專利名稱：離子束輔助沉積鉑膜的成型模具及其工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的離子束輔助沉積鉑膜的成型模具及其工藝，特別涉及提高玻璃或石英的熱拉或熱壓成型模具的耐高溫氧化和抗熔玻璃或石英侵蝕性能的離子束輔助沉積鉑膜的成型模具，屬于真空蒸發(fā)、濺射、離子注入膜層形成材料的涂覆的技術領域。
在電真空工業(yè)及玻璃、塑料、橡膠等工業(yè)生產(chǎn)中，大量使用各種熱壓和熱拉成型模具，模具基體通常是耐熱鋼或耐熱合金。特別在電光源和針劑瓶的生產(chǎn)中，由于熔融玻璃或石英的高溫侵蝕和氧化，不僅影響模具的性能和壽命，而且會使燈管或針劑瓶等產(chǎn)品內(nèi)表面產(chǎn)生條紋或變得粗糙，降低透明度，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，有各種方法處理模具表面，以提高模具的抗高溫氧化和侵蝕的能力。早期在模具表面涂復抗高溫材料(SU876767，GB1604604)，用化學和物理方法在模具表面蒸鍍抗高溫氧化鍍層(特開昭57-071829)及其它氮化處理方法來改善模具性能。近年來，還用濺射與離子束轟擊方法在模具表面形成氮化硅膜(CN85105267)來達到改善模具性能的目的。但這些鍍層的抗熔融玻璃或石英的侵蝕性能都不如鉑。鉑具有高熔點(1772℃)及極好的化學穩(wěn)定性，因此，目前通用的玻璃或石英成型模具仍然是在模具上包裹鉑箔的方式。然而，鉑價格昂貴，使生產(chǎn)成本提高，企業(yè)難以承受。也有嘗試改進模具基體材料的，但實踐證明，收效甚微。目前使用的成型模具經(jīng)常需要更換，生產(chǎn)難以持續(xù)進行，不僅增加成本，而且難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。
本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種既充分利用鉑極佳的抗高溫氧化和侵蝕性能，又大大減少鉑的用量以降低成本，并得以提高模具的使用壽命的新的模具結(jié)構(gòu)及其制造工藝。它是用離子束輔助沉積方法，在模具基體表面生成與模具基體結(jié)合牢固、具有優(yōu)異的抗高溫氧化及抗熔融玻璃或石英侵蝕的鉑薄層，形成離子束輔助沉積鉑膜的成型模具。
本發(fā)明的成型模具包括耐熱鋼或耐熱合金模具基體，其特征在于基體上有一層離子束輔助沉積的鉑膜，鉑膜厚度為3-20微米。
鉑膜厚度的最佳值為5-10微米。
本發(fā)明的離子束輔助沉積鉑膜的成型模具的工藝，包括耐熱鋼或耐熱合金模具基體的拋光與化學清洗工藝，其特征在于用離子束輔助沉積工藝沉積鉑膜，具體工藝為a.將化學清洗好的模具基體及鉑靶置入離子束輔助沉積裝置的工作室，抽真空使工作室基礎真空優(yōu)于1×10-3帕，b.用氮或惰性氣體作為清洗離子源的放電氣體，在離子轟擊下剝離模具基體表面，使露出新鮮表面，c.用電子束蒸發(fā)沉積鉑膜或以惰性氣體作為濺射離子源的放電氣體濺射沉積鉑膜，鉑膜厚度為3-20微米，在蒸發(fā)或濺射的同時，以氮或惰性氣體作為轟擊離子源的放電氣體，以10-100kev的能量的轟擊離子轟擊沉積的鉑膜，轟擊離子源的基礎真空優(yōu)于4×10-4帕，d.關閉真空，取出已沉積鉑膜的模具。
上述工藝中b步的剝離厚度最好為20-50納米。
上述工藝c步中，電子束蒸發(fā)的沉積速率為15-50納米/分，離子束濺射的沉積速率為5-15納米/分，鉑膜的最佳厚度為5-10微米。
