专利名称：一种用于工模具表面强化的纳米多层镀膜装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于工模具表面强化的可沉积纳米多层膜的镀膜装置。
背景技术：
物理气相沉积作为一种先进的材料表面改性技术被大量地应用于国民经济的各个领域。近二十年来以TiN为主的单层膜在装饰行业得到了广泛地应用。中国制造业的迅猛发展对工具、模具等加工成型工具以及其它机械零部件在硬度、耐磨性等方面提出了越来越高的要求，而单一成分的膜层往往不能达到这些要求。由于多层膜包含两种或两种以上的材料形成的膜层，因此在硬度、耐磨性、抗冲击、耐腐蚀等方面往往优于单一膜层。专利CN1156598C中公布了一种由150-180微米的渗氮层，2微米的TiN层和1.5微米的TiCN层构成的多层复合膜结构。专利US6558749B2中公布了由TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中任意两种成分的膜层以及中间的过渡层构成的多层复合膜结构，它们的性能均优于单一膜层。
纳米多层膜是由两种或两种以上的材料在纳米的尺度上交替生长而成的多层薄膜，且其成分和(或)结构可调制。通过改变和控制膜层材料、调制周期及调制比，即可制备出不同的纳米多层膜。在某些纳米多层膜结构中，由于不同膜层之间弹性模量、晶格常数、界面状况、位错能量等参数之间的差异，会出现超硬效应(superhardness)。自从Yang等在1977年首先发现金属/金属纳米多层结构的超硬效应后(W.M.C.Yang，T.Tsakalakos，and J.E.Hilliard.Enhanced elastic modulus in composition-modulated gold-nickel and copper-palladium foils.J.Appl.Phys.48，876-879，1977)，金属/陶瓷(K.K.Shih and D.B.Dove.Ti/Ti-N Hf/Hf-N andW/W-N multilayer films with high mechanical hardness.Appl.Phys.Lett.61(6)，654-656，1992)、陶瓷/陶瓷(M.L.Wu，W.D.Qian，Y.W.Chung，et al.Superhard coatings of CNx/ZrN multilayersprepared by DC magnetron sputtering.Thin Solid Films.308-309，113-117，1997)纳米多层结构的超硬效应也被相应发现。
纳米超硬效应的发现给表面工程技术提供了一个崭新的方向。研究表明膜层出现纳米超硬效应需要具备以下条件首先各膜层之间必须形成清晰尖锐的界面，界面上成分的梯度变化会使得界面宽度增加，而界面宽度的增加会严重地降低纳米多层膜的力学性能(X.Chu，S.A.Barnett.Model of superlattice yield stress and hardness enhancements.J.Appl.Phys.77，4403-4411，1995)。其次，纳米多层膜的调制周期必须在一定的范围内。位错理论以及相关的研究结果(W.M.C Yang和M.L.Wu)表明，根据纳米多层膜膜系成分、调制比、界面宽度等方面的不同，一般情况下当调制周期为3-20纳米时多层膜会出现较为明显的超硬效应。
