專利名稱：真空納米鍍膜爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利真空納米鍍膜爐屬于材料領(lǐng)域表面改性的真空離子物理鍍膜(PVD)技術(shù)和設(shè)備。利用本發(fā)明專利設(shè)備，可在工件表面實現(xiàn)多種膜系的多層納米膜復合鍍層，用以改善材料表面的性能。
背景技術(shù)：
自上世紀八十年代以來，以TiN(氮化鈦，俗稱“鈦金”)為代表的提高工具性能的離子鍍技術(shù)與裝備，作為材料表面的改性技術(shù)之一，已在制造業(yè)中得到了廣泛的應用。我國在上世紀八十年代末，開發(fā)了相關(guān)的真空鍍膜爐設(shè)備和技術(shù)，目前主要用在裝飾行業(yè)方面，工具行業(yè)也得到了一定的應用。
但隨著制造業(yè)的發(fā)展，各種新材料的應用，對工具、模具及機械零件的性能，如硬度、耐磨性、耐蝕及抗氧化性等有更高的要求，以提高其加工效率、使用性能和壽命。目前國際上新的真空鍍膜爐，能夠進行碳氮化鈦(TiCN)、氮鋁鈦(TiAlN)、氮化鋯(ZrN)等化合物及類金剛石(DLC)等，比TiN性能更好的鍍膜。例如Metaplas Ionon公司生產(chǎn)的MZR-373和MZR-323型陰極弧靶真空鍍膜爐，主要生產(chǎn)TiAlN單層鍍膜；德國CemeCon公司生產(chǎn)的CC800/9型磁控濺射靶真空鍍膜爐，可以生產(chǎn)金剛石和其他多種單層鍍膜。CemeCon公司已經(jīng)有多層膜鍍層產(chǎn)品，但僅是在TiAlN鍍層外再鍍一薄層Al2O3，形成所謂的TIALNOX“外殼”，改善了TiAlN鍍膜的硬度和結(jié)構(gòu)。
目前國內(nèi)少數(shù)工具廠已進口真空鍍膜爐進行TiAlN等鍍膜生產(chǎn)，但因設(shè)備價格昂貴，應用受到了限制。一些外企在國內(nèi)設(shè)鍍膜中心開展刀具的TiAlN等鍍膜業(yè)務，但其規(guī)模尚小。
國內(nèi)已有多層復合膜生產(chǎn)的報道，西安交大與北京航空航天大學合作開發(fā)的“新型脈沖PCVD模具表面強化設(shè)備與技術(shù)”，可以生產(chǎn)多層復合膜。但其用的是等離子體化學氣相沉積法(PCVD)，由于加工時溫度相對較高等原因，它很難制備納米量級的膜。
理論上講，VI-V族金屬元素及其碳化物、氮化物及其他化合物(見下表)膜層，在硬度、耐磨性、耐蝕及抗氧化性等方面各有特點。使用不同的離子源的真空鍍膜爐，由于各種離子源的特性不同，其生產(chǎn)的鍍膜品種也各有偏重。但不管何種真空鍍膜爐，當其生產(chǎn)的單層膜厚度達到微米級時，由于膜層晶粒長大、內(nèi)部應力大而易于產(chǎn)生微裂紋，與基體的結(jié)合強度減弱等方面的不足，限制充分發(fā)揮鍍膜材料本身固有的性能。
研究表明，當膜厚度為20～50納米左右時，由于材料晶體結(jié)構(gòu)中點缺陷和線缺陷(位錯)少，故其硬度和韌性等性能可達到材料本身最佳狀態(tài)。另外，材料科學研究表明，當不同材料相互結(jié)合在一起時，其表面以原子、分子狀態(tài)獨立存在的晶體結(jié)構(gòu)鍵聯(lián)結(jié)將產(chǎn)生互相滲透。當厚度在10～40納米左右的單層膜相互結(jié)合時，晶體結(jié)構(gòu)鍵聯(lián)結(jié)的相互滲透效果最佳，這種滲透將強化材料的性能。國際上已有關(guān)于多層納米膜優(yōu)化性能的研究報道，但尚未見有實現(xiàn)生產(chǎn)多層納米膜復合鍍層和相應的真空鍍膜爐的報道。

