CN210085563U - 一种可制备硬质涂层的真空镀膜设备 - Google Patents

Abstract

一种可制备硬质涂层的真空镀膜设备，解决现有技术存在的靶材直径小，弧光不够细腻，溅射颗粒大，膜层均匀性差，涂层与基体的结合强度和韧性低，耐高温抗氧化能力弱的问题。包括内部设置有工件旋转架的真空室，其特征在于：真空室一侧的抽气口与真空抽气系统相连，真空室另一侧的开口处活动设置有真空密封门，真空密封门一端与真空室开口的侧部相铰接，真空密封门另一端锁固在真空室开口的外侧壁上；真空室的内侧壁上、抽气口的两侧，分别设置有两个电弧蒸发源组；真空密封门上设置有离化源和竖直布置的阳极。其设计合理，结构紧凑，工件表面膜层均匀性好，涂层与基体的结合强度高、韧性好，耐高温抗氧化能力强，生产效率高。

Description

一种可制备硬质涂层的真空镀膜设备

技术领域

本实用新型属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种工件表面膜层均匀性好，涂层与基体的结合强度高、韧性好，耐高温抗氧化能力强，生产效率高的可制备硬质涂层的真空镀膜设备。

背景技术

随着数控机床以及加工中心等高效设备应用的日益普及，在航空航天、汽车、高铁、风电、电子、模具等装备制造业空前发展的推动下，切削加工已迈入了一个以高速、高效和环保为标志的加工发展新时期。高速切削、干切削和硬切削作为当前切削技术的重要发展趋向，对切削刀具就有更高的要求，其中涂层刀具已经成为现代切削刀具的标志。如今，涂层已进入到开发厚膜、复合膜及多元涂层的新阶段，金属表面多元多层的复合硬质涂层，全面提高了刀具（模具）的性能。然而，现有的真空镀膜设备，由于固有结构的限制，靶材直径小，电弧蒸发源驱动方式单一，从而导致弧光不够细腻，溅射颗粒大，膜层均匀性差，严重影响金属表面复合硬质涂层的附着力，涂层与基体的结合强度和韧性低，耐高温抗氧化能力弱。故有必要对现有技术制备金属表面复合硬质涂层的真空镀膜设备进行改进。

实用新型内容

本实用新型就是针对上述问题，提供一种工件表面膜层均匀性好，涂层与基体的结合强度高、韧性好，耐高温抗氧化能力强，生产效率高的可制备硬质涂层的真空镀膜设备。

本实用新型所采用的技术方案是：该可制备硬质涂层的真空镀膜设备包括真空室，其特征在于：所述真空室的内部设置有工件旋转架，工件旋转架下端的中部设置有竖直布置的转动主轴，转动主轴的下端穿出真空室底部、且通过减速机与转架驱动电机的输出轴相连；所述真空室的一侧设置有抽气口，抽气口通过管路与真空抽气系统相连，真空室另一侧的开口处活动设置有真空密封门，真空密封门的一端利用铰链与真空室开口的侧部相铰接，真空密封门的另外一端则通过气动锁紧装置锁固在真空室开口另一侧的外侧壁上，真空室的顶部设置有充气孔；所述真空室的内侧壁上、抽气口的两侧，分别设置有两个电弧蒸发源组，每个电弧蒸发源组均由四个电弧蒸发源和四个引弧装置构成，相邻的电弧蒸发源之间设置有加热装置；所述真空密封门上设置有至少两个用于工件镀膜前离子清洗的离化源，真空密封门上、离化源的前方设置有竖直布置的阳极。

所述电弧蒸发源包括蒸发源连接架，蒸发源连接架上可拆卸式设置有靶材，靶材远离真空室一侧的后方设置有永磁体，靶材朝向真空室一侧的前方则设置有引弧针，且靶材与引弧针相接触一侧的周边设置有限弧环；同时，靶材的后侧还设置有水冷管路。以通过蒸发源连接架将整个电弧蒸发源设置在真空室的侧壁上，并利用限弧环对靶材上启弧后的弧光范围进行限制，防止跑弧烧伤其他零件。

所述电弧蒸发源的蒸发源连接架外侧的周边设置有电磁线圈。以增加引弧针与靶材之间的引弧效率。

所述真空密封门的气动锁紧装置包括锁紧气缸，锁紧气缸的固定端通过气缸连接座与真空室开口的外侧壁相连；锁紧气缸的伸缩端设置有锁紧压板，锁紧压板的端部设置有压合螺柱，所述压合螺柱与真空密封门端部的锁固凸沿相压紧配合。以利用锁紧气缸的伸缩来带动锁紧压板以及其上的压合螺柱往复运动，进而使真空密封门紧固地压合在真空室开口上，确保真空室内的真空度。

