專利名稱：一種等離子全方位離子沉積設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鍍膜領域，具體地說一種提高鍍膜速率、降低DLC涂層的內應力的等離子全方位離子沉積設備。
背景技術：
二十世紀七十年代以來，鍍膜工藝在工業(yè)界掀起了狂潮，各種鍍膜技術紛紛都走向了產業(yè)化。在礦山機械領域，涉及的問題主要是高 耐磨，抗氧化，耐腐蝕，高疲勞壽命等。據不完全統(tǒng)計，在發(fā)達國家，由表面失效而造成的經濟損失占GDP的4%，這意味著美國每年在表面失效上要花費2800億美元，在德國，用于降低磨損的潤滑油就達到了 20億美元/年，而且每年以5%的速度劇增，因此，關鍵零部件的表面處理變得尤為重要。類金剛石涂層在機械礦山領域有著廣闊的應用，如齒輪、截齒、篩網、活塞等。1971年Aisenberg等人首次利用碳離子制備出類金剛石膜(Diamond Like Carboncoating，簡稱DLC涂層)，類金剛石(DLC)涂層是含有金剛石相(sp3鍵或其雜化態(tài))和石墨相(SP2鍵)的非晶態(tài)碳膜。其中的碳原子部分處于金剛石的雜化狀態(tài)，部分處于石墨的雜化狀態(tài)，也有極少數(shù)的碳處于SP1雜化態(tài)。類金剛石涂層不僅具有高硬度、低摩擦系數(shù)，在工件表面鍍上DLC之后能起到很好的耐磨減摩效果。同時，DLC涂層還具有極高電阻率和極好的耐蝕性、光學透過性及生物相容性，它是機械、電子、航天航空、醫(yī)學、光學等領域的理想材料。作為表面處理技術的一個分支，等離子全方位離子沉積技術(Plasma ImmersionIon Deposition),簡稱為PIID技術，它是等離子增強化學氣相沉積技術的一種。利用PIID技術可以制備出類金剛石涂層，簡稱DLC涂層。盡管DLC涂層具有高硬度、低摩擦系數(shù)、耐磨耐腐蝕能多種優(yōu)異的性能，隨著科技的進步，對材料性能的要求就越來越苛刻。傳統(tǒng)的類金剛石涂層已經不能滿足工業(yè)化更高品質，更好層次產品的需求。目前，國內外關于類金剛石涂層的研究主要集中在以下幾個方面I、與基體材料的結合力問題。DLC與基體材料的結合力差導致其在服役過程中的剝落是目前面臨的最大的問題。如DLC涂層在ZnS基體上的附著力非常差，在陶瓷、玻璃、塑料、樹脂上的附著力也不夠好，在硅和鋼上面雖然有較強的附著力，但對于惡劣環(huán)境應用仍有待進一步提高。其原因是DLC涂層和基體之間晶格結構及物理性能如熱膨脹系數(shù)、彈性模量等的不兼容性。2、內應力大導致脆性崩裂。對附著力差的基體，巨大的內應力很容易引發(fā)膜的開裂和剝落。由于內應力大的緣故，DLC在刀具上的應用就受到了限制，特別是在切割鋼鐵、硬質合金等材料的時候，巨大的內應力會導致涂層崩裂而提前失效。另外，如何降低鍍膜成本、提高鍍膜速率、提高涂層的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性能也是目前正在研究的方向。為了降低DLC涂層的內應力、提高涂層的結合強度、實現(xiàn)大批量產業(yè)化鍍膜，科研工作者們對于PIID設備進行了廣泛而深入的研究。
目前，國內外對于新型PIID設備的研制發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面I、提高真空室內等離子體密度，如何快速高質量地鍍膜；2、研制大型的真空罐體，能夠裝載更多更大的工件，并能實現(xiàn)自動化、連續(xù)化鍍膜以降低鍍膜成本；3、對設備主體(包括真空設備和電源設備)進行優(yōu)化，解決DLC涂層與基體的結合力問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的提供一種結構改進的等離子全方位離子沉積設備，該設備不僅能提高鍍膜速率和致密度高、降低DLC涂層的內應力、提高涂層的結合強度，而且能降低鍍膜成本、提高涂層的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。