專利名稱：真空鍍膜設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種真空鍍膜設(shè)備，屬物理氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景物理氣相沉積(PVD, Physical Vapor Deposition)是在現(xiàn)代物理、化學(xué)、材 料學(xué)、電子學(xué)等多學(xué)科基礎(chǔ)上建立起來的一門先進(jìn)的工程技術(shù)。它是將靶材(形 成薄膜的材料)在真空環(huán)境下，經(jīng)過物理過程相進(jìn)入氣相并沉積在襯底(需鍍 膜工件)表面的過程。磁控濺射離子鍍和電弧離子鍍是PVD技術(shù)中常用的兩 種方法。磁控濺射主要特征是將磁場(chǎng)施加在濺射靶的表面限制電子的運(yùn)動(dòng)軌 跡，降低靶面輝光放電的電壓，提供高密度的等離子體。其過程主要是氬離 子被加速打在加有負(fù)電壓的陰極(靶材)上，離子與陰極的碰撞使得耙材被 濺射出帶有平均能量4至6eV的顆粒。這些顆粒沉積在放于靶前方的被鍍工 件上，形成薄膜。然而，真空磁控離子濺射的靶材離化率在5%左右，因此通 過磁控離子所沉積的薄膜硬度較低，附著力較差。電弧離子鍍是將低電壓高 電流的電弧在靶材和陽極之間激發(fā)，形成強(qiáng)烈的冷陰極電弧放電。被離化的 金屬離子以60至100eV平均能量蒸發(fā)出來形成高度激發(fā)的離子束，在含有惰 性氣體或反應(yīng)氣體的真空環(huán)境下沉積在被鍍工件表面。電弧離子鍍的離化率 在90%左右，所以與磁控濺射相比，沉積薄膜具有更高的硬度和更好的結(jié)合 力。然而，由于陰極蒸發(fā)過程非常激烈，與蒸發(fā)過程較為平和的磁控離子濺 射相比，陰極弧蒸發(fā)過程中會(huì)產(chǎn)生較多的有害雜質(zhì)顆粒。結(jié)合》茲控賊射和離 子鍍法而互補(bǔ)兩者的優(yōu)缺點(diǎn)已經(jīng)成為真空鍍技術(shù)發(fā)展的方向。中國發(fā)明專利申請(qǐng)(公開號(hào)CN1854333A)"—種新的真空鍍膜方法和設(shè) 備"介紹了"一種新的真空鍍膜設(shè)備，包括有磁控'踐射靶的反應(yīng)磁控濺射鍍膜 機(jī)，在反應(yīng);茲控-踐射鍍膜機(jī)中，加入一只或多只可預(yù)先工作也可與磁控賊射 靶同時(shí)工作或獨(dú)立工作的定向發(fā)射的細(xì)長(zhǎng)形電弧離子源，此定向發(fā)射的細(xì)長(zhǎng) 形電弧離子源安裝有長(zhǎng)圓柱形可旋轉(zhuǎn)的靶材或不旋轉(zhuǎn)的矩形靶材。"中國實(shí)用新型專利ZL200520120710.4公開了"一種柱狀陰極復(fù)合離子鍍 膜設(shè)備，其鍍膜室體內(nèi)設(shè)有柱狀陰極和工件轉(zhuǎn)架，所述鍍膜室體側(cè)面設(shè)有凸腔，凸腔內(nèi)設(shè)置側(cè)面柱狀陰極，側(cè)面柱狀陰極朝向鍍膜室體中央一側(cè)設(shè)有活 動(dòng)擋板。""所述鍍膜室體中央設(shè)有中央柱狀陰極，工件轉(zhuǎn)架設(shè)置在中央柱狀陰 極外圍圓周上。""柱狀陰極是柱狀磁控濺射華巴或柱狀電弧耙"
但上述所公開的真空鍍膜設(shè)備，雖然結(jié)合了磁控濺射鍍和電弧離子鍍兩 種技術(shù)，但由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不合理，主要是電弧耙和磁控耙的配置不合理， 導(dǎo)致不能進(jìn)行超硬鍍膜的獲得。結(jié)合對(duì)上述公開技術(shù)的分析和經(jīng)過對(duì)目前市