专利US5330853中提供了一种通过控制氮气气氛而形成TiAlNx/TiAlNy多层膜，然而其调制周期为1微米，与通常产生纳米多层膜超硬效应的调制周期3-20纳米相差甚远。专利US5340454和JP2004255285中均采用直线方式传动工件，并用隔板将真空室分隔成若干彼此不受干扰的空间。当工件在不同空间内传动时，即可沉积多层膜。但其目的是沉积多层的功能膜层，而不是成分或结构具有周期性交替变化的纳米超硬膜层。专利CN1530459A中公布了一种在同一真空室内沉积纳米多层膜的设备，其中装有若干交叉分布的不同成分的靶，通过对工件回转传动的机械控制以及不同靶材沉积速率的电气控制即可生成多层纳米复合膜。然而不同靶材在沉积时的相互干扰会使得不同膜层之间无法形成清晰尖锐的界面，而界面宽度的增加会严重地降低纳米多层膜的性能。此外，此专利也只能采用同种反应气氛，无法沉积金属/陶瓷或需不同反应气氛的陶瓷/陶瓷膜系。专利US5750207中也提供了一种类似的沉积成分可调制的膜层的方法，但仍旧无法解决不同靶材镀膜时的相互干扰问题，且只能通入同种反应气体。专利CN1616707A中公布了一种通过控制脉冲数的方法控制靶材蒸发量，当交替或顺序开启或关闭蒸发源时而可沉积纳米多层膜。然而关闭蒸发源后真空室中会有残余的金属离子，这些离子必然会对开启下一个蒸发源镀膜时造成成分上的污染，从而无法沉积具有清晰界面的多层膜。此外该专利也只能采用同种反应气体。如果为了降低靶材成分相互干扰可以在其中间隙多加一道抽真空工序，但会极大地降低了生产效率。专利CN1470671A和CN200410053490.8中涉及了两种超硬纳米多层膜的制备工艺，然而并未涉及任何制备装置的结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能制备具有超硬效应的纳米多层膜的装置。本装置能沉积金属/金属、金属/陶瓷以及陶瓷/陶瓷等纳米多层膜并能对膜层成分和厚度进行调制，形成的多层膜中每一膜层成分单一，不同膜层之间能形成清晰尖锐的界面。此外，独特的结构和传动设计能彻底摆脱实验室的局限性，利于规模化的工业生产。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于工模具领域的纳米多层镀膜装置，其包括真空室；圆筒形隔板支撑架，设置于真空室中；至少四个隔板，安装于圆筒形隔板支撑架上且将真空室分隔成至少四个隔离室；中心抽气管，设置于所述圆筒形隔板支撑架中；至少两个蒸发装置，设置于所述真空室的壁上，任何两个蒸发装置所在的隔离室不相邻；离子源，设置于所述真空室的壁上，不与任何所述蒸发装置同处于一个隔离室中；至少四个工件架，每个工件架分别安装于独立的所述隔离室中，所述工件架、所述隔板和所述圆筒形隔板支撑架可绕同一公转轴同步旋转；磁流体密封同心多轴传动装置，安装于所述真空室的顶部或底部，并将动力由所述真空室外引入真空室内；抽气口，设置于与所述磁流体密封同心多轴传动装置相对的一侧并与中心抽气管相连接。
所述圆筒形隔板支撑架上有至少四个开口。
所述中心抽气管上有至少两个第一开口和两个第二开口。其中第一开口与蒸发装置相对应，第二开口交错穿插于第一开口之间，且第二开口面积大于第一开口面积。
所述蒸发装置包括磁控溅射靶、阴极弧靶等。
每个所述蒸发装置还包括独立的供气系统。
所述离子源可采用点状或线性的霍尔源、考夫曼源或ICP源等。
所述工件架上安装有一次自转轴，或按需要还安装有二次自转轴。
在所述真空室外安装有多台转速可调电机，所述电机的动力通过所述磁流体密封同心多轴传动装置引入所述真空室内并通过齿轮、轴承等传递至所述公转轴、一次自转轴和二次自转轴。
图1为本发明实施例1的镀膜装置的真空室俯视图；图2为本发明实施例2的镀膜装置的真空室俯视图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1如图1所示，真空室壁16上安装有真空室门17、离子源9、第一蒸发装置4和第二蒸发装置14。其中每一个蒸发装置上均配有独立的供气系统。真空室内装有圆筒形隔板支撑架3和多个隔板7，圆筒形隔板支撑架3和隔板7将真空室分为四个隔离室10。圆筒形隔板支撑架3上有四个开口6。圆筒形隔板支撑架3中设置有中心抽气管2，中心抽气管2上有两个第一开口15和两个第二开口11。其中第一开口15与蒸发装置相对应，第二开口11交错穿插于第一开口15之间，且第二开口11面积大于第一开口15面积。每个隔离室10中分别安装有工件架5。工件架5、隔板7和圆筒形隔板支撑架3可绕同一公转轴12旋转，工件架5上装有一次自转轴1，一次自转轴1上可安装工件。真空室顶部安装有磁流体密封同心双轴传动装置8，该装置位于真空室外的部分与两台转速可调电机相连接，该装置位于真空室内的部分通过齿轮、轴承等传动构件将动力传递至公转轴12和一次自转轴1，并且两个轴的转速可以通过两台电机的转速的组合进行独立控制。中心抽气管2位于真空室顶部一端封闭，位于真空室底部一端接抽气口13。