上述工藝中c步的轟擊離子能量最好為10-50kev，束流密度10-20微米/平方厘米。
用本發(fā)明的工藝可以制備沉積了3-20微米的離子束輔助沉積鉑膜的成型模具，模具表面光滑，沉積前后模具的幾何尺寸幾乎不變。使用本發(fā)明的模具大大提高了模具的抗高溫氧化性能和抗熔融玻璃或石英的侵蝕性能，延長了模具的壽命。本發(fā)明通過離子束輔助沉積使鉑膜與模具基體結(jié)合牢固，可長期使用，保證了使用成型模具的產(chǎn)品質(zhì)量和長期穩(wěn)定生產(chǎn)。
以下通過用離子束濺射沉積鉑膜并同時用離子束轟擊沉積鉑膜的實施例進一步說明本發(fā)明的工藝。
1.離子束輔助沉積裝置

圖1表示本實施例所用的離子束輔助沉積裝置。它是一種寬束離子束混合裝置，該裝置由三個離子源及相應的引出部、濺射靶、工作室和工作臺組成，另外包括真空系統(tǒng)、濺射靶及工作臺冷卻系統(tǒng)、離子源供氣系統(tǒng)及整機的供電、控制系統(tǒng)，除真空系統(tǒng)外，圖中未畫出。圖中1為轟擊離子源(高壓離子源)，2為清洗離子源，3為主真空系統(tǒng)，4是工作臺，5是濺射離子源，6是濺射靶，7是輔助真空系統(tǒng)，8為待處理工件。
三個離子源1、2、5均采用考夫曼型雙柵多孔引出結(jié)構(gòu)。轟擊離子源1用于中等能量的離子轟擊，離子能量可在3-100kev范圍變化，采用無聚焦、無分析、短光路的引出結(jié)構(gòu)，以達到強流、高效的束傳輸，使在工作臺面中φ200mm的圓面積內(nèi)，束流分布均勻度優(yōu)于20%。濺射離子源5的工作能量通常在2kev以上，束流強度100-150mA，濺射束呈聚焦狀態(tài)以提高濺射速率，一般濺射速率在每分鐘幾個納米至幾百納米之間。清洗離子源2的離子能量可在300-1000ev內(nèi)調(diào)節(jié)，最大束流50mA，濺射靶6由圍繞水平軸，相隔120°布置的三個靶子組成，可在不破壞真空的條件下順次濺射不同材料于工件表面，本發(fā)明只使用鉑靶。濺射靶靶座內(nèi)設有水冷系統(tǒng)。工作臺4置于工作室內(nèi)，工件8(待處理的模具基體)在工作臺上可隨工作臺作多種方式運動，以提高工件表面離子束清洗，濺射成膜和離子束轟擊的均勻性，保證模具基體表面鉑膜沉積厚度及性能的一致性。工作臺內(nèi)也設有水冷系統(tǒng)。主真空系統(tǒng)3保證工作室的基礎真空優(yōu)于1×10-3帕，輔助真空系統(tǒng)使轟擊離子源的基礎真空達到優(yōu)于4×10-4帕后，啟動清洗離子源2以離子束清洗模具基體，清洗離子源的放電氣體使用氬，離子能量950ev，使模具表面剝離20-50納米，以露出新鮮表面。
3.啟動濺射與轟擊離子源，濺射離子源的放電氣體為氬，轟擊離子源的放電氣體采用氮，濺射與轟擊離子源同時工作，濺射離子能量2-2.5KEV，束流90-130mAAr+，濺射沉積速率10-15納米/分，轟擊離子能量在50-10kev，束流密度為10-20微安/平方厘米，濺射與轟擊時間視需沉積的鉑膜厚度而定。
用本實施例的工藝可得到本發(fā)明的離子束輔助沉積鉑膜的成型模具，鉑膜厚度為5-10微米。
本實施例的成型模具在節(jié)能燈管生產(chǎn)過程中試用證明，沉積了鉑膜的模具單次使用周期超過了原模具壽命的九倍，在卸下后，可重新裝在生產(chǎn)線上繼續(xù)使用，其成本大大低于用鉑膜包裹的成型模具。使用本發(fā)明的模具，保證了節(jié)能燈管的質(zhì)量，也實現(xiàn)了長期穩(wěn)定生產(chǎn)，減少停產(chǎn)損失，從而大大提高了生產(chǎn)效益。