場(chǎng)上各種真空鍍膜設(shè)備的考察，現(xiàn)有技術(shù)存在難以獲得超硬(HV3500以上)、 厚涂層(5pm以上)鍍膜，對(duì)超長(zhǎng)(lm以上)工件的真空鍍加工尚無相應(yīng)裝 置。而有些零件，如擠塑機(jī)螺桿又是超長(zhǎng)(大都超過lm, —部分還超過6m) 和超重工件(每個(gè)工位1噸以上，總重量4噸以上)，又需要有超硬超厚鍍層 以滿足耐高強(qiáng)度摩擦磨損的需要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是選擇最好的電弧靶和磁控 靶的配置方案，提出一種滿足超硬、超厚涂層和可進(jìn)行對(duì)超長(zhǎng)超重工件鍍膜 要求的真空鍍膜設(shè)備。
本發(fā)明所提供的真空鍍裝置，包括真空室，真空室有進(jìn)出工件用的門， 真空室內(nèi)安裝有電弧靶、磁控靶、加熱裝置和工件架，工件架經(jīng)一行星齒輪 機(jī)構(gòu)安裝在真空室中，其中行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽齒輪安裝在真空室壁上，工 件架安裝在行星齒輪上，有電動(dòng)機(jī)經(jīng)變速機(jī)構(gòu)安裝在行星架驅(qū)動(dòng)軸上；
所述電弧靶有28到60個(gè)且分四列均勻分布在真空室壁上，電弧耙材為 Cr、 Ti、 Zr中的任意一種或任意兩種或全部三種，電弧耙采用逆變電源供電；
所述磁控靶為一對(duì)柱形靶且并列設(shè)置在真空室中心，磁控耙材為石墨或 硅，磁控靶采用中頻電源供電。
本發(fā)明所提供的真空鍍膜設(shè)備中，在真空室內(nèi)沿壁設(shè)置了均勻且數(shù)量較 多的電弧靶，在真空室中心又設(shè)置了》茲控對(duì)靶，同時(shí)電弧耙采用逆變電源供 電、磁控靶采用中頻電源供電。因這一結(jié)構(gòu)特性，使本發(fā)明在真空室中形成 一個(gè)環(huán)形離子沉積區(qū)，使靶材獲得較高的離化度和使得電弧耙和磁控耙之間 等離子體分布均勻，從而提高鍍膜效率和離子鍍效果，降低鍍膜成本，提高 涂層均勻性，鍍膜過程更易于控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可應(yīng)用于超長(zhǎng)工件，和獲得超-更、超厚鍍膜。本發(fā)明所提供的真空鍍膜設(shè)備，所說進(jìn)出工件的門設(shè)置在真空室頂部。 常規(guī)的鍍膜設(shè)備工件架和爐頂是一體完全固定的，工件一般從側(cè)門掛到工件 架上或是把整個(gè)爐頂和工件架一起吊出真空室，在真空室外裝好工件后再整 體吊裝到真空室中。或者是工件架裝在真空室底部，用機(jī)械設(shè)備移出真空室裝上工件再移到真空室中。上述三種傳統(tǒng)工件架:&計(jì)方式對(duì)于較小的工件比 較實(shí)用，但當(dāng)面對(duì)塑料機(jī)械中單根長(zhǎng)達(dá)5米以上，重2噸以上的螺桿時(shí)則顯 得完全不適用。因?yàn)橐粋€(gè)真空設(shè)備工件架上起碼有6個(gè)工位，如果都是5米 螺桿時(shí)整體工件重量在12噸以上，這對(duì)車間高度、吊車設(shè)備、吊裝方式都有 很高要求，不容易實(shí)現(xiàn)。如果采用側(cè)開門把工件從外往里裝時(shí)則由于工件太 重，設(shè)備比較高(6米)，很難把工件準(zhǔn)確掛到工件架上。而如果采用下轉(zhuǎn)架 整體裝卸方式時(shí)則必須把側(cè)面的門開到6米高，那會(huì)影響到整個(gè)設(shè)備的強(qiáng)度。 