三、發(fā)明內(nèi)容1)技術(shù)問題眾所周知，多層膜復合鍍層可以克服了單層鍍膜存在的缺點，另外，最新科研結(jié)果更表明，復合鍍層中的每層膜的厚度降低至幾十納米時，更可顯示材料的納米尺寸效應，使鍍層材料性能處于最佳狀態(tài)。
因此，研制一種能根據(jù)需要鍍制不同材質(zhì)、厚度可控制在納米量級、并能保證納米膜與基體間和各納米膜之間有良好的結(jié)構(gòu)鍵聯(lián)結(jié)的多層納米膜復合鍍層的真空鍍膜爐，是本發(fā)明的目標。
實現(xiàn)上述思想的主要技術(shù)問題在可以同爐鍍制不同材質(zhì)的膜；控制每層膜的厚度在納米量級；保證各納米膜與基體間、膜層之間有良好的晶體結(jié)構(gòu)鍵聯(lián)結(jié)。
2)技術(shù)方案要阻止單層膜繼續(xù)增厚，改變后續(xù)沉積膜的晶粒結(jié)構(gòu)是最直接的辦法。通過將具有不同特性的等離子槍、陰極弧靶和磁控濺射靶等離子源置于同一臺真空鍍膜爐中，就可以實施不同材質(zhì)、不同晶粒結(jié)構(gòu)的鍍膜。
采用的技術(shù)方案內(nèi)容1、多種離子源共置將裝有不同靶材的等離子槍、磁控濺射靶和陰極弧靶等多種離子源置于同一真空室內(nèi)的適當位置上，每個離子源都有其特定的功能，易于實現(xiàn)交叉鍍制不同材料的膜；2、特制的離子源電源和電氣控制系統(tǒng)和工件轉(zhuǎn)動架保證按要求將工件依次鍍膜、控制膜層厚度，使每層鍍膜的厚度控制變得簡單。
3、專門的工藝程序工藝程序按工件鍍層要求，控制工件在各鍍膜區(qū)的停留時間、轉(zhuǎn)動速度接受均勻鍍膜，保證鍍層間的結(jié)合強度。
3)效果已制造了本發(fā)明真空納米鍍膜爐的試驗爐，其生產(chǎn)的多層納米膜復合鍍層的納米尺寸效應明顯，下表以TiN+TiAlN組合的多層納米膜復合鍍層的維氏硬度(Hv)為例，與其他鍍膜產(chǎn)品的比較
各種鍍膜的維氏硬度(Hv)

本發(fā)明真空納米鍍膜爐的試驗爐生產(chǎn)的鍍膜刀具，已在國內(nèi)某工具廠作過切削試驗，其切削效率和使用壽命比單層鍍膜都有明顯提高。
四

圖中1、真空室(爐體)，2、真空室門，3、視鏡，4、磁控濺射靶或陰極弧靶，5、磁控濺射靶或陰極弧靶，6、陰極弧靶或磁控濺射靶，7、陰極弧靶或磁控濺射靶，8、骨架，9、等離子槍，10、工件轉(zhuǎn)動架。
圖中工件轉(zhuǎn)動架(10)可以整體轉(zhuǎn)動(公轉(zhuǎn))，其中的每個子架部分可單獨轉(zhuǎn)動(自轉(zhuǎn))。它們的轉(zhuǎn)速可以分別控制。
五、具體實施方案為實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思想，解決技術(shù)問題采用的方案如下1、本發(fā)明真空納米鍍膜爐裝有三種離子源，爐頂部為等離子槍，爐體周圍裝有磁控濺射靶及陰極弧靶(見附圖)。
2、不同金屬靶材裝在不同的位置上，每種離子源形成獨立的鍍膜區(qū)，在不同區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生不同金屬離子，與反應氣體在負偏壓作用下，實現(xiàn)該種材料的鍍膜。
3、可公、自轉(zhuǎn)的工件轉(zhuǎn)動架，公、自轉(zhuǎn)速度可分別獨立控制，可按工件尺寸調(diào)節(jié)每個工件在不同鍍膜區(qū)的轉(zhuǎn)動速度，保證工具表面鍍膜均勻性。
4、專門設(shè)計的等離子槍、磁控濺射靶及陰極弧靶的電源和電氣控制系統(tǒng)，使等離子槍、磁控濺射靶及陰極弧靶可同時或間歇進行鍍膜，可控制每層膜的晶粒尺寸和鍍膜速度。
5、靶前端都有可開關(guān)的擋板，可按要求對不同靶的鍍膜時間進行控制，以控制納米膜的厚度。
