专利名称：一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的设备和方法
技术领域：
本发明属于金属材料表面改性技术领域。
背景技术：
离子镀技术用于装饰薄膜的沉积制备已经有几十年的历史。电弧离子镀，由于一般采用多个阴极弧源同时联立工作，因而又称多弧离子镀，是离化率最高的离子镀形式，因而具有沉积速度快，膜基结合力强，薄膜致密度高，化合反应充分等优点，主要应用在工模具表面沉积合成碳、氮化合物类硬质薄膜领域；电弧离子镀也用来沉积合成装饰性薄膜，但一直以来主要存在两方面的不足，一是由于电弧离子镀在电弧蒸发获得等离子体的过程中一直伴随有电弧离子镀特有的液滴又称为大颗粒，与等离子体一起同时喷发出来，对薄膜质量存在着污染现象，使得薄膜的表面装饰质量严重下降；二是电弧离子镀的沉积温度相对较高，一般要维持在400℃-500℃之间，使得具有低熔点或者低回火温度的材料的薄膜沉积受到限制。
发明内容
本发明的目的就是提供一种对电弧离子镀大颗粒既能过滤减少50％以上，同时又能对薄膜沉积的输入能量进行有效控制，而使得沉积薄膜又提高了表面质量，又降低了沉积温度的电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的设备和方法。
本发明的技术解决方案是，一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的设备，由真空室1、真空系统2、载物台3、阴极弧源4、偏压电源6、阴极弧源电源15、送气控制器16和真空计量系统17构成，真空系统2、送气控制器16和真空计量系统17与真空室1连接，载物台3与真空室1转动连接，偏压电源6与载物台3的转轴连接，阴极弧源电源15与阴极弧源4连接，阴极弧源4与真空室1连接；其中，阴极弧源4是由一级磁场线圈8、一级线圈支撑圆筒9、二级磁场线圈10、二级线圈支撑圆筒11和金属阴极靶7构成的双电磁场结构，一级线圈支撑圆筒9与二级线圈支撑圆筒11连接，二级线圈支撑圆筒11与真空室1上的弧源法兰12连接，与金属阴极靶循环水管13连接的金属阴极靶7固定在与一级线圈支撑圆筒9连接的后封法兰14上；其中一级线圈支撑圆筒9的内径为Φ120-250mm，长度为40-100mm，一级线圈8的缠绕密度为8-30匝/mm，线圈铜线直径为0.5-2mm；二级线圈支撑圆筒11的内径为Φ150-300mm，长度为200-400mm，二级线圈10缠绕密度为5-20匝/mm，线圈铜线直径为0.5-1.5mm。
阴极弧源4共有1-24个。
偏压电源6是脉冲偏压电源。
法兰连接处用真空胶圈密封。
使用一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的设备进行电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的方法，是将工件2去污、除垢清洗干净并干燥后放入真空室1中，由真空系统2将真空室1真空抽到3×10-2-1×10-3Pa，由送气控制器16通入工作气体使真空度达到0.3-5Pa，用脉冲偏压电源6向载物台3和工件5加脉冲负偏压进行溅射清洗1-60min，启动阴极弧源电源15引燃金属阴极靶13的电弧，弧流为40-100A，然后调节脉冲负偏压开始镀膜，镀膜时间为2-60min，最后卸偏压，停弧，停气，断电，炉冷却到20-150℃后取出工件；其中，在镀膜阶段，阴极弧源4的一级磁场线圈8电流为0.3-5A，二级磁场线圈6电流为0.1-5A；脉冲负偏压的电参数中，频率为5-100KHz，偏压幅值为-50--1000V，占空比5-50％。
在镀膜阶段，脉冲偏压的电参数中，频率为5-100KHz，偏压幅值为-50--500V，占空比为5-40％。
所述的工作气体为氩气。
工作气体为氩气和反应气，反应气所占比例为10-100％。
反应气是携带所获化合物中非金属元素成分的气体，包括氮气、甲烷、乙炔、氧气。
本发明所达到的有益效果，一是能够将电弧离子镀的大颗粒过滤掉50％以上，大幅度提高薄膜的沉积质量；二是能够将基体的沉积温度控制在50-500℃之间，满足各种沉积温度限制的材料表面镀膜要求。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进一步说明。
图1是本发明的双电磁场结构阴极弧源的电弧离子镀设备结构示意图。
图中1.真空室；2.真空系统；3.载物台；4.阴极弧源；5.工件；6.脉冲偏压电源；7.金属阴极靶；8.一级磁场线圈；9.一级磁场线圈支撑圆筒；10.二级磁场线圈；11.二级磁场线圈支撑圆筒；12.弧源法兰；13.金属阴极靶循环水管；14.后封法兰；15.阴极弧源电源；16.送气控制器；17.真空计量系统。
具体实施例方式
镀纯铬装饰膜在电弧离子镀设备的真空室1的弧源法兰12上安装4个二级电磁场过滤结构的阴极弧源4，其中，一级线圈支撑圆筒9的内径为Φ150mm，长度为80mm，一级线圈8的缠绕密度为10匝/mm，线圈铜线直径为0.6mm；二级线圈支撑圆筒11内径为Φ160mm，长度为200mm，二级线圈10缠绕密度为20匝/mm，线圈铜线直径为1.3mm，金属阴极靶7为纯铬；一级线圈支撑圆筒9与二级线圈支撑圆筒11用法兰连接，二级线圈支撑圆筒11与真空室1上的弧源法兰12连接，与金属阴极靶循环水管13连接的金属阴极靶7固定在与一级线圈支撑圆筒9连接的后封法兰14上，法兰连接处用真空胶圈密封。。
