一種硬質涂層的快速沉積裝置及方法
【專利摘要】一種硬質涂層的快速沉積裝置及方法，該裝置包括陰極弧源以及開設進氣口的真空腔體；真空腔體與真空系統相連，真空腔體與陰極弧源之間設有用于聚束腔體；聚束腔體與真空腔體相連通，且聚束腔體內設置有待測樣，待測樣與陰極弧源之間設有靶材，陰極弧源的電源正極分別與真空腔體和偏壓電源的正極相連，陰極弧源的電源正極、真空腔體、偏壓電源的正極分別接地。該方法為對真空系統抽真空，并利用氬氣和反應氣清洗真空系統，然后對待測樣的表面進行輝光清洗，然后在其表面沉積過渡金屬層，接著沉積硬質涂層。相比傳統沉積裝置及方法，本發明沉積速率大大提高，節約靶材，更節約能源。
【專利說明】一種硬質涂層的快速沉積裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于表面工程領域，具體涉及一種硬質涂層的快速沉積裝置及方法。
【背景技術】
[0002]在刀具、模具領域上應用硬質涂層，主要是提高其服役性能和延長使用壽命。目前，該領域的沉積方法主要有非平衡磁控濺射技術和陰極弧蒸發離子鍍技術，以及兩種技術相結合。主要的涂層種類包括TiN、CrN, TiCN, TiAlN等，磁控濺射技術沉積速度一般不超過I μ m/h,陰極弧離子鍍由于工藝參數的不同其沉積速度大約為I~4 μ m/h。
[0003]評估硬質涂層的主要參數有厚度、硬度、結合強度、摩擦系數、磨損率等，其中足夠的結合強度是判斷涂層能否使用的最基本參數，硬度的高低主要取決于晶格結構、晶粒尺寸、厚度等，摩擦系數的大小取決于涂層材料種類和表面粗糙度，磨損率則是對硬質涂層服役狀況的綜合評估。據此，在確定涂層種類的前提下，增加涂層厚度勢必會優化性能并延長壽命。大幅提聞沉積速度則會極大節約生廣成本，提聞生廣效率。但傳統的真空鍛I旲沉積速度較慢，沉積涂層的成本高。
【發明內容】
[0004]本發明的 目的在于提供一種沉積速度快、成本低的硬質涂層的快速沉積裝置及方法。
[0005]為了達到上述目的，本發明硬質涂層的快速沉積裝置包括陰極弧源以及開設有進氣口的真空腔體；所述的真空腔體與真空系統相連，真空腔體與陰極弧源之間設有用于為陰極弧源發出的等離子體提供聚束磁場的聚束腔體；聚束腔體與真空腔體相連通，且聚束腔體內設置有待測樣，待測樣與陰極弧源之間設有靶材，陰極弧源的電源正極分別與真空腔體和為待測樣提供負偏壓的偏壓電源的正極相連，陰極弧源的電源正極、真空腔體、偏壓電源的正極分別接地。
[0006]所述的聚束腔體的直徑大于靶材，聚束腔體是由第一、二、三磁感線圈組成的，第
一、二、三磁感線圈沿等離子體發射方向依次布置，且第三磁感線圈接地，第一、二、三磁感線圈的電源為電壓電流可調電源。
[0007]所述的真空腔體內設置有樣品架，待測樣通過樣品架與偏壓電源的負極相連。
[0008]所述的靶材為T1、Cr或Zr。
[0009]一種基于所述的快速沉積裝置的硬質涂層沉積方法包括以下步驟:
[0010]I)將待測樣置于聚束腔體內，并與偏壓電源的負極相連，然后利用真空系統對真空腔體抽真空，使真空度達到3.0XKT3Pa以下，再通過進氣口向真空腔體內通入氬氣和反應氣體清洗真空腔體以除去殘余空氣；
[0011]2)真空腔體清洗完成后，從進氣口向真空腔體內持續通入氬氣，保持真空腔體
(I)內的氣壓保持在2-3Pa ;然后打開聚束腔體的電源使聚束腔體產生磁場，同時打開偏壓電源使真空腔體和聚束腔體產生輝光，對待測樣表面進行輝光清洗；[0012]3)測樣表面輝光清洗結束后，通過調節通入的氬氣流量使真空腔體內的氣壓保持在0.8-1.2Pa，然后打開陰極弧源的電源，向待測樣上沉積過渡金屬層；
[0013]4)過渡金屬層沉積完成后，從進氣口向真空腔體內通入氬氣和反應氣體，然后向已經沉積了過渡金屬層的待測樣上沉積涂層，即在待測樣上沉積了硬質涂層。
[0014]所述的步驟I)中清洗真空腔體時，真空腔體內的氣壓小于5Pa。
[0015]所述的反應氣為N2、CH4或C2H2。
[0016]所述的步驟2)中通入氬氣的氣流量為13sccm ;聚束腔體的電流為0.2~1A，電壓為5~20V ;偏壓電源的偏壓為800V，占空比為60%，對待測樣表面進行輝光清洗的時間為15min。
[0017]所述的步驟3)中通入氬氣的氣流量為63sCCm，在打開陰極弧源前，調節偏壓電源的偏壓為100-200V，占空比為30-50%，向待測樣上沉積過渡金屬層時的蒸發功率為800~1000W，沉積時間為2min。
