专利名称：金属板带真空镀膜设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的金属板带真空镀膜设备，特别涉及的是一种将金属板带采用高频加热器或用涂有远红外发射涂料的加热器进行预加热，并采用无斑热弧机构对金属蒸汽激发电离成金属离子后在电场的作用下迅速沉积到被改性的金属板带表面上的生产设备。该生产设备可以是单箱间断运行，也可以是多箱连续式运行。
背景技术：
真空蒸发卷绕镀膜生产设备是一项十分成熟的真空镀膜设备，以前都被用来利用坩锅蒸发铝、在塑料薄膜或纸张上快速的镀上一层铝膜，用于电熔器、包装等行业。后来发展到用电子枪快速蒸发金属材料，使金属蒸汽沉积在金属板带上，用于对金属板带的防腐处理。由于蒸发镀的沉积仅靠热动能，其结合能仅为几个电子伏，镀膜层质量达不到较高的耐防腐和耐磨损的改性功能。
在上世纪的80年代初，出现了离子镀膜技术，典型的是采用真空阴极弧(俗称多弧离子镀，从严格的意义上，称为多弧是不够科学的，但人们已习惯了这种叫法)的离子镀膜设备，不带电子枪，它可以将弧蒸发出的金属粒子在等离子体的作用下，电离成金属离子，其离化率可达60％以上。当被改性的金属基材带有一定的负偏压时，金属离子在电场的作用下，快速的沉积到金属表面，其结合能可达上百个电子伏，因而能达到对材料改性的目的。例如用该方法在各种高速钢刀具上(如钻头、铣刀、插齿刀等)镀上一层氮化钛，膜厚2～4μ，可使其使用寿命提高几倍到几十倍(视不同的刀具和工艺而不同)。采用该方法存在二个主要的缺点一是这种真空阴极弧的镀膜设备不带电子枪，在“烧蚀金属材料”时会飞出少量的“液滴”，造成产品质量的缺陷。为了克服这一缺点，有的采用加一个磁偏转过滤器型的真空阴极弧离子镀膜设备，只有被离化的金属离子被偏转到达基材表面，而“液滴”则无法通过偏滤器，从而提高产品的质量。如国外专利US 5997705、US 6350356；还有的采用磁控溅射的方法，可以溅射出均匀性很好的金属粒子(但溅射速率比真空弧的蒸发速率低的多)，再采用配置覆盖整个靶面积的屏幕电弧来离化金属粒子，达到离子镀的作用，如专利CN2700341Y。该方法的另一缺点是沉积速率较低(相对蒸发镀)，能达到1μm/min的沉积速率已是相当好的结果了。
目前对金属板带改性采用的最先进工艺是利用电子枪高速率蒸发金属材料形成蒸汽，然后利用各种方法产生的等离子体将金属蒸汽电离成离子，在电场的作用下，金属离子快速沉积到被改性的金属基材表面，形成新的功能性的金属膜，达到离子镀膜改性的目的，而等离子体形成的方法有多种多样，例如空心阴极弧法(Hollow cathode arc)、棒阴极弧法(Rod cathode arc)、微波法(Microwave)、离子束法(Ionbeam)、磁控等离子体法(Magnetron Plasma)等，都是十分成熟的技术。但这些方法都必须有一套产生等离子体的设备，除了组成结构复杂和成本增加外，其对金属蒸汽的电离几率也不是很理想，最多达到50％。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上不足，提供一种产量高、成本低、金属离子在电场的作用下快速的沉积在金属板带上、形成结合力很强的新金属层从而达到对金属板带改性目的的金属板带真空镀膜设备。