6、專門的工藝程序?qū)ぜD(zhuǎn)動架、各離子源的電源和電氣控制系統(tǒng)進行操作，可保證納米膜與基體間及納米膜之間的良好結(jié)合，實現(xiàn)是要求的各種納米膜厚度組合的多層納米膜復合鍍層。
本發(fā)明真空納米鍍膜爐是在傳統(tǒng)真空鍍膜爐基礎(chǔ)上，在技術(shù)上有重大突破。試驗結(jié)果表明，本發(fā)明真空納米鍍膜爐設(shè)計簡單，制造方便。
不同的組合可形成多種多樣膜系的多層納米膜復合鍍層，以滿足不同的需求。本發(fā)明真空納米鍍膜爐中的磁控濺射靶因配備了專門設(shè)計的的電源和控制系統(tǒng)，具有較強的鍍膜功能，原則上可以鍍制各種材料的鍍膜。因此，雖然鍍層要求可以多種多樣，但最終幾乎總可以用本發(fā)明的設(shè)備和技術(shù)思想找到解決途徑。
權(quán)利要求
1.一種裝有多種離子發(fā)生源、可實現(xiàn)多層納米膜復合鍍層的真空納米鍍膜爐，其特征在于所述的裝有不同的靶材的多種離子發(fā)生源，可穿插或交叉安置在同一真空室內(nèi)，依靠專門的工藝程序?qū)ＴO(shè)的離子源電源和電氣系統(tǒng)的控制，可在材料表面形成多層納米膜復合鍍層，改善材料表面性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的真空納米鍍膜爐，其特征是至少需要由等離子槍、陰極弧靶、磁控濺射靶三種離子源中的兩種以上的離子源組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所說的真空納米鍍膜爐，其特征是裝有特制的工件傳動架、離子源電源和電氣控制系統(tǒng)，依靠它們將工件帶進各離子源工作范圍進行鍍膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所說的真空鍍納米膜爐，其特征是可根據(jù)要求使用專門的工藝程序?qū)ζ涔ぜD(zhuǎn)動架、各離子源的電源和電氣控制系統(tǒng)進行操作，工件在各離子源工位上可實現(xiàn)不同的停留時間和轉(zhuǎn)速，各離子源可以同時工作或間歇工作，實現(xiàn)不同材質(zhì)和厚度的納米膜交叉重疊組成的多層納米膜復合鍍層。
全文摘要
本發(fā)明真空納米鍍膜爐屬于材料領(lǐng)域表面改性的真空離子物理鍍膜(PVD)技術(shù)和設(shè)備。本發(fā)明設(shè)備，可在工件表面實多種膜系的多層納米膜復合鍍層，可應用在改善材料表面的性能。本發(fā)明將裝有不同的靶材的等離子槍、陰極弧靶和磁控濺射靶等多種離子發(fā)生源穿插或交叉安置于同一真空室內(nèi)，應用不同離子源的不同特性，產(chǎn)生不同材料、不同晶格、不同功效的納米單膜；在專用的工藝程序控制下，特殊設(shè)計的磁控濺射靶及陰極弧靶電源和電氣控制系統(tǒng)，保證控制每層膜的晶粒尺寸與厚度，實現(xiàn)納米膜的多層交叉疊加，并確保納米膜與基體、及各納米膜之間的良好結(jié)合，從而在材料表面形成各種性能良好的多層納米膜復合鍍層。多層納米膜復合鍍層克服了單層鍍膜存在的晶粒長大、內(nèi)應力大、易產(chǎn)生微裂紋，及與基體結(jié)合差等缺點，又產(chǎn)生材料的納米尺寸效應，使鍍層材料性能處于最佳狀態(tài)?？梢詮V泛應用于工、模具和特殊要求的零部件表面改性。
文檔編號C23C14/35GK1530459SQ03119719
公開日2004年9月22日 申請日期2003年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月10日
發(fā)明者強中黎, 陳維熹, 許鏡明, 薛偉賢, 張苗南 申請人:北京凱貝克咨詢有限公司