专利名称：霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法
技术领域：
本发明涉及一种在工模具表面沉积硬质薄膜材料的方法及设备，具体地讲是一种霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法。
背景技术：
与CVD(化学气象沉积法)和PCVD(等离子体辅助化学气象沉积法)相比，PVD(物理气象沉积法)具有沉积温度低(100-500℃)、处理周期短(4-8h)、薄膜外观质量好等优点，在高速钢刀具表面薄膜制备方面获得广泛应用。PVD包括磁控溅射和离子镀，1963年Mattox首先提出了离子镀技术，并于1967年取得了专利，其后，各种离子镀及溅射镀膜技术相继出现。首先将PVD技术应用于高速钢基体上制备硬质镀层的是日本真空技术公司(U.L.VAC)，它们在1978年采用阴极离子镀(HCD)在滚铣刀表面镀覆了TiN，寿命提高三倍。其后，欧美各国也相继取得了成功，如德国Legbold-Heraeus公司的磁控溅射、瑞士Balzers公司的热丝阴极离子镀、美国Mualti-Arc公司的多弧离子镀等相继进入市场。近年来，为进一步提高离化率，增加膜与基体的结合力，英国Teer公司采用非平衡磁控溅射技术，取得了显著效果。
但目前各种单一功能的PVD法仍存在一些技术问题，如磁控溅射沉积速率和膜基结合强度低；多弧离子镀沉积过程形成的液滴使得薄膜疏松、质量降低。因此，对苛刻服役环境下的各种工模具表面处理，急待寻找更为有效的复合强化方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷或不足，提出一种可获得致密度完整的高质量镀膜的霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法。
实现上述任务的技术解决方案是——获取真空环境将待处理工件置入霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜设备的炉体反应室内，对反应室内抽真空至1.0×10-2Pa-5.0×10-1Pa，温度保持在50-100℃；——离子活化清洗向反应室通入流量为50-100ml/min的氩气，开启脉冲偏压并保持偏压逐渐增大并稳定在900-1000V，控制占空比为30-90％；——过渡膜层预镀开启磁控靶沉积5-30min纯Ti并施以偏压500-1000V；——工作膜层施镀开启多弧靶，控制氮气量为100-500ml/min，占空比30-90％，偏压从100-900V，弧电流50-100A，沉积时间为0.5-2h。
本发明的进一步技术解决方案是抽真空及加热步骤中加热温度保持在300℃。
氩离子轰击步骤中氩气流量为120ml/min，占空比为70％。
镀膜步骤中弧电流为75A，沉积时间为1.5h。
本发明的方法借助霍尔源激励技术大幅提高反应过程的离化率，通过磁过滤系统实现偏压可调机械过滤，突破传统多弧离子沉积薄膜过程中形成的液滴技术难题以及解决次此难题而造成的沉积速率过低等工业生产难题，通过弧流大小的控制、靶的合理设计及多重工艺复合实现膜层的高硬度、高韧性、高致密性及良好的结合强度。在薄膜沉积前后期引入的磁控溅射技术，可为获得高质量薄膜提供辅助支撑，特别是可以满足苛刻服役环境下某些特殊工模具表面处理的工业化需要。该发明方法具有高效率、强化效果显著的技术优势。这种复合技术在现有镀膜方法中未见报道。
附图1是本发明采用的霍尔源激励磁控溅射增强磁过滤多弧离子复合镀膜设备的立体结构总图。
其中标号分别表示1、炉体反应室；2、真空系统；3、供气系统；4、电源系统；5、工件传动系统；6、加热系统；附图2是本发明设备的俯视截面图。
其中标号分别表示7、观察窗；8、溅射靶；9、多弧靶；10、工件盘；11、霍尔离子源；12、工件；13、磁过滤系统。
具体实施例方式
图1是本发明采用的霍尔源激励磁控溅射增强磁过滤多弧离子复合镀膜设备的立体结构总图。该设备是一个前开门的立式结构，主要由炉体真空系统2、供气系统3、电源系统4、加热系统6组成。真空系统2通过管道与炉体反应室1的后端相连接，并对其抽真空。本设备的极限真空为5×10-4Pa，系统升压率小于0.5Pa/h，配备有抽速调节器对抽气速率进行调节。
