一种配置热丝的电弧离子镀膜装置的制作方法

技术领域：

本实用新型属于材料表面改性领域，具体涉及一种配置热丝的电弧离子镀膜装置。

背景技术：
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电弧离子镀技术由于其具有离化率高、沉积效率快、绕镀性好等优点，已在工、模具表面强化等领域获得了广泛应用，大大提高了这些工件的性能及使役寿命。但对于普通的生产型工业电弧离子镀设备而言，对于工件表面的镀膜沉积速率大多在1～3微米/小时范围内，这对于普通的钻头、铣刀等工具可满足要求，但对于磨损严重且承载较大的工件而言，如：汽车用活塞环等，一般需要沉积20微米厚的crn涂层，这就使得需要的镀膜时间延长到6小时以上，使得镀膜效率明显降低。

为了提高镀膜沉积效率，人们往往采用磁场来增加等离子体密度的方法。中国专利公开号cn103540900a(一种磁控电弧离子镀复合沉积工艺及沉积装置)提出在电弧离子镀装置中设置两套磁场发生装置，一套置于靶材后面，称为弧斑约束磁场发生装置，可加速弧斑运动速度；另一套磁场发生装置置于真空室外的等离子体传输通道外侧，可对等离子体进行聚焦，从而最终提高沉积效率，但是该方法需要专用的磁场发生装置及电源。

中国专利公开号cn203174194u(一种多功能等离子体增强涂层系统)公开在靶材的正对面真空室壁上设置辅助阳极装置，使得镀膜过程中离化率提高，薄膜致密性提高，沉积效率有所改善。但需要指出的是，由于辅助阳极并非对称设置，这使得真空室内的电子运动路径往往从弧源一端运动到真空室的另一端，很有可能造成真空腔体内的等离子体密度分布不均匀，势必会对镀膜质量有影响。

也有中国专利公开号cn106801216a(一种电弧离子镀沉积高质量精密涂层的设备和方法)提出了一种电弧离子镀沉积高质量精密涂层的设备和方法，其中包含了在真空室壁上设置热丝，热丝与热丝电源连接，且在其使用时主要用在镀膜前的溅射清洗中。中国专利公开号cn104561909a(一种离子渗氮及电弧离子镀膜的复合改性设备及方法)提出了一种离子渗氮及电弧离子镀膜的复合改性设备及方法，在真空室壁上也设置了热丝装置，并指出热丝装置的负极与直流电源负极相连，直流电源正极与真空腔室相连，并且将热丝装置用于等离子体渗氮过程中。以上两个中国专利尽管涉及了热丝装置，但明显并未用于镀膜过程，对镀膜过程中的等离子体密度无明显影响。

因此，如何有效提高真空室内的等离子体密度并使其均匀分布，在保证镀膜质量的同时有效提高薄膜沉积速率仍是目前需要解决的一个重要问题。

技术实现要素：
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本实用新型的目的在于提供一种配置热丝的电弧离子镀膜装置，解决现有技术中存在的镀膜速率低等问题。

本实用新型的技术方案是：

一种配置热丝的电弧离子镀膜装置，在设备真空室的侧壁处相对设置热丝接线柱，每个热丝接线柱的一端通过真空室侧壁伸入真空室内，每个热丝接线柱穿设固定于真空室侧壁的一个热丝绝缘块上，每个热丝接线柱的另一端露在真空室外侧；相对设置的两个热丝接线柱露出真空室外壁的一端，分别通过导线接热丝电源的正极与负极，相对设置的两个热丝接线柱伸至真空室内的一端通过热丝连接，形成一组热丝发射热电子结构，该结构对称分布；

工件转架台位于真空室内的底部，工件转架台上对称设置工件转架，基体偏压电源的负极与工件转架台连接，基体偏压电源的正极接真空室外壁并接地；在真空室的内壁上，设置与工件转架上的工件相对应的弧源靶材。