本发明的目的是这样来实现的本发明金属板带真空镀膜设备，金属板带真空镀膜设备，包括金属板带放卷机，加热蒸发金属材料的至少一把电子枪、在金属板带与被蒸发金属材料之间的金属蒸汽周围设置的将金属蒸汽电离成金属离子的等离子体机构，真空镀膜室，金属板带收卷机，在放卷机与真空镀膜间有对金属板带进行预加热的加热机构、至少一组对金属板带表面进行活化处理的离子束预处理机构。金属板带经预加热提高了金属板带表面温度，加上经离子束预处理后，能提高金属板带表面与金属离子结合强度，提高产品镀膜质量。在金属板带与金属材料之间设置一种大电流无斑热弧的等离子体机构，用于将金属蒸汽离化成金属离子，然后在电场的作用下快速沉积到被改性的金属板带表面上，实现了对金属板带的镀膜改性处理。金属板带可为钢板带也可以为铝板带。
上述的金属板带真空镀膜设备，对金属板带表面进行活化处理的离子束预处理机构是采用条形离子源。这种条形离子源(例如霍尔条形离子源)是二十世纪90年代开发出来的，产生的离子束斑的宽度可以根据要求设计。目前国内可生产的束宽约1200mm，本专利的金属板带宽度为600mm，因此我们购买600mm宽束的条形离子源就可以了。由于离子的重量是电子的1840倍，因此采用离子束比电子束对金属板带进行活化处理效率要高的多，同时我们采用的是条形离子源，在金属板带宽度内同时受到离子束的处理，因而处理的均匀性更好。
上述的金属板带真空镀膜设备，对金属板带表面进行加热处理的机构是高频加热器，高频加热器由高频电源和置于真空箱体内金属板带穿过的至少一组闭环的加热器构成，该加热器直接对穿过的金属板带感应加热。加热金属板带采用高频加热器，它由高频电源和多个闭环导体的加热器组成，金属板带穿过这些闭环导体的加热器被累积加热，可以通过改变闭环导体加热器的个数和功率来调节加热金属板带所需的温度。
上述的金属板带真空镀膜设备，对金属板带表面进行加热处理的机构是由涂有远红外发射涂料的加热板或加热管组成，该加热器直接对通过的金属板带进行辐射加热。同样也可采用涂有远红外涂料的多组加热板或管，通过调节加热板或管的组数和功率，达到调节加热金属板带温度的目的。
上述的金属板带真空镀膜设备，等离子体机构是由阴极是被蒸发的金属材料、阳极是为环状的被水强制冷却的金属环(如铜环)构成的将金属蒸汽电离成金属离子的无斑热弧的等离子体机构，每一支蒸发金属材料的电子枪配一套无斑热弧的等离子体机构(或叫大电流金属蒸汽电弧装置)，电弧的电源空载为100V以上，功率为电流500A以上，电压10V～40V之间，在被镀金属板带上施以负偏压，其值为0～-150V可调。将金属蒸汽离化的等离子体是采用无斑热弧的机构，即采用真空阴极弧放电的方法来形成离化金属蒸汽的等离子体。由于金属材料首先被大功率的电子枪加热蒸发，然后以金属材料作为阴极，围绕金属材料的环形水冷阳极之间进行大电流的电弧放电，形成的已经不再是冷弧，而是热弧，金属材料的表面全部熔化了，不会产生冷弧的“液滴”现象，该无斑热弧的等离子体机构起到二大作用一是产生热弧放电，形成等离子体，对金属蒸汽实现电离的目的；二是金属材料的表面是热弧放电，对阴极金属材料进行了蒸发，从而增加了金属材料的蒸发速率。上述的金属板带真空镀膜设备，真空镀膜室外设置有真空抽气机组，金属板带放卷机、等离子体机构、加热机构、离子束预处理机构以及金属板带收卷机都设置在真空镀膜室内。金属板带收、放卷工艺过程，加热器对金属板带的加热工艺过程，电子枪与大电流金属蒸汽电弧装置产生的等离子体离化金属蒸汽的工艺过程以及金属板带镀膜工艺过程都在一个真空镀膜室箱体内封闭完成。这种单箱式的设备结构紧凑，站地面积小。