為此本發(fā)明采用頂蓋與工件架可以分離和從頂部單根吊裝工件的方式，即真 空室密封頂蓋可以與側(cè)壁分離，工件架是安裝在側(cè)壁上的，工件從頂部吊入 并裝到工件架上，克服該工件進(jìn)出是其他形式時(shí)大型工件進(jìn)出無法應(yīng)用吊裝 工具或不能單根吊裝的不足。另外工件架單個(gè)工位承重可以達(dá)到2噸以上， 整個(gè)工件架承重可以達(dá)到12噸以上，工件從工件架頂部進(jìn)行吊裝，而常規(guī)鍍 膜設(shè)備工件架總承重一般在2噸以下，無法滿足塑料擠壓機(jī)械中超長(zhǎng)超重螺 桿的鍍膜要求。本發(fā)明所提供的真空鍍膜設(shè)備，所說工件架所安裝的行星齒輪架驅(qū)動(dòng)軸 與行星齒輪架是以花鍵結(jié)構(gòu)連接的，可使以電機(jī)和和變速機(jī)構(gòu)組成的驅(qū)動(dòng)機(jī) 構(gòu)隨頂蓋起吊時(shí)與其主軸與行星齒輪架脫離，方便操作。本發(fā)明所提供的真空鍍膜設(shè)備，所說真空室壁上設(shè)置有可依中心滾動(dòng)的 滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，所說工件架所安裝的行星齒輪架向外伸展的懸臂擱置在該滾動(dòng)座 上，以使工件架的負(fù)荷向真空室壁轉(zhuǎn)移和同時(shí)可以將行星齒輪架連帶工件架 吊出真空室，以方便維修操作。本發(fā)明所提供的真空鍍膜設(shè)備，所說太陽齒輪是安放在固定于真空室壁 上的太陽齒輪座上的，以使之同樣可向上吊出真空室，方便維修操作。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的截面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1-真空室壁，2-電弧耙，3-加熱裝置，4-工件架，5-復(fù)合架，6J茲控靶；
圖2為工件架結(jié)構(gòu)示意圖，圖中l(wèi)-真空室壁，4-工件架，7-真空室頂蓋，
8-行星齒輪架，9-驅(qū)動(dòng)主軸，10-減速機(jī)，ll-電機(jī)，12-行星齒輪，13-太陽齒
輪，14-太陽齒輪座，15-滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，16-滾動(dòng)座。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明
如圖1所示，本發(fā)明包括圓筒狀真空室，真空室內(nèi)設(shè)有電弧靶、磁控耙、 加熱裝置和工件架。電弧靶2有40個(gè)分4列在真空爐壁1上等分均布并以逆 變電源供電，電弧靶靶材可以根據(jù)鍍層材料的要求在Cr、 Ti、 Zr中選擇其中 或一或二或三進(jìn)行調(diào)換安裝。磁控耙6是兩個(gè)按對(duì)耙設(shè)置的柱形靶，垂直位 于真空爐的中心，由一個(gè)中頻電源供電，以石墨為輩巴材。加熱裝置3分散安 裝在真空室近壁處，使加熱均勻和節(jié)省能源。在電弧靶和磁控靶之間的環(huán)形 帶上方設(shè)置工件架4，工件架安裝于真空室的結(jié)構(gòu)如圖2所示。工件架4安裝 在行星齒輪軸上，行星齒輪軸安裝在行星齒輪架8上，行星齒輪架的驅(qū)動(dòng)主 軸9與行星齒輪架以花鍵軸連接。行星齒輪架還向外伸展有懸臂。在真空室 壁1上經(jīng)支架安裝了滾動(dòng)機(jī)構(gòu)15,滾動(dòng)機(jī)構(gòu)是以與真空室壁固定的定圈、定 圈上的鋼球和鋼球上的動(dòng)圈組成的，如同一個(gè)平面軸承。在滾動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)圈上 安裝了滾動(dòng)座16用以支承行星齒輪架伸展的懸臂。