附图2是本发明设备的俯视截面图。炉体上均布有八套多弧靶9，靶面前端配置磁过滤系统13，靶材采用φ80圆靶(合金靶或金属靶)内水冷结构，并与直流电源4-1相连，依靠电子引弧装置起弧，靶流可调范围40-100A。前门内壁装有两个矩形磁控溅射靶8，并与一套40KW的中频交流电源4-2相连。为提高反应气体的离化率和沉积薄膜的结合强度，改善薄膜质量，该装置上配备三套圆形霍尔离子源11。由炉体界定的为反应室1，炉体为阳极且接地，炉体内有均匀分布的棒状加热器6，为待处理工件12加热。工件12放置在由传动系统5驱动的可以公转和自转的工件盘10上，工件盘与偏压系统的电源4-3相连，在阴阳两极之间借助40kW、偏压大于1200V的单极脉冲偏压，激发辉光放电，建立等离子体场，并对放电物理参数进行调节与控制。通过观察窗7可以监测炉内反应情况。
供气系统3由三路质量流量计、混气罐和高真空截止阀组成。分别控制、N2、Ar、CH4的流量，系统中所有流量开关均由电磁阀控制。在气体进入反应室1之前，所有气体先进入混气罐充分混合均匀。工作气体由专用通气管进入反应室1内，通气管根据反应室和工件的大小可布置在反应室的中心处，也可布置在反应室的周边处，或二者兼而有之，且与气体供给系统3连通，进行气体的定量供给。
利用上述霍尔源激励磁控溅射增强磁过滤多弧离子复合镀膜设备可制备TiN、TiC、(Ti，Si)N、(Ti，Si)C、(Ti，Si)CN、Ti(CN)、(Ti，Al)N等硬质薄膜材料，其沉积速率每小时2.0μm到4.0μm，薄膜微观组织致密、晶粒细小，表面均匀、具金属光泽，膜基结合力强，并具有很好的耐腐蚀性。
以下主要以制备TiN硬质薄膜为例，进一步阐述本发明的工作原理。这里需要说明的是，该实施例只是发明人给出的具体实施例，但并不限于这些实例，本领域的人员根据该实施例的原理，无需花费创造性劳动，很容易实现用于制备本说明书以外的其他的硬质薄膜材料，也当属于本发明的保护范围。
实施例1制备TiN硬质薄膜1、将待处理工件12置入霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子镀膜设备的炉体反应室1内，打开真空系统2抽真空至6.0×10-3Pa，开启加热系统6，加热至250℃并一直保持稳定至镀膜结束2、加热保温30min后，打开气体供给系统3中的Ar，保持Ar流量为100ml/min，偏压逐渐增大并稳定在900V，占空比50％。借助设备中的偏压电源系统4-3产生的等离子体场中的高能离子轰击工件表面30分钟，使待处理工件表面12得到清洁及活化处理；
3、氩离子轰击完毕后重新开启真空系统2中的细抽系统调压至6.0×10-3Pa；调压完毕后，调节偏压至900V，占空比50％，开启弧电源4-1调节弧电流至75A，保持细抽系统为工作状态并开启磁过滤系统13，然后开启磁控靶8镀纯钛15分钟；4、关闭磁控靶，开启多弧靶，N2量300ml/min，占空比80％，偏压250V，弧流75A。在此过程中由多弧直流电源4-1和磁控溅射中频交流电源4-2分别为多弧靶9和溅射靶8提供24V和200V的放电电压，由磁过滤系统13过滤多弧靶产生的液滴，由霍尔源11提供高离化率的反应气体离子，此时高能电子与气体分子碰撞离化产生辉光放电，形成具有化学活性的Ti+、N-离子和自由基，这些离子和自由基在工件12表面发生反应沉积成TiN薄膜。
5、沉积一定时间后，首先关闭电源系统4和加热系统6，接着关闭气体供给系统3，最后停止真空系统2工作，结束镀膜处理，并对炉体内充入适量的N2保护性气氛，使炉体气压达到102Pa，逐渐冷却至100℃以下出炉。
实施例2制备TiC硬质薄膜1、将待处理工件12置入霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子镀膜设备的炉体反应室1内，打开真空系统2抽真空至6.0×10-3Pa，开启加热系统6，加热至350℃并一直保持稳定至镀膜结束；2、加热保温30min后，打开气体供给系统3中的Ar，保持Ar流量为80ml/min，偏压逐渐增大并稳定在1200V，占空比30％。借助设备中的偏压电源系统4-3产生的等离子体场中的高能离子轰击工件表面50分钟，使待处理工件表面12得到清洁及活化处理；3、氩离子轰击完毕后重新开启真空系统2中的细抽系统调压至6.0×10-3Pa；调压完毕后，调节偏压至800V，占空比60％，开启弧电源4-1调节弧电流至70A，保持细抽系统为工作状态并开启磁过滤系统13，然后开启磁控靶8镀纯钛15分钟；
4、关闭磁控靶，开启多弧靶，CH4量250ml/min，占空70％，偏压200V，弧流70A。在此过程中由多弧直流电源4-1和磁控溅射中频交流电源4-2分别为多弧靶9和溅射靶8提供24V和200V的放电电压，由磁过滤系统13过滤多弧靶产生的液滴，由霍尔源11提供高离化率的反应气体离子，此时高能电子与气体分子碰撞离化产生辉光放电，形成具有化学活性的Ti+、C-离子和自由基，这些离子和自由基在工件12表面发生反应沉积成TiN薄膜。