将工件清洗干燥后放入真空室1的载物台3中，抽真空到1×10-3Pa；通氩气到0.5Pa，加-1000V×40KHz×40％的脉冲负偏压进行溅射清洗，时间为5min；然后引燃4个弧源上的阴极金属铬靶，弧流均调整为100A，将脉冲偏压调节为-300V×40KHz×50％进行镀膜，时间为50min，镀膜到时后卸偏压，停弧，停气，断电，最后炉冷到30℃后取出工件。结果在工件表面沉积合成大颗粒数量少、致密度高、厚度为2μm的高质量装饰铬膜。
权利要求
1.一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的设备，由真空室(1)、真空系统(2)、载物台(3)、阴极弧源(4)、偏压电源(6)、阴极弧源电源(15)、送气控制器(16)和真空计量系统(17)构成，真空系统(2)、送气控制器(16)和真空计量系统(17)与真空室(1)连接，载物台(3)与真空室(1)转动连接，偏压电源(6)与载物台(3)的转轴连接，阴极弧源电源(15)与阴极弧源(4)连接，阴极弧源(4)与真空室(1)连接；其特征在于，阴极弧源(4)是由一级磁场线圈(8)、一级线圈支撑圆筒(9)、二级磁场线圈(10)、二级线圈支撑圆筒(11)和金属阴极靶(13)构成的双电磁场结构，一级线圈支撑圆筒(9)与二级线圈支撑圆筒(11)连接，二级线圈支撑圆筒(11)与真空室(1)连接，金属阴极靶(13)固定在与一级线圈支撑圆筒(9)连接的后封法兰(14)上；其中一级线圈支撑圆筒(9)的内径为Φ120-250mm，长度为40-100mm，一级线圈(8)的缠绕密度为8-30匝/mm，线圈铜线直径为0.5-2mm；二级线圈支撑圆筒(11)的内径为Φ150-300mm，长度为200-400mm，二级线圈(10)缠绕密度为5-20匝/mm，线圈铜线直径为0.5-1.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的设备，其特征在于，阴极弧源(4)共有1-24个。
3.根据权利要求1所述的一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的设备，其特征在于，偏压电源(6)是脉冲偏压电源。
4.使用权利要求1所述的一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的设备进行电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的方法，是将工件(2)去污、除垢清洗干净并干燥后放入真空室(1)中，由真空系统(2)将真空室(1)真空抽到3×10-2-1×10-3Pa，由送气控制器(16)通入工作气体使真空度达到0.3-5Pa，用脉冲偏压电源(6)向载物台(3)和工件(5)加脉冲负偏压进行溅射清洗1-60min，启动阴极弧源电源(15)引燃金属阴极靶(13)的电弧，弧流为40-100A，然后调节脉冲负偏压开始镀膜，镀膜时间为2-60min，最后卸偏压，停弧，停气，断电，炉冷却到20-150℃后取出工件；其特征在于，在镀膜阶段，阴极弧源(4)的一级磁场线圈(8)电流为0.3-5A，二级磁场线圈(6)电流为0.1-5A；脉冲负偏压的电参数中，频率为5-100KHz，偏压幅值为-50--1000V，占空比5-50％。
5.根据权利要求4所述的一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的方法，其特征在于，在镀膜阶段，脉冲偏压的电参数中，频率为5-100KHz，偏压幅值为-50--500V，占空比为5-40％。
6.根据权利要求4所述的一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的方法，其特征在于，所述的工作气体为氩气。
7.根据权利要求4所述的一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的方法，其特征在于，工作气体为氩气和反应气，反应气所占比例为10-100％。
8.根据权利要求7所述的一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的方法，其特征在于，反应气是携带所获化合物中非金属元素成分的气体。
全文摘要
一种电弧离子镀低温沉积高质量装饰薄膜的设备和方法属于金属材料表面改性技术领域。在电弧离子镀中采用双电磁场结构的阴极弧源和脉冲方式的负偏压，利用电磁场过滤减少大颗粒的数量，并通过脉冲偏压控制沉积温度，在金属表面，尤其是低熔点的铜锌铝合金材料表面低温沉积高质量的铬、锆、钛、铝及其合金或者其氮化物、碳化物薄膜，既能满足装饰性要求，又能满足耐磨抗蚀性能要求。与传统结构的电弧离子镀设备和方法相比，不明显降低沉积效率，但大幅度提高沉积质量，尤其是薄膜的表面质量，而且能够将沉积温度控制在低熔点合金可以接受装饰镀膜的程度。适用于各种金属及低熔点合金制品的装饰性镀膜领域。
文档编号C23C14/54GK1804105SQ200610045720
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月20日 优先权日2006年1月20日
发明者林国强 申请人:大连理工大学