所述真空密封门上设置有观察窗；所述真空室侧壁上、抽气口下方的位置，也设置有观察窗。以便于操作人员对真空室内机构的运行情况、以及工件镀膜情况的观察，利于产品质量的控制。

所述真空室的抽气口的截面形状为方形，且抽气口的内部设置有流量调节装置，流量调节装置包括贯穿抽气口的两个相对侧壁的转动长轴，转动长轴上设置有沿长轴轴向布置的方形调节阀板；转动长轴伸出到抽气口侧壁外侧的一端与步进电机相连。以通过步进电机带动转动长轴上的方形调节阀板在0～90度之间旋转，从而改变调节阀板的开启角度，达到调节真空室内工作气体真空度的目的。

所述真空室顶部的中心位置处设置有预留法兰接口。以根据具体的工艺需要，在预留法兰接口处安装电子枪，提升装置的使用适应性。

本实用新型的有益效果：由于本实用新型采用内部设置有工件旋转架的真空室，工件旋转架转动主轴的下端穿出真空室底部、且通过减速机与转架驱动电机的输出轴相连；真空室一侧的抽气口通过管路与真空抽气系统相连，真空室另一侧的开口处活动设置真空密封门，真空密封门的一端利用铰链与真空室开口的侧部相铰接，真空密封门另一端通过气动锁紧装置锁固在真空室开口另一侧的外侧壁上，真空室顶部设置充气孔；真空室的内侧壁上、抽气口的两侧，分别设置有两个电弧蒸发源组，每个电弧蒸发源组均由四个电弧蒸发源和四个引弧装置构成，相邻的电弧蒸发源之间设置有加热装置；真空密封门上设置有至少两个离化源，真空密封门上、离化源前方设置竖直布置的阳极的结构形式，所以其设计合理，结构紧凑，采用离化源对工件表面进行气体离子清洗，清洗效果好，利于直接成膜；并且，两个电弧蒸发源组可以安装两种不同的靶材，进而实现金属表面多元、多层复合硬质涂层的制备，提高涂层与基体的结合强度与韧性，增强耐高温抗氧化的能力，使涂层刀具的使用寿命提高3倍以上；且生产效率高，实用性强。

附图说明

图1是本实用新型的一种结构示意图。

图2是图1沿A-A线的剖视图。

图3是图1中的真空室内侧壁上的电弧蒸发源的一种排布示意图。

图4是图2中的电弧蒸发源的一种结构示意图。

图5是图2中的气动锁紧装置的一种结构示意图。

图中序号说明：1真空室、2抽气口、3真空密封门、4阳极、5工件旋转架、6转动主轴、7减速机、8转架驱动电机、9电弧蒸发源、10加热装置、11预留法兰接口、12观察窗、13离化源、14屏蔽板、15充气孔、16铰链、17气动锁紧装置、18流量调节装置、19引弧装置、20蒸发源连接架、21水冷管路、22永磁体、23靶材、24限弧环、25电磁线圈、26引弧针、27气缸连接座、28锁紧气缸、29锁紧压板、30压合螺柱、31锁固凸沿。

具体实施方式

根据图1～5详细说明本实用新型的具体结构。该可制备硬质涂层的真空镀膜设备包括真空室1，真空室1的内部设置有可移出式的工件旋转架5，工件旋转架5上设置有待镀膜工件。工件旋转架5下端的中部设置有竖直布置的转动主轴6，转动主轴6的下端穿出真空室1底部、且通过减速机7与转架驱动电机8的输出轴相连。真空室1的一侧设置有抽气口2，抽气口2通过管路与真空抽气系统相连。真空室1的抽气口2的截面形状为方形，且抽气口2的内部设置有流量调节装置18。流量调节装置18包括贯穿抽气口2的两个相对侧壁的转动长轴，转动长轴上设置有沿长轴轴向布置的方形调节阀板；转动长轴伸出到抽气口2侧壁外侧的一端与步进电机相连。进而通过步进电机带动转动长轴上的方形调节阀板在0～90度之间旋转，以改变调节阀板的开启角度，达到调节真空室1内工作气体真空度的要求。