上述的金属板带真空镀膜设备，金属板带放卷机与真空镀膜室间设置有横焊机、储带室，装加热器和离子源预处理机构的真空箱体，真空镀膜室与金属板带收卷机间设置有储带室、切割机，等离子机构位于真空镀膜室内。金属板带收、放卷工艺过程在大气室中完成，金属板带的加热和离子束表面活化处理在一个专门的真空箱体内进行，加热蒸发金属材料的电子枪与无弧斑热弧机构形成等离子体离化金属蒸汽成为金属离子以及对金属板带的镀膜在一个专门的真空镀膜室进行，这些真空室之间金属板带是连续式通过且真空室之间设置有分隔压强阀(或叫真空锁)以夹紧金属板带并防止各真空室之间的窜气影响各自真空度及工作气氛，在金属板带放卷机构位置与对金属板带加热的真空室之间，以及金属板带收卷机构位置与金属板带真空镀膜室之间有储存金属板带使连续生产不停带以及焊接金属板带和切断金属板带时不停带生产的储带机构和设置带焊接枪的横焊机和带切割刀的切割机，以使金属板带镀膜连续不间断生产。设备采用多真空室的连续生产结构， 将金属板带放入放卷机，在放卷机后设置带焊接枪的横焊机，用于卷与卷之间的焊接连结，由于焊接时，会出现短时间的停顿，为保证金属板带的连续镀膜，所以在横焊机和真空箱体之间加一个储存金属板带的储带室，其作用就是当金属板带处于焊接时，储带室以后的金属板带都仍然处于连续运行的状态。在放卷机后还设计有金属板带边缘控制设备，防止金属板带跑偏；在储带室后设置有对金属板带加热处理的真空箱体一种方法是采用多组环形导体的高频感应加热，另一种是采用涂有远红外涂料的多组加热板或加热管，同时设置有条形离子源(例如霍尔条形离子源)对金属板带进行活化处理。在真空镀膜室设置有大功率电子枪(乙型电子枪或直角式电子枪)用于蒸发金属材料(如Cr)和采用真空阴极弧的方法形成离化金属蒸汽的等离子体，为确保金属板带双面同时镀，电子枪和真空阴极弧(以金属材料为阴极，水强迫冷却的环形金属为阳极)，应上、下对称设置，镀好后的金属板带由收卷机收卷，在收卷机之前设置有储带室和切割枪，储带室的作用与前相同，是保证在切割金属板带的短暂停留时，不影响金属板带正常的连续工作。
上述的真空箱体及真空镀膜室上分别设置有真空锁。
本发明生产设备对金属板带表面镀金属层，特别是镀铬(Cr)，将传统的电镀化学镀铬(Cr)能耗高(电镀电能效益仅10-20％)、严重污染环境(电镀液中铬仅有三分之一镀上金属板带表面，其余三分之二进入大气和水环境)的工艺进行了根本性改变，为金属材料镀铬(Cr)寻找到一条即经济又环保的工艺和装备出路。本发明提供一种产量高、成本低、金属离子在电场的作用下快速的沉积在金属板带上、形成结合力很强的新金属层从而达到对金属板带改性目的的金属板带表面改性的生产设备，该设备生产获得的金属板带改性表面微观结构非常致密，表面平滑。
图1为本发明的连续生产设备结构示意图。
图2为本发明的连续生产设备平面布置示意图。
图3为本发明的连续生产设备中真空镀膜室结构示意图。
图4为本发明单箱式生产设备结构示意5为图4中A向视6为更换金属板带时本发明单箱式生产设备主体结构示意7为本发明生产设备金属电离机构局部放大8为本发明生产设备采用电子枪蒸发金属材料，用等离子体电离金属粒子的镀膜示意图。
图9为本发明生产设备另一结构示意图。
具体实施例方式实施例1图1～图3，给出明实施例1图。参见图1～图3本发明的连续生产结构示意图，本发明装置中有金属板带放卷机构1、在放卷机1后设置带焊接枪的横焊机2(用于卷与卷之间的金属板带4焊接连结)、储带机构3、真空箱体5、在真空箱体内的高频感应加热器6和霍尔条形离子源8、真空镀膜室9、加热蒸发金属材料的两把电子枪7、分别设置在真空箱体和真空镀膜室上的用于建立压差有密封压辊对的分隔压强阀(或叫真空锁)10、设置有切割刀的切割机11、金属板带收卷机构12，如图3所示，在真空镀膜室9中，在金属板带4两面的金属蒸汽16的周围设置有环状的被水强制冷却的金属环(等离子体正电极)13和放置有阴极的被蒸发的金属Cr材料15的坩锅14，产生的密集等离子体17将金属蒸汽16电离成金属粒子18，在电场的作用下金属粒子18快速沉积到被改性的金属板带4表面上，实现了对金属板带4的镀膜改性处理。