上述實施例中，如離子束輔助沉積裝置再增加一電子束蒸發(fā)裝置(或替代上述實施例的濺射離子源裝置)，則可以電子束蒸發(fā)鉑膜替代離子束濺射薄膜，在蒸發(fā)的同時，也同樣以轟擊離子轟擊，亦可得到離子束輔助沉積鉑膜的成型模具。用電子束蒸發(fā)沉積薄膜的沉積速率為15-50納米/分。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明為離子束輔助沉積鉑膜的模具，包括耐熱鋼或耐熱合金模具基體，本發(fā)明的特征在于基體上有一層用離子束輔助沉積的鉑膜，鉑膜厚度為3-20微米。
2.按權(quán)利要求1所述的成型模具，其特征在于離子束輔助沉積鉑膜的厚度最佳值為5-10微米。
3.一種制造權(quán)利要求1所述成型模具的離子束輔助沉積鉑膜的工藝，包括耐熱鋼或耐熱合金的拋光和化學清洗工藝，本發(fā)明的特征在于用離子束輔助沉積工藝沉積鉑膜，具體工藝為a.將化學清洗好的模具基體及鉑靶置入離子束輔助沉積裝置的工作室，抽真空使工作室基礎真空優(yōu)于1×10-3帕，b.用氮或惰性氣體作為清洗離子源的放電氣體，在離子轟擊下剝離模具基體表面，使露出新鮮表面，c.用電子束蒸發(fā)沉積鉑膜或以惰性氣體作為濺射離子源的放電氣體濺射沉積鉑膜，鉑膜厚度為3-20微米，在蒸發(fā)或濺射的同時，以氮或惰性氣體作為轟擊離子源的放電氣體，以10-100kev能量的轟擊離子轟擊沉積的鉑膜，轟擊離子源的基礎真空優(yōu)于4×10-4帕，d.關閉真空，取出沉積鉑膜的模具。
4.按權(quán)利要求3所述的工藝，其特征在于所說的清洗離子源與濺射離子源的放電氣體為氬，轟擊離子源的放電氣體為氮。
5.按權(quán)利要求3所述的工藝，其特征在于所說的電子束蒸發(fā)沉積鉑膜的沉積速率為15-50納米/分。
6.按權(quán)利要求3、4、或5所述的工藝，其特征在于清洗離子源的清洗離子轟擊下使模具基體表面剝離的厚度為20-50納米。
7.按權(quán)利要求3或4所述的工藝，其特征在于所說的離子束濺射沉積鉑膜的沉積速率為5-15納米/分。
8.按權(quán)利要求3、4或5所述的工藝，其特征在于所說的轟擊離子的能量最好為10-50kev，束流密度為10-20微安/平方厘米。
9.按權(quán)利要求3、4所述的工藝，其特征在于沉積鉑膜的最佳厚度為5-10微米。
全文摘要
本發(fā)明是離子束輔助沉積鉑膜的成型模具及其工藝，屬于真空蒸發(fā)、濺射及離子注入膜層形成材料涂覆的技術領域，它是在成型模具基體上用離子束輔助沉積形成3—20微米的鉑膜，用氮或惰性氣體作為清洗和轟擊離子源的放電氣體，用惰性氣體作為濺射離子源的放電氣體。用本發(fā)明的工藝可制得抗高溫氧化和抗熔融玻璃腐蝕性能優(yōu)異的成型模具，延長了模具的壽命，降低了生產(chǎn)成本，保證了穩(wěn)定生產(chǎn)，并使產(chǎn)品質(zhì)量大大提高。
文檔編號C23C14/14GK1095428SQ9311244
公開日1994年11月23日 申請日期1993年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1993年5月21日
發(fā)明者孫義林, 張福民, 陳酋善, 牟海川 申請人:中國科學院上海冶金研究所