真空室壁上還安裝了太陽 齒輪座14,是一個(gè)端面向上的臺(tái)階，太陽齒輪13放置在該臺(tái)階上。行星齒輪 軸上安裝的行星齒輪12與太陽齒輪嚙合。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)行星齒輪架帶動(dòng)行星 齒輪依太陽齒輪作公轉(zhuǎn)，并受太陽齒輪驅(qū)動(dòng)作自轉(zhuǎn)，使掛于工件架上的工件 在電弧靶與磁控靶之間的空間中作自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)。又如圖2所示，真空室上端 蓋是可活動(dòng)的真空室頂蓋7,驅(qū)動(dòng)主軸穿過頂蓋安裝在減速機(jī)IO輸出軸上， 減速機(jī)與電機(jī)11連4妄，減速機(jī)和電機(jī)均安裝在頂蓋上。在本發(fā)明中，真空室 進(jìn)出工件的門設(shè)置在頂端，電機(jī)和減速機(jī)可隨同頂蓋起吊，起吊時(shí)驅(qū)動(dòng)主軸 與行星齒輪架脫離。工件架可隨同行星齒輪架起吊，太陽齒輪也可起吊。同 時(shí)，工件架上還可加裝復(fù)合架5,復(fù)合架上是設(shè)置有多個(gè)掛裝鉤的工件架，當(dāng) 真空鍍裝置對(duì)小工件進(jìn)行鍍膜加工時(shí)可在復(fù)合架上掛裝更多的工件。
本發(fā)明中電弧靶和磁控靶之間的空間為環(huán)形離子鍍沉積區(qū)，由于電弧靶的高離化率，磁場(chǎng)又把等離子體緊緊的約束在電弧靶和磁控對(duì)輩巴之間，使沉 積區(qū)等離子體密度大大提高。常規(guī)鍍膜設(shè)備中，由于靶的數(shù)量較少，鍍膜時(shí) 由于工件要旋轉(zhuǎn)進(jìn)行公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，當(dāng)工件面對(duì)靶時(shí)則進(jìn)行涂層沉積，而當(dāng)工 具轉(zhuǎn)過靶面前而遠(yuǎn)離靶時(shí)則不能進(jìn)行鍍膜過程，所以導(dǎo)致鍍膜速率較低，不 能進(jìn)行厚涂層的制備。而在本鍍膜裝置中，由于整個(gè)真空室壁上全部裝滿靶， 同時(shí)真空室中間也有靶，在鍍膜時(shí)，工件可以面對(duì)更多的靶，當(dāng)工件轉(zhuǎn)到爐 壁靶前時(shí)進(jìn)行鍍膜，而當(dāng)其轉(zhuǎn)到面對(duì)真空室中間的靶時(shí)一樣還在進(jìn)行鍍膜， 幾乎沒有空余的不鍍膜時(shí)間，因此涂層的沉積速率比常規(guī)的設(shè)備要快兩倍以 上。此外，當(dāng)對(duì)各種復(fù)雜工件進(jìn)行鍍膜時(shí)，工件完全浸沒在等離子體當(dāng)中， 離子轟擊的效果非常顯著，涂層的均勻性得到了良好的保證。在這種情況下， 可以達(dá)到對(duì)超長(zhǎng)工件的加工并得到超厚、超硬的鍍層。同時(shí)還可以通過調(diào)整 工件架的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)涂層的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明充分綜合利用了中頻磁控濺射技術(shù)、對(duì)靶技術(shù)、柱形磁控濺射技 術(shù)、電弧離子鍍技術(shù)、電弧-中頻磁控結(jié)合技術(shù)，不但可以制備各種單一涂層
如TiN、 CrN、 ZrN等，還可以制備超硬涂層如TiSiN、 CrSiN等，很好地改 進(jìn)了涂層厚度的均勻性，改善了涂層質(zhì)量，提高了涂層附著力。因此，本發(fā) 明不僅使應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，具有更高的生產(chǎn)效率，而且保證了大范圍內(nèi)設(shè) 備涂層均勻性，鍍膜質(zhì)量更高，附著力更強(qiáng)。
