专利名称：离子束辅助沉积铂膜的成型模具及其工艺的制作方法
技术领域：
本发明的离子束辅助沉积铂膜的成型模具及其工艺，特别涉及提高玻璃或石英的热拉或热压成型模具的耐高温氧化和抗熔玻璃或石英侵蚀性能的离子束辅助沉积铂膜的成型模具，属于真空蒸发、溅射、离子注入膜层形成材料的涂覆的技术领域。
在电真空工业及玻璃、塑料、橡胶等工业生产中，大量使用各种热压和热拉成型模具，模具基体通常是耐热钢或耐热合金。特别在电光源和针剂瓶的生产中，由于熔融玻璃或石英的高温侵蚀和氧化，不仅影响模具的性能和寿命，而且会使灯管或针剂瓶等产品内表面产生条纹或变得粗糙，降低透明度，直接影响产品质量。因此，有各种方法处理模具表面，以提高模具的抗高温氧化和侵蚀的能力。早期在模具表面涂复抗高温材料(SU876767，GB1604604)，用化学和物理方法在模具表面蒸镀抗高温氧化镀层(特开昭57-071829)及其它氮化处理方法来改善模具性能。近年来，还用溅射与离子束轰击方法在模具表面形成氮化硅膜(CN85105267)来达到改善模具性能的目的。但这些镀层的抗熔融玻璃或石英的侵蚀性能都不如铂。铂具有高熔点(1772℃)及极好的化学稳定性，因此，目前通用的玻璃或石英成型模具仍然是在模具上包裹铂箔的方式。然而，铂价格昂贵，使生产成本提高，企业难以承受。也有尝试改进模具基体材料的，但实践证明，收效甚微。目前使用的成型模具经常需要更换，生产难以持续进行，不仅增加成本，而且难以保证产品质量。
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种既充分利用铂极佳的抗高温氧化和侵蚀性能，又大大减少铂的用量以降低成本，并得以提高模具的使用寿命的新的模具结构及其制造工艺。它是用离子束辅助沉积方法，在模具基体表面生成与模具基体结合牢固、具有优异的抗高温氧化及抗熔融玻璃或石英侵蚀的铂薄层，形成离子束辅助沉积铂膜的成型模具。
本发明的成型模具包括耐热钢或耐热合金模具基体，其特征在于基体上有一层离子束辅助沉积的铂膜，铂膜厚度为3-20微米。
铂膜厚度的最佳值为5-10微米。
本发明的离子束辅助沉积铂膜的成型模具的工艺，包括耐热钢或耐热合金模具基体的抛光与化学清洗工艺，其特征在于用离子束辅助沉积工艺沉积铂膜，具体工艺为a.将化学清洗好的模具基体及铂靶置入离子束辅助沉积装置的工作室，抽真空使工作室基础真空优于1×10-3帕，b.用氮或惰性气体作为清洗离子源的放电气体，在离子轰击下剥离模具基体表面，使露出新鲜表面，c.用电子束蒸发沉积铂膜或以惰性气体作为溅射离子源的放电气体溅射沉积铂膜，铂膜厚度为3-20微米，在蒸发或溅射的同时，以氮或惰性气体作为轰击离子源的放电气体，以10-100kev的能量的轰击离子轰击沉积的铂膜，轰击离子源的基础真空优于4×10-4帕，d.关闭真空，取出已沉积铂膜的模具。
上述工艺中b步的剥离厚度最好为20-50纳米。
上述工艺c步中，电子束蒸发的沉积速率为15-50纳米/分，离子束溅射的沉积速率为5-15纳米/分，铂膜的最佳厚度为5-10微米。
上述工艺中c步的轰击离子能量最好为10-50kev，束流密度10-20微米/平方厘米。
用本发明的工艺可以制备沉积了3-20微米的离子束辅助沉积铂膜的成型模具，模具表面光滑，沉积前后模具的几何尺寸几乎不变。使用本发明的模具大大提高了模具的抗高温氧化性能和抗熔融玻璃或石英的侵蚀性能，延长了模具的寿命。本发明通过离子束辅助沉积使铂膜与模具基体结合牢固，可长期使用，保证了使用成型模具的产品质量和长期稳定生产。
以下通过用离子束溅射沉积铂膜并同时用离子束轰击沉积铂膜的实施例进一步说明本发明的工艺。
1.离子束辅助沉积装置
图1表示本实施例所用的离子束辅助沉积装置。它是一种宽束离子束混合装置，该装置由三个离子源及相应的引出部、溅射靶、工作室和工作台组成，另外包括真空系统、溅射靶及工作台冷却系统、离子源供气系统及整机的供电、控制系统，除真空系统外，图中未画出。图中1为轰击离子源(高压离子源)，2为清洗离子源，3为主真空系统，4是工作台，5是溅射离子源，6是溅射靶，7是辅助真空系统，8为待处理工件。
