CN210974854U - 一种配置中心辅助阳极的电弧离子镀膜装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型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。本实用新型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：
本实用新型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。
实用新型内容：
本实用新型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。
本实用新型的技术方案是：
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。
本实用新型的核心思想是：
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。
本实用新型的优点及有益效果是：
1、本实用新型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、本实用新型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、本实用新型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是本实用新型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，本实用新型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。
本实用新型的弧源靶材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。
本实用新型中，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。
本实用新型中，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。
本实用新型中，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，通过实施例对本实用新型进一步详细阐述。
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，采用本实用新型在镀膜过程中，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。本实用新型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 (7)
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。
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|---|---|---|---|
| CN201921405739.5U CN210974854U (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 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2019
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