却。循环水温度设置为20℃，工件在真空状态下随炉冷却至160℃以下取出。

钩针基体磨、抛和清洗后表面粗糙度Ra值为0.034微米，镀膜之后表面粗糙度Ra值为0.182微米；镀膜后基体表面硬度升至1872HV0.01，相较于未涂层时，使用寿命提升10倍。

说明：本装置中对基材的电子加热、气体离子清洗、气体离子注入、金属离子清洗、金属离子注入等前处理过程，可根据实际生产中不同的基材进行不同的工艺处理，其处理时间及工艺参数会相应的进行变化。

实施例2：柱形阴极弧的一种提高PVD硬质涂层与基材结合力的装置及工艺

参见图7和图8所示：内切八边行的真空腔室210上装配由四组柱形弧源靶，柱形弧源靶2110与真空腔室10之间电位悬浮，其弧源阳极111装配在弧源靶2110周边，本实施例中弧源阳极111为带有水冷的柱形结构，为提高电子的行程，对背向转架方向的阳极进行了遮挡，阳极遮板14与真空腔室10、弧源阳极111之间电位悬浮。

弧源前面的弧形挡板212均采用悬挂方式与真空室壁相连，并通过绝缘组件实现电位绝缘。挡板的尺寸宽度为弧源直径的3倍，长度为1.2倍，弧形挡板212由青铜制成，表面选择涂覆2-10μm耐刻蚀SiC涂层；本实施例中挡板为3层结构，层与层之间交错重叠补充，其中层与层间距2mm，纵向相互重叠4mm；弧源前面的挡板可通过固定腰型孔滑动从10mm至100mm间调节与弧源靶面的距离。

弧源电源、挡板电源、转架电源为独立供电电源，供电电源采用双极脉冲，脉冲频率5-80kHz，占空比0.2-1.0。

下面以H13模具钢的热铸铝汽车模具为例，对本装置下的TiAlN涂层的沉积对提升基材与涂层之间的结合力的工艺进行阐述。

模具进行抛光-除蜡-除油-漂洗-烘干处理后，待用。将经过磨、抛及清洗之后的模具放入真空室并悬挂于转架。电弧靶采用4只柱状纯度为99.99%TiAl靶，在真空室内90度均匀排列。将挡板调节固定至TiAl靶前25mm，关闭真空室并抽真空至本底真空4×10^-3Pa后，通入氩气并保持真空室工作压强0.3Pa；挡板电压调整至200V，挡板接负极；转架接正极，电源电压设置为500V。接通3个电弧电源（采用双极脉冲，频率为20kHz，占空比为80%），电流均为75A，电压均为20V，首先采用电子轰击对基材加热30分钟，通过红外测温仪测量基材表面温度为460℃；采用挡板接正极（200V），转架接负极（400V），调节真空室压强至0.02-0.5Pa，采用TiAl离子轰击基材刻蚀清洗30分钟；采用挡板接正极（200V），转架接负极（800V），继续通入氩气并保持真空室压强在0.1Pa，采用TiAl离子轰击注入基材20分钟；同时通入氩气和氮气并保持真空室压强在0.4Pa，工作气体和反应气体之间分压比为1：6。保持挡板接负极（200V），转架接负极（600V），采用氮离子轰击对基材注入15分钟；采用挡板接正极（200V），转架接负极（200V），继续同时通入氩气和氮气，设定两者分压比为1：4，并保持真空室压强为0.2Pa，弧源电源占空比调整为50%，沉积氮化钛铝涂层60分钟。涂层沉积结束后，开启炉体循环冷热水系统对腔室进行冷却。循环水温度设置为20℃，工件在真空状态下随炉冷却至180℃以下取出。

基体磨、抛和清洗后表面粗糙度Ra值为0.017微米，采用TiAl离子轰击刻蚀清洗30分钟后表面粗糙度Ra值为0.322微米，镀膜之后表面粗糙度Ra值为0.182微米；镀膜后基体表面硬度由481.99HV0.05升至1097.25HV0.05。

说明：本装置中对基材的电子加热、气体离子清洗、气体离子注入、金属离子清洗、金属离子注入等前处理过程，可根据实际生产中不同的基材进行不同的工艺处理，其处理时间及工艺参数会相应的进行变化。

本实用新型是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种提高硬质涂层与基材结合力的装置，其特征在于：真空腔室（10）内部安装弧源和挡板（12），弧源包括弧源靶（110）和弧源阳极（111），弧源前方安装挡板（12），真空腔室（10）中心处安装转架（13），弧源的电源负极端接在阴极弧源靶（110）上，弧源的电源正极端接在装配在弧源附近的阳极（111）上；独立的挡板电源及转架电源分别与挡板（12）及转架（13）连接，其中两个电源的另一极与真空腔室（10）连接，弧源阳极、挡板（12）、转架（13）与真空腔室（10）都为电位悬浮状态。

2.根据权利要求1所述的一种提高硬质涂层与基材结合力的装置，其特征在于：所述真空腔室（10）为内切八边形，真空腔室（10）内均匀排列安装1-4组弧源，弧源靶（110）为平面弧源靶（1110）或柱形弧源靶（2110），平面弧源靶（1110）前部安装平面挡板（112），柱形弧源靶（2110）前部安装弧形挡板（212）。

3.根据权利要求2所述的一种提高硬质涂层与基材结合力的装置，其特征在于：所述平面挡板（112）采用支撑方式与真空腔室（10）内壁相连，并通过绝缘组件与真空腔室（10）电位绝缘，平面挡板（112）的长度和宽度是平面弧源直径的2-3倍；所述弧形挡板（212）采用悬挂方式与真空腔室（10）内壁相连，并通过绝缘组件与真空腔室（10）电位绝缘，弧形挡板（212）的长度为柱弧的长度的1.1-1.5倍，宽度为柱弧直径的2-3倍。

4.根据权利要求2所述的一种提高硬质涂层与基材结合力的装置，其特征在于：所述平面挡板（112）和弧形挡板（212）由导电、高导热材料制成，平面挡板（112）和弧形挡板（212）表面涂覆2-10μm耐刻蚀SiC涂层，平面挡板（112）和弧形挡板（212）为2-4层结构，层与层之间交错重叠，层与层间距1-2mm，纵向相互重叠3-4mm，平面挡板（112）和弧形挡板（212）可以在10mm至100mm间调节与弧源靶面的距离。

5.根据权利要求2所述的一种提高硬质涂层与基材结合力的装置，其特征在于：所述弧源阳极（111）为带有水冷的柱形结构，弧源阳极（111）背向转架一侧设有阳极遮板（14）。

6.根据权利要求2所述的一种提高硬质涂层与基材结合力的装置，其特征在于：所述弧源、挡板（12）、转架（13）之间接互相独立供电电源，电源采用双极脉冲，脉冲频率5-80kHz，占空比0.2-1.0。