本发明生产设备工作时，设备的金属板带收、放卷工艺过程在大气室中完成，金属板带的加热和离子束表面活化处理在一个专门的真空箱体内进行，加热蒸发金属材料的电子枪与无弧斑热弧机构形成等离子体离化金属蒸汽成为金属离子以及对金属板带的镀膜在一个专门的真空镀膜室进行，这些真空室之间金属板带是连续式通过且真空室之间设置有分隔压强阀(或叫真空锁)以夹紧金属板带并防止各真空室之间的窜气影响各自真空度及工作气氛，在金属板带放卷机构位置与对金属板带加热的真空室之间，以及金属板带收卷机构位置与金属板带真空镀膜室之间有储存金属板带使连续生产不停带以及焊接金属板带和切断金属板带时不停带生产的储带机构和设置带焊接枪的横焊机和带切割刀的切割机，以使金属板带镀膜连续不间断生产。设备采用多真空室的连续生产结构，将金属板带放入放卷机，在放卷机后设置带焊接枪的横焊机，用于卷与卷之间的焊接连结，由于焊接时，会出现短时间的停顿，为保证金属板带的连续镀膜，所以在横焊机和真空箱体之间加一个储存金属板带的储带室，其作用就是当金属板带处于焊接时，储带室以后的金属板带都仍然处于连续运行的状态。在放卷机后还设计有金属板带边缘控制设备，防止金属板带跑偏；在储带室后设置有对金属板带加热处理的真空箱体一种方法是采用多组环形导体的高频感应加热，另一种是采用涂有远红外涂料的多组加热板或加热管，同时设置有条形离子源(例如霍尔条形离子源)对金属板带进行活化处理，设置有密封的压辊对和分隔压强阀，用于建立压差。在真空镀膜室设置有大功率电子枪用于蒸发金属材料(如Cr)和采用真空阴极弧的方法形成离化金属蒸汽的等离子体，为确保金属板带双面同时镀，电子枪和真空阴极弧(以金属材料为阴极，水强迫冷却的环形金属为阳极)，应上、下对称设置，镀好后的金属板带由收卷机收卷，在收卷机之前设置有储带室和切割枪，储带室的作用与前相同，是保证在切割金属板带的短暂停留时，不影响金属板带正常的连续工作。
实施例2图4～图8给出了本发明实施例2图。本实施例2工作原理基本与实施例1同，本实施例2单箱式生产装置中有具有通冷却水的夹层结构19的真空镀膜箱体20、真空抽气机组21、金属板带4的放卷机构1、金属板带收卷机构12、加热蒸发金属材料的两把电子枪7、在金属板带4与金属材料15之间的金属蒸汽16的周围设置有等离子体正电极13，产生的密集等离子体17将金属蒸汽16电离成金属粒子18，金属板带4在改性前，设有霍尔条形离子源8，金属板带收放卷机构1、12在支撑机构26带动下可在机架27的导轨28上进出真空箱体，能方便更换金属板带卷和清扫真空箱体内壁聚四氟乙烯涂层24的表面。反应气体的充入机构25可送入反应气体29。
在本实施例2中，金属材料15采用圆柱状，用线形电子枪7产生的线形电子束23扫描蒸发金属材料15，其均匀性是最好的。
生产设备采用卷绕镀的结构形式，真空箱体尺寸φ2800×1000，采用不锈钢制作，每炉可镀一卷，卷径最大为φ1100，金属板带的宽度为600mm，厚度为0.1～0.3mm，金属板带的运行速度为0.2m～2m/s可调。
本发明单箱式生产设备工作时，金属板带4经去油去污后装入放卷1处，待真空室20抽空至5×10-2Pa后开始镀膜，金属板带4的一面先以市售的20KW功率的条形离子源8预处理，再进入被60-100KW功率的线形电子枪7蒸发的金属蒸汽中，金属蒸汽经无弧斑的等离子体17电离后成为金属离子18，金属板带4加负偏压(-30V)，使金属15(例如Cr)沉积在金属板带4的表面上；当金属板带4到达另一把与前同样配置的条形离子源8时，另一面被预处理，然后进入另一把与前同样配置的线形电子枪7，其金属蒸汽在无弧斑等离子体17的作用，电离成金属离子18，被最后沉积到金属板带的另一表面上，实现了金属板带双面镀的目的。被镀的金属板带4在收卷处12被收卷，待这一卷金属板带镀完之后，真空箱体放大气，整个卷绕系统26退出真空箱体20，将收卷的金属板带吊下来，再放入另一卷已清洗的未镀金属板带于放卷处，将卷绕系统26推入(卷绕系统支承架是利用电机传动系统延着轨道进出真空箱体)真空箱体密封后抽空，又进入重复的镀膜程序。除吊装和卸装外，整个运行过程都是编程自动控制(PLC)，并由CRT显示。