所述的配置热丝的电弧离子镀膜装置，热丝接线柱通过热丝绝缘块与真空室侧壁绝缘，热丝绝缘块与真空室壁之间采用密封胶圈密封。

所述的配置热丝的电弧离子镀膜装置，热丝接线柱采用紫铜制作的空心水冷结构。

所述的配置热丝的电弧离子镀膜装置，真空室内壁与热丝之间设置表面抛光的、无磁不锈钢304制作的热丝反射罩，热丝反射罩单面朝着工件方向开口，其余面封闭，将热丝发射的热量往真空室中心部位反射。

所述的配置热丝的电弧离子镀膜装置，热丝设置于立式电弧离子镀设备真空室壁两列靶材中间部位，热丝接线柱及热丝从上到下设置，平行于工件转轴，热丝连接于两个热丝接线柱之间并固定，热丝接线柱通过热丝绝缘块固定于真空室的侧壁上，热丝接线柱之间连接热丝，且热丝绝缘块与真空室侧壁之间采用密封胶圈密封。

所述的配置热丝的电弧离子镀膜装置，在立式电弧离子镀设备中，热丝接线柱的具体位置按照整个工件的最大高度来确定，热丝长度与整个工件高度相同或高于工件长度30～100mm。

所述的配置热丝的电弧离子镀膜装置，热丝设置于卧式电弧离子镀设备真空室壁两行靶材中间部位，热丝接线柱及热丝从左到右设置，平行于工件转轴，热丝连接于两个热丝接线柱之间并固定，热丝接线柱通过热丝绝缘块固定于真空室的侧壁上，热丝接线柱之间连接热丝，且热丝绝缘块与真空室侧壁之间采用密封胶圈密封。

所述的配置热丝的电弧离子镀膜装置，在卧式电弧离子镀设备中，热丝接线柱的具体位置按照整个工件的最大长度来确定，热丝长度与整个工件最大长度相同或长于工件长度30～200mm。

所述的配置热丝的电弧离子镀膜装置，在两个热丝接线柱之间热丝的根数和直径根据实际情况确定，热丝直径选择0.3～2.0毫米，根数为1～6根；两个热丝接线柱为一组，真空室侧壁上设置的热丝接线柱组对称分布。

本实用新型的核心思想是：

为了有效提高镀膜真空室内等离子体的密度，在真空室壁合适位置设置热丝，通过镀膜过程中热丝发射热电子，利用热电子与气体分子或金属原子的碰撞，提高真空室内的等离子体密度，进而有效提高镀膜沉积速率及薄膜致密度。同时，为了保证真空室内等离子体密度分布均匀性，热丝一般成对出现且设置在真空室壁对称位置上。在镀膜过程中，通过给热丝通电，使其发射热电子，热电子在迁徙过程中通过与气体分子或金属原子发生碰撞，使其发生电离，从而提高真空室内的等离子体密度，提高薄膜致密化程度及其沉积速率。

本实用新型的优点及有益效果是：

1、本实用新型采用在真空室内设置热丝的方法，利用热丝发射热电子，在电子迁徙过程中将气体分子或金属原子电离，可有效提高等离子体密度，并使得镀膜沉积速率得到提高，薄膜致密度得到改善。

2、本实用新型在真空室内设置热丝，利用热丝发射的热电子，可使得气体分子电离，不仅可用在镀膜过程中，还可用来进行镀膜前工件表面的溅射清洗及辅助进行辉光等离子体渗氮。

3、本实用新型采用在真空室内设置热丝的方法，每两个接线柱之间热丝的根数及直径可根据需要进行调整，热丝根数越多，相对于发射的热电子数量越多，有利于对真空室内等离子体密度的调控，而且由于热丝直径较小，在真空室内所占空间较小，使得热丝在真空室内设置变得更加容易实现。

附图说明

图1是本实用新型的配置热丝的电弧离子镀膜装置示意图。

图2是图1的真空室俯视图。

图中，1真空室；2热丝接线柱；3热丝绝缘块；4热丝反射罩；5热丝电源；6热丝；7工件；8工件转架；9工件转架台；10基体偏压电源；11弧源靶材。

具体实施方式：

如图1-图2所示，本实用新型配置热丝的电弧离子镀膜装置，主要包括：真空室1、热丝接线柱2、热丝绝缘块3、热丝反射罩4、热丝电源5、热丝6、工件7、工件转架8、工件转架台9、基体偏压电源10、弧源靶材11等，具体结构如下：