總之，本發(fā)明提供的設(shè)備充分體現(xiàn)了各種先進(jìn)鍍膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服了 現(xiàn)有許多制備系統(tǒng)的缺點(diǎn)，具有鍍膜效率高、鍍膜成本低、操作方便等特點(diǎn)。 可以很方便的進(jìn)行工業(yè)化大生產(chǎn)，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1、一種真空鍍裝置，包括真空室，真空室有進(jìn)出工件用的門，真空室內(nèi)安裝有電弧靶、磁控靶、加熱裝置和工件架，工件架經(jīng)一行星齒輪機(jī)構(gòu)安裝在真空室中，其中行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽齒輪安裝在真空室壁上，工件架安裝在行星齒輪上，有電動(dòng)機(jī)經(jīng)變速機(jī)構(gòu)安裝在行星架驅(qū)動(dòng)軸上；其特征是所述電弧靶有28到60個(gè)且分四列均勻分布在真空室壁上，電弧靶材為Cr、Ti、Zr中的任意一種或任意兩種或全部三種，電弧靶采用逆變電源供電；所述磁控靶為一對(duì)柱形靶且并列設(shè)置在真空室中心，磁控靶材為石墨或硅，磁控靶采用中頻電源供電。
2、 如權(quán)利要求1所述的真空鍍膜裝置，其特征是所說進(jìn)出工件的門設(shè)置 在真空室頂部。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的真空鍍膜裝置，其特征是所說工件架所安裝 的行星齒輪架驅(qū)動(dòng)軸與行星齒輪架是以花鍵結(jié)構(gòu)連接的。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的真空鍍膜裝置，其特征是所說真空室壁上設(shè) 置有可依中心滾動(dòng)的滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，所說工件架所安裝的行星齒輪架向外伸展的 懸臂擱置在該滾動(dòng)座上。
5、 如權(quán)利要求1或2所述的真空鍍膜裝置，其特征是所說太陽齒輪是安 放在固定于真空室壁上的太陽齒輪座上的。
全文摘要
本發(fā)明所提供的真空鍍膜裝置，包括真空室[1]，真空室有進(jìn)出工件用的門，真空室內(nèi)安裝有電弧靶[2]、磁控靶[6]、加熱裝置[3]和工件架[4]，工件架經(jīng)一行星齒輪機(jī)構(gòu)安裝在真空室中；所述電弧靶有28到60個(gè)且分四列均勻分布在真空室壁上，電弧靶采用逆變電源供電；所述磁控靶為一對(duì)柱形靶且并列設(shè)置在真空室中心，磁控靶采用中頻電源供電。因這一結(jié)構(gòu)特性，使本發(fā)明在真空室中形成一個(gè)環(huán)形離子沉積區(qū)，使靶材獲得較高的離化度和使得電弧靶和磁控靶之間等離子體分布均勻，從而提高鍍膜效率和離子鍍效果，降低鍍膜成本，提高涂層均勻性，鍍膜過程更易于控制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可應(yīng)用于超長(zhǎng)工件，和獲得超硬、超厚鍍膜。
文檔編號(hào)C23C14/34GK101407906SQ200810121700
公開日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月20日
發(fā)明者陸漢良 申請(qǐng)人:舟山市漢邦機(jī)械科技有限公司