如从送气入口机构25送入反应气体29，则可以实现反应镀膜，例如镀TiN、TiC、CrO2、CrN等化合物层。
实施例3图1、图2、图9给出了本发明实施例3图。本实施例3基本与实施例1同，不同处是用直射式电子枪30代替乙型电子枪7用于蒸发金属材料。
上述各实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
权利要求
1.金属板带真空镀膜设备，包括金属板带放卷机，加热蒸发金属材料的至少一把电子枪、在金属板带与被蒸发金属材料之间的金属蒸汽周围设置的将金属蒸汽电离成金属离子的等离子体机构，真空镀膜室，金属板带收卷机，其特征在于在放卷机与真空镀膜间有对金属板带进行预加热的加热机构、至少一组对金属板带表面进行活化处理的离子束预处理机构。
2.根据权利要求1所述的金属板带真空镀膜设备，其特征在于对金属板带表面进行活化处理的离子束预处理机构是采用条形离子源。
3.根据权利要求1所述的金属板带真空镀膜设备，其特征在于对金属板带表面进行加热处理的机构是高频加热器，高频加热器由高频电源和置于真空箱体内金属板带穿过的至少一组闭环的加热器构成，该加热器直接对穿过的金属板带感应加热。
4.根据权利要求1所述的金属板带真空镀膜设备，其特征在于对金属板带表面进行加热处理的机构是由涂有远红外发射涂料的加热板或加热管组成，该加热器直接对通过的金属板带进行辐射加热。
5.根据权利要求1所述的金属板带真空镀膜设备，其特征在于等离子体机构是由阴极为被蒸发的金属材料、阳极为环状的被水强制冷却的金属环构成的将金属蒸汽电离成金属离子的无斑热弧的等离子体机构，每一支蒸发金属材料的电子枪配一套无斑热弧的等离子体机构。
6.根据权利要求1～5之一所述的金属板带真空镀膜设备，其特征在于真空镀膜室外设置有真空抽气机组，金属板带放卷机、等离子体机构、加热机构、离子束预处理机构以及金属板带收卷机都设置在真空镀膜室内。
7.根据权利要求1～5之一所述的金属板带真空镀膜设备，其特征在于金属板带放卷机与真空镀膜室间设置有横焊机、储带室，装加热器和离子源预处理机构的真空箱体，真空镀膜室与金属板带收卷机间设置有储带室、切割机，等离子机构位于真空镀膜室内。
8.根据权利要求1～5之一所述的金属板带真空镀膜设备，其特征在于真空箱体及真空镀膜室上分别设置有真空锁。
全文摘要
本发明提供了一种金属板带真空镀膜设备，包括金属板带放卷机，加热蒸发金属材料的至少一把电子枪、在金属板带与被蒸发金属材料之间的金属蒸汽周围设置的将金属蒸汽电离成金属离子的等离子体机构，真空镀膜室，金属板带收卷机，在放卷机与真空镀膜间有对金属板带进行预加热的加热机构、至少一组对金属板带表面进行活化处理的离子束预处理机构。用线形电子枪蒸发金属材料，形成的金属蒸汽通过高密度的等离子体区时被电离成金属离子，金属离子在电场力的作用下快速的沉积在金属板带上，达到对金属板带镀膜的目的。该设备生产表面镀膜金属板带产量高、低成本，且获得的镀膜表面微观结构非常致密，表面平滑。
文档编号C23C14/24GK101063192SQ20061002092
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月28日 优先权日2006年4月28日
发明者甘国工 申请人:甘国工