在设备真空室1的侧壁处相对设置热丝接线柱2，每个热丝接线柱2的一端通过真空室1侧壁伸入真空室1内，每个热丝接线柱2穿设固定于真空室1侧壁的一个热丝绝缘块3上，每个热丝接线柱2的另一端露在真空室1外侧。相对设置的两个热丝接线柱2露出真空室1外壁的一端，分别通过导线接热丝电源5的正极与负极，相对设置的两个热丝接线柱2伸至真空室1内的一端通过热丝6连接，形成一组热丝发射热电子结构，该结构对称分布。热丝接线柱2上设有紧固装置，可将热丝6固定。

工件转架台9位于真空室1内的底部，工件转架台9上对称设置工件转架8，基体偏压电源10的负极与工件转架台9连接，基体偏压电源10的正极接真空室1外壁并接地。在真空室1的内壁上，设置与工件转架8上的工件7相对应的弧源靶材11。

热丝接线柱2通过热丝绝缘块3与真空室1侧壁绝缘，热丝绝缘块3与真空室1侧壁之间采用密封胶圈密封，热丝接线柱2采用紫铜制作的空心水冷结构，真空室1内壁与热丝6之间设置表面抛光的、无磁不锈钢304制作的热丝反射罩4，热丝反射罩4单面朝着工件方向开口，其余面封闭，可将热丝6发射的热量往真空室1中心部位反射。

本实用新型的弧源靶材11采用金属纯钛靶(或其它纯金属，如：铬、锆、铝等；或合金靶材，如：钛铝、钛硅、铝铬、铝铬硅等)，将工件7(304不锈钢样片等)研磨并经镜面抛光后，在无水酒精中超声清洗20分钟，热风吹干后分组对称设置于工件转架8上，每组工件7分层均匀排布。抽真空至真空室1内真空度达到6×10^-4pa～4×10^-2pa时，通氩气、气压控制在0.2～1pa之间，开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源(含义是采用弧光放电使其产生电子，电子将通入的惰性气体(一般为氩气)电离，且在工件转架台9上施加负偏压，进一步产生辉光放电，该刻蚀源的最大优势是利用弧光放电产生的电子进一步增强辉光放电效果)，通过基体偏压电源10对工件7加负偏压-10v～-600v范围，且偏压渐进式增加，对工件7进行辉光清洗30～120分钟；然后调整ar气流量，使真空室内气压调整为0.2～2.0pa，同时开启金属纯钛靶(或其它纯金属，如：铬、锆、铝等；或合金靶材，如：钛铝、钛硅、铝铬、铝铬硅等)，通过钛弧对工件7沉积ti过渡层1～20分钟；通过基体偏压电源10调整基体偏压为-10～-400v范围，通氮气，调整气压为0.3～4.0pa，同时开启热丝电源5，热丝电源5电流调整为10～200a，沉积tin层，沉积时间为20～180分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭热丝电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。

本实用新型中，热丝6可设置于立式电弧离子镀设备真空室壁两列靶材中间部位，热丝接线柱2及热丝6从上到下设置，平行于工件7转轴，热丝6连接于两个热丝接线柱2之间并固定，热丝接线柱2通过热丝绝缘块3固定于真空室1的侧壁上，热丝接线柱2之间可连接热丝6，且热丝绝缘块3与真空室1侧壁之间采用密封胶圈密封。在立式电弧离子镀设备中，热丝接线柱2的具体位置一般按照整个工件7的最大高度来确定，热丝长度一般与整个工件7高度相同或高于工件7长度30～100mm即可。

本实用新型中，热丝6可设置于卧式电弧离子镀设备真空室壁两行靶材中间部位，热丝接线柱2及热丝6从左到右设置，平行于工件7转轴，热丝6连接于两个热丝接线柱2之间并固定，热丝接线柱2通过热丝绝缘块3固定于真空室1的侧壁上，热丝接线柱2之间可连接热丝6，且热丝绝缘块3与真空室1侧壁之间采用密封胶圈密封。在卧式电弧离子镀设备中，热丝接线柱2的具体位置一般按照整个工件7的最大长度来确定，热丝长度一般与整个工件7最大长度相同或长于工件7长度30～200mm即可。