镀膜时操作方法如下(以沉积TiN/SiC纳米多层膜为例)在第一蒸发装置4上安装Ti靶，且在第二蒸发装置14上安装Si靶。
打开真空室门17，装载工件。关闭真空室门17，抽至所需真空度。开启离子源9对工件架5上工件进行清洗，在清洗过程中可根据工件的具体形状保持工件架5的一定的一次自转转速。清洗完毕后将未清洗过的其它工件架5旋转至离子源9对应位置并清洗该工件架上的工件。重复该操作至所有工件清洗完毕。然后，由第一蒸发装置4的供气系统通入N2，由第二蒸发装置14的供气系统通入C2H2，同时开启两个蒸发装置开始镀膜。镀膜过程中可根据工件的具体情况保持工件架5一定的一次自转转速。同时可通过控制各自的蒸发装置及其供气系统的参数，独立地控制膜层的厚度。在镀膜期间，通过抽气口13保持对所有隔离室抽气。当第一层膜厚度达到所需值时，将两个未经镀膜的其它工件架旋转至两个蒸发装置对应位置，重复该操作直到工件上的纳米多层膜厚度达到所需值。
本实施例的镀膜装置中安装有两个配有独立供气系统的蒸发装置和四个在独立的隔离室10中的工件架。两个蒸发装置所在的隔离室不相邻，因此工件架上的工件在沉积TiN和SiC膜之间在不与蒸发装置对应的隔离室中经历一个抽空过程，能有效地排出上一个镀膜周期中隔离室内残余的金属蒸气和反应气体，从而极大程度地减少了上一个镀膜过程对下一个镀膜过程的影响。此外，由于第二开口11面积大于第一开口15面积，抽空过程造成的更低的气压还能有效地减少同时进行的两个不同镀膜过程的金属蒸气以及反应气体的相互干扰。本实施例镀膜效率高，适合于镀膜面取向较为单一的模具、大型工具、大型零部件的规模化纳米多层表面强化。
实施例2如图2所示，真空室壁35上安装有两个真空室门28、两个离子源22、第一蒸发装置19、第二蒸发装置24、第三蒸发装置29和第四蒸发装置36。其中每一个蒸发装置上均配有独立的供气系统。真空室内装有圆筒形隔板支撑架25和多个隔板23，圆筒形隔板支撑架25和隔板23将真空室分为八个隔离室21。圆筒形隔板支撑架25上有多个开口27。圆筒形隔板支撑架25中设置有中心抽气管33，中心抽气管33上有四个第一开口30和四个中心抽气管第二开口32。其中第一开口30与蒸发装置相对应，第二开口32交错穿插于第一开口30之间，且第二开口32面积大于第一开口面积30。每个隔离室21中分别安装有工件架34。工件架34、隔板23和圆筒形隔板支撑架25可绕同一公转轴20旋转，工件架34上装有一次自转轴18和二次自转轴37，二次自转轴37上可安装工件。真空室顶部安装有磁流体密封同心三轴传动装置26，该装置位于真空室外的部分与三台转速可调电机相连接，该装置位于真空室内的部分通过齿轮、轴承等传动构件将动力传递至公转轴20，一次自转轴18和二次自转轴37，并且三个轴的转速可以通过三台电机的转速的组合进行独立控制。中心抽气管33位于真空室顶部一端封闭，位于真空室底部一端接抽气口31。
镀膜时操作方法如下(以沉积TiN/SiC纳米多层膜为例)第一蒸发装置19和第三蒸发装置29上安装Ti靶，第二蒸发装置24和第四蒸发装置36上安装Si靶。
打开真空室门28，装载工件。关闭真空室门28，将真空室通过抽气口31抽至所需真空度。开启离子源22对两个工件架34上的工件进行清洗，清洗过程中保持工件架34一定的一次自转和二次自转转速。清洗完毕后将未清洗过的其它工件架34旋转至离子源22对应位置并清洗其上的工件。重复操作至所有工件清洗完毕。然后由第一蒸发装置19和第三蒸发装置29的供气系统通入N2，由第二蒸发装置24和第四蒸发装置36的供气系统通入C2H2，同时开启四个蒸发装置开始镀膜。镀膜过程中可根据工件镀膜的需要保持工件架34一定的一次自转和二次自转转速，同时可通过控制各自的蒸发装置及其供气系统的参数，独立地控制膜层的厚度。在镀膜期间，通过抽气口31保持对所有隔离室抽气。当第一层膜厚度达到所需值时，将四个未经镀膜的其它工件架旋转至四个蒸发装置的对应位置，重复该操作直到工件上的纳米多层膜厚度达到所需值。