[0018]所述的步驟4)中気氣的氣流量為3~5sccm,反應氣的氣流量為40~60sccm,沉積時間為15min。 [0019]與現有技術相比，本發明的有益效果在于:
[0020]本發明以多弧離子鍍鍍膜系統為基礎，在多弧離子鍍鍍膜系統的真空腔體與陰極弧源之間增設了聚束腔體，將待測樣置于聚束腔體內沉積硬質薄膜，由于在本發明裝置中采用了聚束腔體，聚束腔體能夠使得原本雜亂無章的等離子體在磁場約束下定向運動，因此，本發明裝置沉積硬質薄膜的速率大大提高；另外，由于本發明裝置在沉積硬質薄膜時并不需要特別設定陰極弧源的蒸發功率，因此，本發明在提高了沉積速率的同時節約了靶材更節約能源。
[0021]進一步，本發明的磁場由磁感線圈提供，線圈的供電電源為電壓電流可調電源，能夠為聚束腔體提供恒流、恒壓等多種模式以滿足不同的工藝要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的裝置圖；
[0023]其中，I一真空腔體，2—聚束腔體，3—陰極弧源，4一真空系統，5—偏壓電源，6—樣品架，7—第一磁感線圈，8—第二磁感線圈，9一第三磁感線圈。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0025]參見圖1，本發明硬質涂層的快速沉積裝置包括陰極弧源3以及開設有進氣口的真空腔體I ;所述的真空腔體I與真空系統4相連，真空腔體I與陰極弧源3之間設有用于為陰極弧源3發出的等離子體提供聚束磁場的聚束腔體2 ;聚束腔體2與真空腔體I相連通，且聚束腔體2內設置有待測樣，待測樣與陰極弧源2之間設有靶材，陰極弧源3的電源正極分別與真空腔體I和為待測樣提供負偏壓的偏壓電源5的正極相連，陰極弧源3的電源正極、真空腔體1、偏壓電源5的正極分別接地。真空腔體I內設置有樣品架6，待測樣通過樣品架6與偏壓電源5的負極相連。本發明的陰極弧源3能夠提供高密度等離子體束流，這種高密度等離子體束流能在短時間內將工件溫度提高的200°C左右，一方面保證了涂層較低應力，另一方面節約了加熱所需電能。
[0026]具體的，聚束腔體2的直徑大于靶材，靶材為T1、Cr或Zr，聚束腔體2是由第一、
二、三磁感線圈7，8，9組成的，第一、二、三磁感線圈7，8，9沿等離子體發射方向依次布置，且第三磁感線圈9接地，第一、二、三磁感線圈7，8，9的電源為電壓電流可調電源。由于聚束腔體產生約束磁場是通過第一、二三磁感線圈實現的，因此，本發明能夠滿足不同直徑、不同長度、不同體積工件的表面改性。
[0027]本發明是在已有的多弧離子鍍鍍膜系統引入磁感線圈，無需訂購昂貴的設備；另外，本發明還可以根據工藝要求可更換靶材以實現不同種類硬質涂層的制備；根據工件大小改變聚束磁場以達到節約靶材、降低污染的目的。
[0028]本發明基于上述快速沉積裝置的硬質涂層沉積方法包括以下步驟:
[0029]I)將待測樣置于聚束腔體2內，并與偏壓電源5的負極相連，然后利用真空系統4對真空腔體I抽真空，使真空度達到3.0X10_3Pa以下，再通過進氣口向真空腔體I內通入氬氣和反應氣體清洗真空腔體I以除去殘余空氣；清洗真空腔體I時,真空腔體內的氣壓小于 5Pa。 [0030]2)真空腔體I清洗完成后,從進氣口向真空腔體I內持續通入氬氣,保持真空腔體I內的氣壓保持在2-3Pa;然后打開聚束腔體(2)的電源使聚束腔體2產生磁場，同時打開偏壓電源5使真空腔體I和聚束腔體2產生輝光，對待測樣表面進行輝光清洗；其中，通入氬氣的氣流量為13sccm ;聚束腔體2的電流為0.2~1A，電壓為5~20V ;偏壓電源5的偏壓為800V，占空比為60%，對待測樣表面進行清洗的時間為15min，這樣能夠確保目標涂層與待測樣的結合強度不低于60N ；
[0031]3)測樣表面輝光清洗結束后，通過調節通入的氬氣流量使真空腔體I內的氣壓保持在0.8-1.2Pa，然后打開陰極弧源3的電源，調節偏壓電源5的偏壓為100-200V，占空比為30-50% ;再向待測樣上沉積過渡金屬層；其中，通入氬氣的氣流量為63sCCm ;向待測樣上沉積過渡金屬層時的蒸發功率為800~1000W，沉積時間為2min ；
