CN85100378A

CN85100378A - 用工业纯原料气进行等离子化学气相沉积的涂层方法与设备

Info

Publication number: CN85100378A
Application number: CN 85100378
Authority: CN
Inventors: 刘天相; 于锡裘; 何建国
Original assignee: HUNAN PROVINCIAL MACHINERY INSTITUTE
Current assignee: HUNAN PROVINCIAL MACHINERY INSTITUTE
Priority date: 1985-04-01
Filing date: 1985-04-01
Publication date: 1986-08-27

Abstract

本发明属于金属表面处理中制备金属化合物涂层的方法和设备。

工业纯原料气PCVD涂层方法与设备，采用专门设计制造的包括原料气处理系统、金属卤化物或其它液体汽化的装置以及离子轰击炉等几部分组成的等离子化学气相沉积设备，使用工业纯原料气，在低温、低真空、电压低于1000V、工件不旋转、废气排放符合中国国家标准的情况下制备金属化合物涂层，代替传统的涂层技术。

Description

本发明属于金属表面处理中制备金属化合物涂层的方法与设备。

目前工业上制备TiN、TiC、Al₂O₃、Si₃N₄等金属化合物涂层的方法和相应的设备，有化学气相沉积（CVD）、熔盐镀渗（TD）和物理气相沉积（PVD），其中PVD包括溅射镀膜和离子镀膜等技术。CVD和TD沉积温度一般为900～1200℃，对钢制工模具表面沉积超硬膜来说，沉积温度过高，需要重新淬火，变形严重。PVD则需10^-5mmHg以上的高真空，且一般要使工件在设备内作复杂的自转和公转，或者作往复运动，设备造价和使用维护费用昂贵。CVD和TD因受容器高温刚度的限制，难于沉积大型工件。CVD和PVD还有一个共同的缺点是对原料气要求苛刻，必须是99.999%以上的高纯气体，这种高纯气体价格贵，运输困难。近年来各国正在致力于研究等离子化学气相沉积（Plasma CVD），包括辉光放电作用下的CVD，使用的原料气也是高纯气。另一方面，目前在工业上已广泛应用的离子轰击炉，一般只用于进行离子氮化和离子软氮化等工艺，而未用来制备金属化合物涂层。

本发明的目的在于提供一种使用纯度较低、运输方便、价格便宜的工业纯气体作原料气，在低温、低真空、电压低于1000V、工件不旋转、废气排放符合中国国家标准的条件下制备金属化合物涂层的方法与设备。

下面用附图来说明本发明所用等离子化学气相沉积设备的组成和工艺流程。如图所示工业纯NH₃由钢瓶1通过NH₃分解炉4和NH₃分解气干燥系统5后，其出口处残NH₃＜0.01%。钢瓶10、21、31分别为装工业纯Ar、工业纯H₂、工业纯活性反应气体的钢瓶，气体净化系统13、24、34分别为上述三种相应的气体之净化系统。各气体净化系统都是能将水份和残O₂降至0.01%以下的硅胶、分子筛、鈀筛吸附塔组成的系统。清除工业纯活性反应气体和工业纯Ar中残O₂所需的H₂由工业纯H₂钢瓶21提供，配入量1～5%。工业纯Ar净化所需的H₂也可由经干燥的NH₃分解气来得到，配入量2～7%。上述原料气处理系统如图示，用管道相连接，并用气体流量计2、6、8、11、14、16、22、25、27、29、32、35和针阀3、7、9、12、15、17、20、23、26、28、30、33、36、37调节。原料气处理系统视需沉积的金属化合物种类和原料气来源选定，可以是包括工业纯NH₃分解干燥系统、工业纯Ar净化系统、工业纯H₂净化系统、工业纯活性反应气体净化系统四者都有的原料气处理系统，也可以是只有后三者组成的原料气处理系统，还可以是只有前二者构成的原料气处理系统。金属卤化物或其它液体汽化装置是由汽化瓶18和相应的恒温浴19组成，可有多套，彼此并联，以备沉积不同金属化合物使用。被汽化的金属卤化物蒸汽或其它蒸汽由净化的Ar气载带或靠本身的饱和蒸汽压向真空室38输送。由真空室38、碱吸收阱43、油封式真空泵45、水环式真空泵46以及离子电源47等部份组成的离子轰击炉，实质是经过改进的离子氮化炉。重要的改进是真空室38内壁涂以耐热抗蚀涂料，最好是喷涂氟塑料;兼作阳极的供气喷咀39均匀包围工件40和阴极41，以保证工件各部位能不断获得新鲜的工作气体和蒸汽;在排气管道的真空阀门42和44之间设置碱吸收阱43，内盛NaOH或其它碱性吸收剂，其作用是吸收反应副产物和过滤废气;水环式真空泵46是用10%NaOH水溶液作工作液，其作用是提高抽气能力并使废气排放符合中国国家标准。