真空室1另一侧的开口处活动设置有真空密封门3，真空密封门3的一端利用铰链16与真空室1开口的侧部相铰接；真空密封门3的另外一端，则通过气动锁紧装置17锁固在真空室1开口另一侧的外侧壁上。气动锁紧装置17包括锁紧气缸28，锁紧气缸28的固定端通过气缸连接座27与真空室1开口的外侧壁相连；锁紧气缸28的伸缩端设置有锁紧压板29，锁紧压板29的端部设置有压合螺柱30，且压合螺柱30与真空密封门3端部的锁固凸沿31相压紧配合。从而利用锁紧气缸28的伸缩来带动锁紧压板29以及其上的压合螺柱30往复运动，进而使真空密封门3紧固地压合在真空室1开口上，确保真空室1内的真空度。

真空室1的内侧壁上、抽气口2的两侧，分别设置有两个电弧蒸发源组，每个电弧蒸发源组均由四个电弧蒸发源9和四个引弧装置19构成；且每个电弧蒸发源组的四个电弧蒸发源9均分两纵列、两两交错布置。电弧蒸发源9包括蒸发源连接架20，蒸发源连接架20上可拆卸式设置有靶材23，靶材23远离真空室1一侧的后方设置有永磁体22，靶材23朝向真空室1一侧的前方则活动设置有引弧针26，且靶材23与引弧针26相接触一侧的周边设置有限弧环24；靶材23的后侧还设置有水冷管路21。进而通过蒸发源连接架20将整个电弧蒸发源9设置在真空室1的侧壁上，并利用限弧环24对靶材23上启弧后的弧光范围进行限制，防止跑弧烧伤其他零件。为了增加引弧针26与靶材23之间的引弧效率，电弧蒸发源9的蒸发源连接架20外侧的周边设置有电磁线圈25。同时，相邻的电弧蒸发源9之间设置有蛇形铠装（加热丝外面包裹的一层耐热金属）加热装置10；以利用排布合理的蛇形结构加热装置10，增大加热功率，使加热更均匀。真空密封门3上设置有至少两个用于工件镀膜前离子清洗的离化源13，离化源13的结构与电弧蒸发源9相同，只是在靶材23的前方设置有用于遮挡靶材23离子的屏蔽板14，进而仅让高能电子与工作气体氩气发生碰撞，使氩气电离产生氩离子、对工件表面进行清洗。

真空密封门3内部的上侧、离化源13的前方，还设置有竖直布置的柱状阳极4。真空室1的顶部设置有充气孔15，充气孔15通过管路与充气系统相连。充气系统由质量流量计、布气管构成，工作时向真空室1内充入适量的工作气体。水冷系统负责对电弧蒸发源9、离化源13、真空泵、电源及真空室1侧壁进行冷却。电源系统由离化源13电源，蒸发电源等构成。真空抽气系统由分子泵、罗茨泵、旋片泵、阀门、管道等构成。电控系统由PLC、触摸屏、电控柜、温控表、变频器、接触器等构成。真空室1顶部的中心位置处设置有预留法兰接口11；以根据具体的工艺需要，在预留法兰接口11处安装电子枪，进而提升装置的使用适应性。并且，真空密封门3上、离化源13的两侧分别设置有观察窗12；真空室1侧壁上、抽气口2的下方也设置有观察窗12，以便于操作人员对真空室1内机构的运行情况、以及工件镀膜情况的观察，有利于产品质量的控制。

该可制备硬质涂层的真空镀膜设备使用时，真空室1内侧壁上的两个电弧蒸发源组，其中一组的四个电弧蒸发源9配置靶材A，可以是Ti、Cr等金属材料；另一组的四个电弧蒸发源9配置靶材B，可以是TiAl、CrAl、TiAlSi等多元合金材料，其分子量配比不尽相同，且通过不同的配置组合，可以制备不同的涂层。

实施例：

在工件表面制备Ti/TiN/TiN+AlCrN/TiAlN复合涂层。此时第一电弧蒸发源组的靶材为Ti，第二电弧蒸发源组的靶材为CrAl，工作过程为：

（1）抽真空；待镀膜工件装到真空室1内的工件旋转架5上之后，关闭真空密封门3，利用真空抽气系统将真空室1内的真空度抽至8×10^-3Pa以上，达到工作真空度要求，然后，开始加热，将真空室1内温度加热到所需工作温度。

（2）待镀膜工件表面气体离子清洗；向真空室1内充入工作气体氩气，达到工作压强，工件旋转架5接负偏压，离化源13的引弧针26引弧后产生弧光放电，产生大量电子及靶材离子，靶材离子被屏蔽板14遮挡，不能镀到工件表面上，产生的电子则飞向柱状阳极4；同时，在飞向柱状阳极4的过程中，高能电子与工作气体氩气发生碰撞，使氩气电离产生氩离子；由于布置在工件旋转架5上的工件加有负偏压，所以带有正电的氩离子飞向工件，对待镀膜工件的表面进行离子清洗。