本实用新型中，在两个热丝接线柱之间热丝的根数和直径可根据实际情况确定，热丝直径可选择0.3～2.0毫米，根数一般1～6根不等，热丝可以用钨丝或钽丝。两个热丝接线柱2为一组，热丝接线柱组可根据真空室1内空间成对设置，真空室1侧壁上设置的热丝接线柱组一般相对于整个真空室1呈对称分布，可根据具体真空室1内部空间尺寸选择2n(其中整数n＝1，2，3…)，如：两对、四对、六对等，以利于整个真空室内的等离子体密度均匀。

下面，通过实施例对本实用新型进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，将尺寸为20×20×3mm的工件304不锈钢片研磨、抛光、超声清洗及吹干后，置于立式电弧离子镀装置的工件转架上。如图1-图2所示，电弧离子镀装置主要包括：真空室1、热丝接线柱2、热丝绝缘块3、热丝反射罩4、热丝电源5、热丝6、工件7、工件转架8、工件转架台9、基体偏压电源10、弧源靶材11等，具体结构如下：

在设备真空室1侧壁处设置热丝接线柱2，热丝接线柱2位于真空室1壁两列弧源靶材11的间隙位置处，热丝接线柱2通过热丝绝缘块3固定于真空室1的侧壁上，热丝接线柱2之间可连接热丝6，且热丝绝缘块3与真空室1侧壁之间采用密封胶圈密封，热丝接线柱2采用紫铜制作，空心水冷结构，真空室1内壁与热丝6之间设置一个表面刨光的无磁不锈钢304制作的热丝反射罩4，热丝反射罩4可将热丝6发射的热量往真空室中心部位反射。热丝接线柱2的一端通过真空室1壁伸入真空室1内，热丝接线柱2的另一端穿过真空室1外壁，热丝接线柱2露出真空室外壁的部分分别接热丝电源5的正极与负极。

本实施例中，热丝6采用直径为0.6mm的钨丝，每两个热丝接线柱2为一组采用2根钨丝连接，四组热丝接线柱2共采用了8根钨丝。

弧源靶材11采用金属纯钛靶，将工件7(304不锈钢样片等)研磨并经镜面抛光后，在无水酒精中超声清洗20分钟，热风吹干后分组对称设置于工件转架8上，每组工件7分层均匀排布。抽真空至真空室1内真空度达到6×10^-3pa时，通氩气、气压控制在0.4pa，开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源，通过基体偏压电源10对工件7加负偏压-10v～-250v范围，且偏压渐进式增加，对工件7进行辉光清洗80分钟；然后调整ar气流量，使真空室内气压调整为0.5pa，同时开启金属纯钛靶，通过钛弧对工件7沉积ti过渡层3分钟；通过基体偏压电源10调整基体偏压为-100v范围，通氮气，调整气压为1.5pa，同时开启热丝电源5，电源电流调整为60a，沉积tin层，沉积时间为120分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭热丝电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。

所沉积tin薄膜的厚度为4.1微米，薄膜沉积速率约4.1微米/小时，显微硬度为23gpa，膜基结合强度为87n。

实施例2

本实施例中，将尺寸为20×14×3mm的工件m2高速钢片研磨、抛光、超声清洗及吹干后，立式置于电弧离子镀装置的工件转架上。与实施例1不同的是，本实施例中采用卧式电弧离子镀设备，热丝为直径为0.8mm的钨丝，每两个热丝接线柱用3根钨丝连接，六组热丝接线柱共采用了18根钨丝。

弧源靶材采用ti30al70at.％合金靶(原子百分比)，将处理好的工件m2高速钢样片置于工件转架上。抽真空至真空室内真空度达到8×10^-3pa时，通氩气、气压控制在0.4pa，开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源，通过基体偏压电源对工件加负偏压-10v～-240v范围，且偏压渐进式增加，对工件进行辉光清洗80分钟；然后调整ar气流量，使真空室内气压调整为0.6pa，同时开启弧源靶材产生铝钛弧，弧流设定为85a，对工件沉积alti过渡层3分钟；通过基体偏压电源调整基体脉冲负偏压为-80v，占空比为45％，通氮气，调整气压为2.1pa，调整铝钛合金靶材弧流为140a，同时开启热丝电源，电源电流调整为80a，沉积altin层，沉积时间为90分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭热丝电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。