5、沉积一定时间后，首先关闭电源系统4和加热系统6，接着关闭气体供给系统3，最后停止真空系统2工作，结束镀膜处理，并对炉体内充入适量的N2保护性气氛，使炉体气压达到102Pa，逐渐冷却至100℃以下出炉。
实施例3制备Ti(CN)硬质薄膜1、将待处理工件12置入霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子镀膜设备的炉体反应室1内，打开真空系统2抽真空至6.0×10-3Pa，开启加热系统6，加热至300℃并一直保持稳定至镀膜结束2、加热保温30min后，打开气体供给系统3中的Ar，保持Ar流量为50ml/min，偏压逐渐增大并稳定在1100V，占空比35％。借助设备中的偏压电源系统4-3产生的等离子体场中的高能离子轰击工件表面40分钟，使待处理工件表面12得到清洁及活化处理；3、氩离子轰击完毕后重新开启真空系统2中的细抽系统调压至6.0×10-3Pa；调压完毕后，调节偏压至700V，占空比70％，开启弧电源4-1调节弧电流至65A，保持细抽系统为工作状态并开启磁过滤系统13，然后开启磁控靶8镀纯钛15分钟；4、关闭磁控靶，开启多弧靶，N2量100ml/min、CH4量100ml/min，占空75％，偏压100V，弧流65A。在此过程中由多弧直流电源4-1和磁控溅射中频交流电源4-2分别为多弧靶9和溅射靶8提供24V和200V的放电电压，由磁过滤系统13过滤多弧靶产生的液滴，由霍尔源11提供高离化率的反应气体离子，此时高能电子与气体分子碰撞离化产生辉光放电，形成具有化学活性的Ti+、N-、C-离子和自由基，这些离子和自由基在工件12表面发生反应沉积成TiN薄膜。
5、沉积一定时间后，首先关闭电源系统4和加热系统6，接着关闭气体供给系统3，最后停止真空系统2工作，结束镀膜处理，并对炉体内充入适量的N2保护性气氛，使炉体气压达到102Pa，逐渐冷却至100℃以下出炉。
权利要求
1.一种霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法，包括对反应室内抽真空和工件表面镀膜，其特征是本方法包括以下步骤——获取真空环境将待处理工件置入霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜设备的炉体反应室内，对反应室内抽真空至1.0×10-2Pa-5.0×10-4Pa，温度保持在50-100℃；——离子活化清洗向反应室通入流量为50-100ml/min的氩气，开启脉冲偏压并保持偏压逐渐增大并稳定在900-1000V，控制占空比为30-90％；——过渡膜层预镀开启磁控靶沉积5-30min纯Ti并施以偏压500-1000V；——工作膜层施镀开启多弧靶，控制氮气量为100-500ml/min，占空比30-90％，偏压从100-900V，弧电流50-100A，沉积时间为0.5-2h。
2.根据权利要求1所述的霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法，其特征是抽真空及加热步骤中加热温度保持在300℃。
3.根据权利要求1所述的霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法，其特征是氩离子轰击步骤中氩气流量为120ml/min，占空比为70％。
4.根据权利要求1所述的霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法，其特征是镀膜步骤中弧电流为75A，沉积时间为1.5h。
全文摘要
一种霍尔源激励磁控溅射增强型磁过滤多弧离子复合镀膜方法，本方法包括以下步骤抽真空及加热；离子轰击；镀膜。通过该方法突破了传统的技术难题，通过弧电流大小的控制、靶的合理设计及完善的工艺过程实现膜层的高硬度、高致密性，实现并保证薄膜材料与基体良好的结合强度。同时，在薄膜沉积过程后期引入磁控溅射技术，可获得致密完整的高质量薄膜体系，以满足苛刻服役环境下的各种工模具表面处理的工业化需要。因此，该方法具有高效率、强化效果显著的技术优势。
文档编号C23C14/54GK101058870SQ200610042978
公开日2007年10月24日 申请日期2006年6月15日 优先权日2006年6月15日
发明者田增瑞, 徐可为 申请人:西安宇杰表面工程有限公司