本实施例的镀膜装置中安装有四个配有独立供气系统的蒸发装置和八个在独立的隔离室21中的工件架。任意两个蒸发装置所在的隔离室不相邻，因此工件架上的工件在沉积TiN和SiC膜之间在不与蒸发装置对应的隔离室中经历一个抽空过程，能有效地排出上一个镀膜周期中隔离室内残余的金属蒸气和反应气体，从而极大程度地减少了上一个镀膜过程对下一个镀膜过程的影响。此外，由于第二开口32面积大于第一开口面积30，抽空过程造成的更低的气压还能有效地减少同时进行的两个不同镀膜过程的金属蒸气以及反应气体的相互干扰。本实施例镀膜效率高，适合于镀膜面取向较为单一的模具、大型工具、大型零部件的规模化纳米多层表面强化。
权利要求
1.一种用于工模具领域的纳米多层镀膜装置，其特征在于，包含真空室；圆筒形隔板支撑架，设置于真空室中；至少四个隔板，安装于圆筒形隔板支撑架上且将真空室分隔成至少四个隔离室；中心抽气管，设置于所述圆筒形隔板支撑架中；至少两个蒸发装置，设置于所述真空室的壁上，任何两个蒸发装置所在的隔离室不相邻；离子源，设置于所述真空室的壁上，不与任何所述蒸发装置同处于一个隔离室中；至少四个工件架，每个工件架分别安装于独立的所述隔离室中，所述工件架、所述隔板和所述圆筒形隔板支撑架可绕同一公转轴同步旋转；磁流体密封同心多轴传动装置，安装于所述真空室的顶部或底部，并将动力由所述真空室外引入真空室内；抽气口，设置于与所述磁流体密封同心多轴传动装置相对的一侧并与中心抽气管相连接。
2.根据权利要求1所述的镀膜装置，其特征在于，所述圆筒形隔板支撑架上有至少四个开口。
3.根据权利要求1所述的镀膜装置，其特征在于，所述中心抽气管上有至少两个第一开口和两个第二开口。其中第一开口与蒸发装置相对应，第二开口交错穿插于第一开口之间，且第二开口面积大于第一开口面积。
4.根据权利要求1所述的镀膜装置，其特征在于，所述蒸发装置包括磁控溅射靶、阴极弧靶等。
5.根据权利要求1所述的镀膜装置，其特征在于，每个所述蒸发装置还包括独立的供气系统。
6.根据权利要求1所述的镀膜装置，其特征在于，所述离子源可采用点状或线性的霍尔源、考夫曼源或ICP源等。
7.根据权利要求1所述的镀膜装置，其特征在于，所述工件架上安装有一次自转轴。
8.根据权利要求7所述的镀膜装置，其特征在于，所述工件架上还安装有二次自转轴。
9.根据权利要求1所述的镀膜装置，其特征在于，在所述真空室外安装有多台转速可调电机，所述电机的动力通过所述磁流体密封同心多轴传动装置引入所述真空室内并通过传动构件传递至所述公转轴、一次自转轴和二次自转轴。
10.根据权利要求7所述的镀膜装置，其特征在于，所述传动装置包括齿轮、轴承。
全文摘要
本发明公开了一种用于工模具领域的纳米多层镀膜装置，其包括真空室；圆筒形隔板支撑架，设有开口；至少四个隔板，安装于圆筒形隔板支撑架上且将真空室分隔成至少四个隔离室；中心抽气管，设有开口，设置于所述圆筒形隔板支撑架中；至少两个蒸发装置与至少一个离子源，设置于所述真空室的壁上；至少四个工件架，每个工件架分别安装于独立的所述隔离室中，所述工件架、圆筒形隔板支撑架和隔板可绕同一公转轴同步旋转；磁流体密封同心多轴传动装置；抽气口。本装置能沉积纳米多层膜并能对膜层成分和厚度进行调制，形成的多层膜中每一膜层成分单一，不同膜层之间能形成清晰尖锐的界面。本发明用于工模具及其他零部件的表面强化。
文档编号C23C14/50GK1778983SQ200510083078
公开日2006年5月31日 申请日期2005年7月14日 优先权日2005年7月14日
发明者徐健, 程云立, 张云龙 申请人:北京东方新材科技有限公司