三个离子源1、2、5均采用考夫曼型双栅多孔引出结构。轰击离子源1用于中等能量的离子轰击，离子能量可在3-100kev范围变化，采用无聚焦、无分析、短光路的引出结构，以达到强流、高效的束传输，使在工作台面中φ200mm的圆面积内，束流分布均匀度优于20%。溅射离子源5的工作能量通常在2kev以上，束流强度100-150mA，溅射束呈聚焦状态以提高溅射速率，一般溅射速率在每分钟几个纳米至几百纳米之间。清洗离子源2的离子能量可在300-1000ev内调节，最大束流50mA，溅射靶6由围绕水平轴，相隔120°布置的三个靶子组成，可在不破坏真空的条件下顺次溅射不同材料于工件表面，本发明只使用铂靶。溅射靶靶座内设有水冷系统。工作台4置于工作室内，工件8(待处理的模具基体)在工作台上可随工作台作多种方式运动，以提高工件表面离子束清洗，溅射成膜和离子束轰击的均匀性，保证模具基体表面铂膜沉积厚度及性能的一致性。工作台内也设有水冷系统。主真空系统3保证工作室的基础真空优于1×10-3帕，辅助真空系统使轰击离子源的基础真空达到优于4×10-4帕后，启动清洗离子源2以离子束清洗模具基体，清洗离子源的放电气体使用氩，离子能量950ev，使模具表面剥离20-50纳米，以露出新鲜表面。
3.启动溅射与轰击离子源，溅射离子源的放电气体为氩，轰击离子源的放电气体采用氮，溅射与轰击离子源同时工作，溅射离子能量2-2.5KEV，束流90-130mAAr+，溅射沉积速率10-15纳米/分，轰击离子能量在50-10kev，束流密度为10-20微安/平方厘米，溅射与轰击时间视需沉积的铂膜厚度而定。
用本实施例的工艺可得到本发明的离子束辅助沉积铂膜的成型模具，铂膜厚度为5-10微米。
本实施例的成型模具在节能灯管生产过程中试用证明，沉积了铂膜的模具单次使用周期超过了原模具寿命的九倍，在卸下后，可重新装在生产线上继续使用，其成本大大低于用铂膜包裹的成型模具。使用本发明的模具，保证了节能灯管的质量，也实现了长期稳定生产，减少停产损失，从而大大提高了生产效益。
上述实施例中，如离子束辅助沉积装置再增加一电子束蒸发装置(或替代上述实施例的溅射离子源装置)，则可以电子束蒸发铂膜替代离子束溅射薄膜，在蒸发的同时，也同样以轰击离子轰击，亦可得到离子束辅助沉积铂膜的成型模具。用电子束蒸发沉积薄膜的沉积速率为15-50纳米/分。
权利要求
1.本发明为离子束辅助沉积铂膜的模具，包括耐热钢或耐热合金模具基体，本发明的特征在于基体上有一层用离子束辅助沉积的铂膜，铂膜厚度为3-20微米。
2.按权利要求1所述的成型模具，其特征在于离子束辅助沉积铂膜的厚度最佳值为5-10微米。
3.一种制造权利要求1所述成型模具的离子束辅助沉积铂膜的工艺，包括耐热钢或耐热合金的抛光和化学清洗工艺，本发明的特征在于用离子束辅助沉积工艺沉积铂膜，具体工艺为a.将化学清洗好的模具基体及铂靶置入离子束辅助沉积装置的工作室，抽真空使工作室基础真空优于1×10-3帕，b.用氮或惰性气体作为清洗离子源的放电气体，在离子轰击下剥离模具基体表面，使露出新鲜表面，c.用电子束蒸发沉积铂膜或以惰性气体作为溅射离子源的放电气体溅射沉积铂膜，铂膜厚度为3-20微米，在蒸发或溅射的同时，以氮或惰性气体作为轰击离子源的放电气体，以10-100kev能量的轰击离子轰击沉积的铂膜，轰击离子源的基础真空优于4×10-4帕，d.关闭真空，取出沉积铂膜的模具。
4.按权利要求3所述的工艺，其特征在于所说的清洗离子源与溅射离子源的放电气体为氩，轰击离子源的放电气体为氮。
5.按权利要求3所述的工艺，其特征在于所说的电子束蒸发沉积铂膜的沉积速率为15-50纳米/分。
6.按权利要求3、4、或5所述的工艺，其特征在于清洗离子源的清洗离子轰击下使模具基体表面剥离的厚度为20-50纳米。
7.按权利要求3或4所述的工艺，其特征在于所说的离子束溅射沉积铂膜的沉积速率为5-15纳米/分。
8.按权利要求3、4或5所述的工艺，其特征在于所说的轰击离子的能量最好为10-50kev，束流密度为10-20微安/平方厘米。
9.按权利要求3、4所述的工艺，其特征在于沉积铂膜的最佳厚度为5-10微米。
全文摘要
本发明是离子束辅助沉积铂膜的成型模具及其工艺，属于真空蒸发、溅射及离子注入膜层形成材料涂覆的技术领域，它是在成型模具基体上用离子束辅助沉积形成3—20微米的铂膜，用氮或惰性气体作为清洗和轰击离子源的放电气体，用惰性气体作为溅射离子源的放电气体。用本发明的工艺可制得抗高温氧化和抗熔融玻璃腐蚀性能优异的成型模具，延长了模具的寿命，降低了生产成本，保证了稳定生产，并使产品质量大大提高。
文档编号C23C14/14GK1095428SQ9311244
公开日1994年11月23日 申请日期1993年5月21日 优先权日1993年5月21日
发明者孙义林, 张福民, 陈酋善, 牟海川 申请人:中国科学院上海冶金研究所