本發(fā)明解決技術問題采用如下方案 一種等離子全方位離子沉積設備，該設備包括真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、人機控制系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、真空檢測系統(tǒng)以及高壓電源系統(tǒng)，所述真空鍍膜室內設有用于放置鍍膜工件的絕緣支架，其結構特點在于，該設備還設置有等離子增強裝置，所述等離子增強裝置由位于真空鍍膜室內的一根金屬絲和電源裝置組成，所述電源裝置由用來控制金屬絲上輸出功率自耦變壓器、接在自耦變壓器輸出端的隔離變壓器以及直流放電電源組成，所述自耦變壓器與交流電源相連，所述隔離變壓 器下端通過引線穿入真空鍍膜室內與真空鍍膜室內的金屬絲相連形成回路，所述直流放電電源一端與金屬絲相連，另一端接地；DLC涂層摻雜裝置，所述摻雜裝置包括與真空鍍膜室通過管道相連的外置式氣源輸入裝置和位于真空鍍膜室內的內置式金屬蒸汽源高頻感應加熱裝置。本發(fā)明結構特點還在于所述金屬絲為高熔點的鎢絲或鉭絲。所述加載在金屬絲上的交流電壓為0 220V。與已有技術相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在I、本發(fā)明等離子全方位離子沉積設備增設等離子體增強裝置，在鍍膜的過程中，由于等離子體密度的提高，更多的帶正電的離子在工件表面沉積，從而提高鍍膜速率，其鍍膜速率在0飛u m/h之間；另外，不斷的轟擊使DLC的致密度和結合力增強。2、本發(fā)明在原有等離子全方位離子沉積設備的基礎上增設DLC涂層的摻雜裝置，降低DLC涂層的內應力，實現(xiàn)不同的功能需求；例如，對于自清潔功能的表面可選擇低表面能F-DLC、Si-O-DLC涂層；對于刀具模具強接觸應力的環(huán)境可使用Ti_DLC、Cr-DLC等含金屬的涂層；對于一般的需求，使用普通的DLC涂層即可。


圖I是發(fā)明等離子全方位離子沉積設備系統(tǒng)構成圖。圖2是本發(fā)明等離子增強裝置原理圖。圖3本發(fā)明金屬氣源摻雜裝置于PIID設備上的應用不意圖。圖4是本發(fā)明金屬蒸汽源高頻感應加熱原理圖。圖5是本實施例加工工件做的結合力試驗效果圖。
圖中標號1真空檢測系統(tǒng)、2等離子增強裝置、3充氣系統(tǒng)、4工件、5高壓電源系統(tǒng)、6人機控制系統(tǒng)、7抽氣系統(tǒng)、8真空鍍膜室、9外置式氣源輸入裝置、10支架、11金屬蒸汽源高頻感應加熱裝置。以下結合附圖通過具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。
具體實施方式

如圖I所示，等離子全方位離子沉積設備，包括公知的真空鍍膜室8、抽氣系統(tǒng)7、人機控制系統(tǒng)6、充氣系統(tǒng)3、真空檢測系統(tǒng)I以及高壓電源系統(tǒng)5，其中高壓電源系統(tǒng)由IGBT逆變橋、高頻變壓器、直流電源PCB板、濾波電感、信號原端PCB板、下拉驅動和頻率采樣板、脈沖信號隔離磁環(huán)組成，真空鍍膜室內設有用于放置鍍膜工件4的絕緣支架10，該設備還設置有等離子增強裝置2，等離子增強裝置由位于真空鍍膜室內的一根金屬絲和電源裝置組成，金屬絲為高熔點的金屬材料，如鎢絲、鉭絲；電源裝置由用來控制金屬絲上輸出功率自耦變壓器、接在自耦變壓器輸出端的隔離變壓器以及直流放電電源組成，其中，自耦變壓器與交流電源相連，隔離變壓器下端通過引線穿入真空鍍膜室內與真空鍍膜室內的金屬絲相連形成回路，直流放電電源一端與金屬絲相連，另一端接地。該設備還設置有DLC涂層摻雜裝置，摻雜裝置包括與真空鍍膜室通過管道相連的外置式氣源輸入裝置9和位于真空鍍膜室內的內置式金屬蒸汽源高頻感應加熱裝置11。下面通過該設備的工作原理以進一步解釋說明本發(fā)明方案。