所沉积altin薄膜的厚度为5.7微米，薄膜沉积速率约3.8微米/小时，显微硬度为32gpa，膜基结合强度为98n。

实施例3

本实施例中，将尺寸为20×16×3mm的工件m2高速钢片研磨、抛光、超声清洗及吹干后，立式置于电弧离子镀装置的工件转架上。与实施例1不同的是，本实施例中采用卧式电弧离子镀设备，热丝采用直径为1.0mm的钨丝，每两个热丝接线柱用3根钨丝连接，四组热丝接线柱共采用了12根钨丝。

弧源靶材采用al67cr33at.％(原子百分比)合金靶，将处理好的工件m2高速钢样片置于工件转架上。抽真空至真空室内真空度达到4×10^-3pa时，通氩气、气压控制在0.9pa，开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源，通过基体偏压电源对工件加负偏压-10v～-240v范围，且偏压渐进式增加，对工件进行辉光清洗90分钟；然后调整ar气流量，使真空室内气压调整为0.3pa，同时开启弧源靶材产生铝铬弧，弧流设定为115a，对工件沉积alcr过渡层4分钟；通过基体偏压电源调整基体脉冲负偏压为-50v，占空比为60％，通氮气，调整气压为2.5pa，调整铝铬合金靶材弧流为125a，同时开启热丝电源，电源电流调整为70a，沉积alcrn层，沉积时间为120分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭热丝电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。

所沉积alcrn薄膜的厚度为7.4微米，薄膜沉积速率约3.7微米/小时，显微硬度为31gpa，膜基结合强度为96n。

实施例4

本实施例中，将尺寸为15×15×5mm的工件yg6硬质合金刀片研磨、抛光、超声清洗及吹干后，立式置于电弧离子镀装置的工件转架上。与实施例1不同的是，本实施例中采用立式电弧离子镀设备，热丝采用直径为0.6mm的钨丝，每两个热丝接线柱用2根钨丝连接，四组热丝接线柱共采用了8根钨丝。

弧源靶材采用al60cr30si10at.％(原子百分比)合金靶，将处理好的工件yg6硬质合金刀片置于工件转架上。抽真空至真空室内真空度达到5×10^-3pa时，通氩气、气压控制在0.7pa，开启弧光增强辉光放电离子刻蚀源，通过基体偏压电源对工件加负偏压-10v～-220v范围，且偏压渐进式增加，对工件进行辉光清洗70分钟；然后调整ar气流量，使真空室内气压调整为0.7pa，同时开启弧源靶材产生铝铬硅弧，弧流设定为100a，对工件沉积alcrsi过渡层5分钟；通过基体偏压电源调整基体脉冲负偏压为-70v，占空比为50％，通氮气，调整气压为2.8pa，调整铝铬硅合金靶材弧流为140a，同时开启热丝电源，电源电流调整为50a，沉积alcrsin层，沉积时间为60分钟。沉积结束后，迅速关闭基体偏压，关闭钛弧电源开关，关闭热丝电源，停止气体通入，继续抽真空至工件随炉冷却至100℃以下，打开真空室，取出工件，镀膜过程结束。

所沉积alcrsin薄膜的厚度为3.7微米，薄膜沉积速率约3.7微米/小时，显微硬度为38gpa，膜基结合强度为91n。

实施例结果表明，采用本实用新型在镀膜过程中，真空室内热丝产生的电子在迁徙过程中将气体分子电离，有效提高真空室内的等离子体密度，可有效提高镀膜沉积效率和薄膜致密度。本实用新型不仅适用于工业广泛应用的电弧离子镀设备，而且对于离化率较高的各种离子镀及高功率脉冲磁控溅射等技术同样适用，可有效提高其等离子体密度。