[0032]4) Ti層沉積完成后，從進氣口向真空腔體I內通入氬氣和反應氣體，然后向已經沉積了過渡金屬層的待測樣上沉積涂層，即在待測樣上沉積了硬質涂層；其中，氬氣的氣流量為3~5sccm，反應氣的氣流量為40~60sccm，沉積時間為15min。
[0033]上述步驟I)和步驟4)中的反應氣為N2、CH4或C2H2。
[0034]本發明的主要特點是大大提高了單一過渡金屬氮化物硬質涂層的沉積速率，以TiN為例:本發明裝置的硬質涂層沉積方法與常規多弧離子鍍設備硬質涂層沉積方法的實驗數據對比如表1所示:
[0035]表1本發明裝置的硬質涂層沉積方法與常規多弧離子鍍設備的硬質涂層沉積方法的實驗數據對比
[0036]
【權利要求】
1.一種硬質涂層的快速沉積裝置，其特征在于:包括陰極弧源(3)以及開設有進氣口的真空腔體⑴；所述的真空腔體⑴與真空系統⑷相連，真空腔體⑴與陰極弧源(3)之間設有用于為陰極弧源(3)發出的等離子體提供聚束磁場的聚束腔體(2);聚束腔體(2)與真空腔體(1)相連通，且聚束腔體(2)內設置有待測樣，待測樣與陰極弧源(2)之間設有靶材，陰極弧源(3)的電源正極分別與真空腔體(1)和為待測樣提供負偏壓的偏壓電源(5)的正極相連，陰極弧源(3)的電源正極、真空腔體(1)、偏壓電源(5)的正極分別接地。
2.根據權利要求1所述的硬質涂層的快速沉積裝置，其特征在于:所述的聚束腔體(2)的直徑大于靶材，聚束腔體(2)是由第一、二、三磁感線圈(7，8，9)組成的，第一、二、三磁感線圈(7，8，9)沿等離子體發射方向依次布置，且第三磁感線圈(9)接地，第一、二、三磁感線圈(7，8，9)的電源為電壓電流可調電源。
3.根據權利要求1所述的硬質涂層的快速沉積裝置，其特征在于:所述的真空腔體(1)內設置有樣品架(6)，待測樣通過樣品架(6)與偏壓電源(5)的負極相連。
4.根據權利要求1所述的硬質涂層的快速沉積裝置，其特征在于:所述的靶材為T1、Cr或Zr。
5.一種基于權利要求1~4中任意一項權利要求所述的快速沉積裝置的硬質涂層沉積方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將待測樣置于聚束腔體(2)內，并與偏壓電源(5)的負極相連，然后利用真空系統(4)對真空腔體⑴抽真空,使真空度達到3.0X KT3Pa以下，再通過進氣口向真空腔體(1)內通入氬氣和反應氣體 清洗真空腔體(1)以除去殘余空氣； 2)真空腔體(1)清洗完成后，從進氣口向真空腔體(1)內持續通入氬氣，保持真空腔體⑴內的氣壓保持在2-3Pa;然后打開聚束腔體⑵的電源使聚束腔體(2)產生磁場，同時打開偏壓電源(5)使真空腔體(1)和聚束腔體(2)產生輝光，對待測樣表面進行輝光清洗； 3)測樣表面輝光清洗結束后，通過調節通入的氬氣流量使真空腔體(1)內的氣壓保持在0.8-1.2Pa，然后打開陰極弧源(3)的電源，向待測樣上沉積過渡金屬層； 4)過渡金屬層沉積完成后，從進氣口向真空腔體(1)內通入氬氣和反應氣體，然后向已經沉積了過渡金屬層的待測樣上沉積涂層，即在待測樣上沉積了硬質涂層。
6.根據權利要求5的沉積方法，其特征在于:所述的步驟I)中清洗真空腔體(1)時，真空腔體(1)內的氣壓小于5Pa。
7.根據權利要求5所述的沉積方法，其特征在于:所述的反應氣為N2、CH4或C2H2。
8.根據權利要求5所述的沉積方法，其特征在于:所述的步驟2)中通入氬氣的氣流量為13SCCm ;聚束腔體⑵的電流為0.2~1A，電壓為5~20V ;偏壓電源(5)的偏壓為800V，占空比為60%，對待測樣表面進行輝光清洗的時間為15min。
9.根據權利要求5或8所述的沉積方法，其特征在于:所述的步驟3)中通入氬氣的氣流量為63SCCm，在打開陰極弧源(3)前，調節偏壓電源(5)的偏壓為100-200V，占空比為30-50%，向待測樣上沉積過渡金屬層時的蒸發功率為800~1000W，沉積時間為2min。
10.根據權利要求9所述的沉積方法，其特征在于:所述的步驟4)中氬氣的氣流量為3~5sccm,反應氣的氣流量為40~60sccm,沉積時間為15min。
【文檔編號】C23C14/32GK104032267SQ201410186643
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月5日 優先權日:2014年5月5日
【發明者】宋忠孝, 雷哲鋒, 邢聰, 程亮亮, 宋佳豪 申請人:西安交通大學