等離子全方位離子沉積設備沉積DLC涂層的基本過程是將工件置于真空鍍膜室，利用由組合泵體組成的抽氣系統(tǒng)將真空鍍膜室抽氣至KT3Pa以下，此時，通過充氣系統(tǒng)向真空鍍膜室內充入Ar氣，并在工件上施加高壓脈沖電壓( 4KV)。由于工件表面為陰極，工件表面不斷向外釋放電子，電子與Ar原子發(fā)生碰撞使其電離，這時，整個真空鍍膜室內部都充滿了等離子體，工件表面等離子體強度更高。Ar+帶正電，受到工件的吸引加速轟擊表面，實現(xiàn)等離子體清洗，這個過程一般需要2 3小時。清洗完畢后，在不降低電壓的情況下，向真空鍍膜室直接充入碳氫氣體，如乙炔、甲烷、乙烯等，電子轟擊這些氣體分子將其電離，和Ar氣不同的是，帶正電的這些離子轟擊到工件表面，獲得電子后不會變成氣體脫離表面(Ar氣則直接脫離工件表面)，而是以固態(tài)的形式直接沉積下來，形成了碳氫涂層，也就是類金剛石涂層，其中含有30%左右的固態(tài)氫，因此比金剛石韌性高，硬度能達到金剛石的25 30%。等離子增強裝置的設計圖(如圖2所示)，該裝置有由三套電源裝置和一根金屬絲組成，電源裝置包括自耦變壓器、隔離變壓器、直流電源。通過自耦變壓器來控制金屬絲上輸出功率，從而控制了電子的輸出量。1:1隔離變壓器的主要作用使自耦變壓器上的電流信號和直流放電電流不干擾。從圖3同時可以看出，真空鍍膜室內有一根被加熱的金屬絲，當真空鍍膜室內氣壓到達幾個毫托，在金屬絲和真空鍍膜室壁之間施加直流放電電壓(DCDischarge Power Supply),即真空鍍膜室壁接地,金屬絲上為恒定負偏壓C 一 120V)。同時，在金屬絲上加載交流電(電壓(T220V)，電流8(Γ85Α)，金屬絲被加熱后向真空室內釋放電子，在放電電壓的作用下，電子被加速向真空壁飛去，由于真空室內存在大量的氣體分子(Ar, TMS, N2等)，電子與中性氣體分子(原子)發(fā)生碰撞，導致氣體電離，并最終使真空室內產生等離子體。這樣，真空室內內除了工件本身產生的等離子體之外，加熱的金屬絲也產生了大量的等離子體，從而極大地增強了真空罐內的等離子密度。等離子體密度的增加意味著更多的中性原子(分子)被電離，帶正電的離子轟擊到工件表面，在等離子清洗時可以加快離子束清洗速度，有的時候甚至可以在工件上使用較低負偏壓進行等離子清洗。在鍍膜的過程中，由于等離子體密度的提高，更多的帶正電的離子在工件表面沉積，從而提高鍍膜速率。另外，不斷的轟擊膜層的致密度和結合力增強。等離子體增強裝置對于工件在等離子滲氮工藝過程中起到至關重要的作用。通常，對于Fe基等大多數(shù)材料而言，滲氮的溫度一般要再400°C以上，PIID技術的沉積溫度為150°C左右，這樣的溫度既有優(yōu)勢也有缺點，如何使工件表面的溫度升高成為滲氮成敗的關鍵性因素。等離子增強裝置的引入可以徹底攻破這一僵局，前面已經說明，金屬絲產生的等離子體是獨立于工件表面產生的等離子體的，經法拉第杯(Faraday Cup)試驗測定,發(fā)現(xiàn)有金屬絲的離子電流密度是單獨工件表面產生的等離子體離子電流密度的25倍，足夠的電流密度為等離子滲氮過程中提供了充足的能量轟擊，使溫度升高到所需的滲氮溫度。經過 等離子滲氮后的工件表面再鍍上DLC膜，可以顯著提高DLC和基體的結合力。本發(fā)明設備采用兩種方式實現(xiàn)DLC涂層的摻雜，分別是氣源摻雜、金屬蒸汽摻雜。對于每一種摻雜，均做如下設置①氣源摻雜非金屬摻雜一般選擇在室溫下為氣態(tài)或飽和蒸汽壓較高的液體，通常將氣體或液體裝入圖I外置式氣源輸入裝置的罐體中，通過管道傳輸將氣體(蒸汽)均勻輸送到真空鍍膜室內，通過等離子體的轟擊即可實現(xiàn)摻雜。在管道輸送過程中設有廣2個閥門控制氣體(蒸汽)流速，可以控制摻雜元素的含量。如含F(xiàn)的DLC膜可以實現(xiàn)表面的自清潔功能，H2SiF6、HFXCl2F2為可選氣源。與常規(guī)DLC相比，F(xiàn)-DLC具有更低的表面能，與水的接觸角在120°以上。如果將含有F的DLC應用在大型場館的玻璃上，玻璃可以實現(xiàn)自清潔，可以避免人員高空作業(yè)的危險。金屬氣源摻雜的金屬包括Ti、Cr、W等，要想使用PIID設備進行鍍膜，必須使用其氣態(tài)的形式。