本发明使用工业纯原料气，包括工业纯Ar、工业纯H₂、工业纯活性反应气体以及工业纯NH₃，通入本发明使用的等离子化学气相沉积设备后，即变成符合工艺要求的工作气体。不论制备哪种金属化合物，工作气体中H₂占5～45%，Ar占55～95%体积比。采用大配比的Ar目的是稳定辉光放电和促进卤素自工件表面解吸。活性反应气体和金属卤化物或其它液体的蒸汽输进离子轰击炉的数量，最多不超过10%，其配比按需沉积的金属化合物分子式来决定。本发明在下列工艺参数下进行PCVD涂层：

（1）、沉积温度400～650℃;

（2）、真空度10～10^-2mmHg;

（3）、电压400～1000V;

（4）、工件不旋转，也不作其它形式的运动。

本发明涂层的沉积速度可很高，但为涂层质量计通常控制在1～5μ/h。工艺流程中如工件的除油、溅射清洗等等其它要求与已有技术相同。

本发明与现有技术相比，具有以下几个优点：

（1）、解决了涂层沉积技术应用中原料气纯度要求苛刻的难题。

（2）、沉积工艺可在较低温度下，甚至在高速钢软化温度以下进行，扩展了金属涂层技术的应用范围。

（3）、所用设备属低真空设备，且工件不旋转或往复运动，设备结构较简单，造价较低。

（4）、由于工件不在炉内运动，同时水冷炉壁不受高温刚度的限制，故可制成大型设备处理大型工件或提高生产率。

（5）、对离子轰击炉所作的改进，成功地防止了设备腐蚀和废气排放的污染问题。

（6）、为已在工业上广泛应用的离子氮化炉找到了一个新的用途。

实施例：用工业纯NH₃和工业纯Ar作原料气，经本发明的设备处理，与TiCl₄饱和蒸汽一道送入所述等离子化学气相沉积设备的离子轰击炉内，各气体的配比为NH₃分解气占10～40%，Ar占60～90%，TiCl₄量由恒温器控制的温度30～50℃来决定，在总压5～10^-1mmHg范围内、沉积温度400～550℃、电压400～1000V、沉积速度为1～3μ/h、工件不旋转也不往复运动的条件下，经约1～3hr沉积，可在经过热处理硬化的高速钢车刀表面获得一层3～7μ厚，Hv_0.05≥1700kg/mm²的均匀的金黄色TiN涂层，其切削使用寿命显著提高。

Claims

1、一种辉光放电作用下进行化学气相沉积制备金属化合物涂层的方法，其特征在于将工业纯原料气通入一种等离子化学气相沉积设备，与至少一种金属卤化物蒸汽一道输进设备的离子轰击炉，在温度400～650℃、真空度10～10^-2mmHg、电压400～1000V以及工件不旋转的条件下进行等离子化学气相沉积(PCVD)，在工件表面获得金属化合物涂层的方法。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征为在制备金属化合物涂层时，用工业纯H₂、工业纯Ar和工业纯的活性反应气体作原料气。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于制备金属氮化物涂层时，可用工业纯NH₃和工业纯Ar作原料气。

4、根据权利要求1、2、3所述的方法，其特征在于输进离子轰击炉的H₂占5～45%，Ar占55～95%。

5、本发明使用的等离子化学气相沉积设备，其特征在于由原料气处理系统、金属卤化物或其它液体汽化的装置以及离子轰击炉各部份所组成。

6、根据权利要求5所述的等离子化学气相沉积设备，其特征在于其中原料气处理系统，视需沉积的金属化合物种类和原料气来源，可以包括工业纯NH₃分解干燥系统、工业纯Ar净化系统、工业纯H₂净化系统和工业纯的活性反应气体净化系统四者都有的系统，也可以是由后三者组合的系统，还可以是只由前二者组合的系统。

7、根据权利要求5和6所述的原料气处理系统，其特征在于其中NH₃分解干燥系统是一种可以将残NH₃降至0.01%以下的由NH₃分解炉与硅胶分子筛吸附塔组成的系统。

8、根据权利要求5和6所述的原料气处理系统，其特征在于其中工业纯Ar、工业纯H₂、工业纯活性反应气体净化系统，是能分别将其水份和残O₂降至0.01%以下的硅胶、分子筛、鈀筛吸附塔组成的系统。

9、根据权利要求5所述等离子化学气相沉积设备，其特征在于其中金属卤化物或其它液体汽化的装置是至少能将一种金属卤化物或其他液体进行恒温汽化的汽化瓶和恒温浴。

10、根据权利要求5所述的等离子化学气相沉积设备，其特征在于其中离子轰击炉是经过改进的包括真空室、碱吸收阱、油封式真空泵、水环式真空泵和离子电源所组成的离子氮化炉。

11、根据权利要求5和10所述的等离子化学气相沉积设备，其特征在于真空室内壁涂以耐热抗蚀涂料。

12、根据权利要求5和10所述的等离子化学气相沉积设备，其特征在于真空室内设有包围工件并兼作阳极的供气喷咀。