（3）打底层；离子清洗完成后开始镀膜，为了提高膜层与工件表面的结合力，需要先在工件表面镀一层钛；此时向真空室1内充入工作气体至需要的工作压强，然后开启第一电弧蒸发源组（Ti靶材），将工件表面镀制一层Ti膜，达到要求的厚度即可。

（4）镀TiN层；底层镀制完成后，在工件表面镀一层TiN，向真空室1内充入氮气，达到工作压强之后，开启第一电弧蒸发源组进行镀膜，达到要求厚度即可。

（5）镀TiN+AlCrN涂层；向真空室1内充入氮气，达到工作压强后，同时开启第一电弧蒸发源组和第二电弧蒸发源组进行镀膜，达到要求厚度即可。

（6）镀AlCrN涂层；向真空室1内充入氮气，达到工作压强后，仅开启第二电弧蒸发源组进行镀膜，达到要求厚度即可。

（7）降温；镀膜结束后，关闭电弧蒸发源组及弧电源，停止加热，关闭工作气体，冷却降温。

（8）开门、取件；向真空室1内放入大气，开启真空密封门3、取出工件。

Claims (7)

1.一种可制备硬质涂层的真空镀膜设备，包括真空室（1），其特征在于：所述真空室（1）的内部设置有工件旋转架（5），工件旋转架（5）下端的中部设置有竖直布置的转动主轴（6），转动主轴（6）的下端穿出真空室（1）底部、且通过减速机（7）与转架驱动电机（8）的输出轴相连；所述真空室（1）的一侧设置有抽气口（2），抽气口（2）通过管路与真空抽气系统相连，真空室（1）另一侧的开口处活动设置有真空密封门（3），真空密封门（3）的一端利用铰链（16）与真空室（1）开口的侧部相铰接，真空密封门（3）的另外一端则通过气动锁紧装置（17）锁固在真空室（1）开口另一侧的外侧壁上，真空室（1）的顶部设置有充气孔（15）；所述真空室（1）的内侧壁上、抽气口（2）的两侧，分别设置有两个电弧蒸发源组，每个电弧蒸发源组均由四个电弧蒸发源（9）和四个引弧装置（19）构成，相邻的电弧蒸发源（9）之间设置有加热装置（10）；所述真空密封门（3）上设置有至少两个用于工件镀膜前离子清洗的离化源（13），真空密封门（3）上、离化源（13）的前方设置有竖直布置的阳极（4）。

2.根据权利要求1所述的可制备硬质涂层的真空镀膜设备，其特征在于：所述电弧蒸发源（9）包括蒸发源连接架（20），蒸发源连接架（20）上可拆卸式设置有靶材（23），靶材（23）远离真空室（1）一侧的后方设置有永磁体（22），靶材（23）朝向真空室（1）一侧的前方则设置有引弧针（26），且靶材（23）与引弧针（26）相接触一侧的周边设置有限弧环（24）；同时，靶材（23）的后侧还设置有水冷管路（21）。

3.根据权利要求2所述的可制备硬质涂层的真空镀膜设备，其特征在于：所述电弧蒸发源（9）的蒸发源连接架（20）外侧的周边设置有电磁线圈（25）。

4.根据权利要求1所述的可制备硬质涂层的真空镀膜设备，其特征在于：所述真空密封门（3）的气动锁紧装置（17）包括锁紧气缸（28），锁紧气缸（28）的固定端通过气缸连接座（27）与真空室（1）开口的外侧壁相连；锁紧气缸（28）的伸缩端设置有锁紧压板（29），锁紧压板（29）的端部设置有压合螺柱（30），所述压合螺柱（30）与真空密封门（3）端部的锁固凸沿（31）相压紧配合。

5.根据权利要求1所述的可制备硬质涂层的真空镀膜设备，其特征在于：所述真空密封门（3）上设置有观察窗（12）；所述真空室（1）侧壁上、抽气口（2）下方的位置，也设置有观察窗（12）。

6.根据权利要求1所述的可制备硬质涂层的真空镀膜设备，其特征在于：所述真空室（1）的抽气口（2）的截面形状为方形，且抽气口（2）的内部设置有流量调节装置（18），流量调节装置（18）包括贯穿抽气口（2）的两个相对侧壁的转动长轴，转动长轴上设置有沿长轴轴向布置的方形调节阀板；转动长轴伸出到抽气口（2）侧壁外侧的一端与步进电机相连。

7.根据权利要求1所述的可制备硬质涂层的真空镀膜设备，其特征在于：所述真空室（1）顶部的中心位置处设置有预留法兰接口（11）。

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