將含有金屬的TiCl4,CrCl4,WF6的液體加入到外置式氣源輸入裝置的罐體中，利用溫控裝置加熱罐體的外壁，并使溫度穩(wěn)定在60°C左右，TiCl4, CrCl4, WF6的液體受熱蒸發(fā)，通過管道輸送到鍍膜室，金屬蒸汽受到電子的轟擊被電離，和傳統(tǒng)的PIID鍍膜原理相同，之后在工件表面形成了 Ti-DLC，Cr-DLC, W-DLC等第三代DLC涂層，第三代DLC涂層內應力均值僅為一 1.33Gpa?？紤]到TiCl4,CrCl4,WF6金屬氣體具有劇烈的毒性和腐蝕性，在鍍膜過程中一般采用以下三種方式進行防護a.真空鍍膜室內壁使用不銹鋼襯板和烘烤裝置，防止金屬蒸汽的吸附，同時便于襯板取出噴砂用于下次鍍膜；b.采用分子泵，羅茨泵和機械泵鍍膜，并在每次鍍膜后換油；c.排氣后使用氣體收集和壓縮裝置，避免了金屬氣體對大氣的污染。②金屬蒸汽摻雜金屬蒸汽摻雜是在真空鍍膜室加入金屬蒸汽源，其原理如圖4所示。在真空鍍膜室內加坩堝，坩堝內加入所需要摻雜的元素顆粒，使用高頻感應加熱裝置對坩堝進行加熱，加熱后的金屬蒸汽會擴散到真空鍍膜室的各個位置。和DLC鍍膜原理相同，工件表面釋放的電子與金屬氣體原子和C、H氣體發(fā)生碰撞后,使其電離,受到工件負偏壓的吸引，帶正電的離子轟擊到工件表面，最終形成Me-DLC。選用的摻雜元素主要有以Ti、Cr、Al、Co、Cu等金屬，具體加熱溫度可以通過坩堝上的熱電偶反饋。對于不同的金屬，在鍍膜氣壓(IPa)下，其熔化溫度和蒸發(fā)溫度見表I所示。表I DLC摻雜常用金屬的熔化溫度及其在Pv=IPa時的蒸發(fā)溫度
權利要求
1.一種等離子全方位離子沉積設備，該設備包括真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、人機控制系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、真空檢測系統(tǒng)以及高壓電源系統(tǒng)，所述真空鍍膜室內設有用于放置鍍膜工件的絕緣支架，其特征在于，該設備還設置有 等離子增強裝置，所述等離子增強裝置由位于真空鍍膜室內的一根金屬絲和電源裝置組成，所述電源裝置由用來控制金屬絲上輸出功率的自耦變壓器、接在自耦變壓器輸出端的隔離變壓器以及直流放電電源組成，所述自耦變壓器與交流電源相連，所述隔離變壓器下端通過引線穿入真空鍍膜室內與真空鍍膜室內的金屬絲相連形成回路，所述直流放電電源一端與金屬絲相連，另一端接地； DLC涂層摻雜裝置，所述摻雜裝置包括與真空鍍膜室通過管道相連的外置式氣源輸入裝置和位于真空鍍膜室內的內置式金屬蒸汽源高頻感應加熱裝置。
2.根據權利要求I所述的一種等離子全方位離子沉積設備，其特征在于所述金屬絲為具有高熔點的鶴絲或鉭絲。
3.根據權利要求2所述的一種等離子全方位離子沉積設備，其特征在于所述加載在金屬絲上的交流電壓為(T220V。
全文摘要
一種等離子全方位離子沉積設備，該設備包括真空鍍膜室、抽氣系統(tǒng)、人機控制系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)等部分，所述真空鍍膜室內設有用于放置鍍膜工件的支架，其特征在于，該設備還設置有等離子增強裝置和DLC涂層摻雜裝置，該增強裝置由位于真空鍍膜室內的一根金屬絲和自耦變壓器、隔離變壓器、直流放電電源組成，DLC涂層摻雜裝置由外置式氣源輸入裝置和內置式金屬蒸汽源高頻感應加熱裝置組成。本發(fā)明裝置在鍍膜的過程中，由于等離子體密度的提高，更多的帶正電的離子在工件表面沉積，從而提高鍍膜速率，而且，大量的離子轟擊使DLC的致密度和結合力提高，另外，金屬元素摻雜后可以顯著降低DLC涂層的內應力。
文檔編號C23C14/06GK102719788SQ20121017985
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月30日 優(yōu)先權日2012年5月30日
發(fā)明者李燦民, 陶滿 申請人:合肥永信等離子技術有限公司