一种等离子体增强制备精密涂层的电弧离子镀设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料表面改性技术领域，特别涉及一种制备精密涂层的电弧离子镀设备，另外还涉及其方法。
【背景技术】
[0002]目前，电弧离子镀膜技术以其高离化率、高沉积速率而广泛应用于制备硬质防护膜层，特别是电弧离子镀膜技术在高速钢以及硬质合金基体上制备TiC、TiN、TiAlN和TiCN等硬质膜早已得到广泛应用。经过镀膜处理后的刀具具有优良的耐磨性能而延长使用寿命，这是因为供货状态下的基体材料本身的硬度(500-900HV)足够高到能够承载硬度很高(1500-2500HV)的硬质薄膜使得膜基体系能够有很好的结合力而表现出优异的综合性能。然而对于基材硬度偏低的模具钢、结构钢特别是不锈钢等材料，直接在其表面制备硬质薄膜，会因膜基间存在较大的硬度差而出现“蛋壳效应”，基体表面的硬质膜在服役过程中容易产生脱落和剥离现象。
[0003]在化学热处理与镀膜复合技术中，渗氮与PVD复合技术在提高工件表面硬度和改善膜基结合力等方面都具有很大的潜力，采用镀膜前先进行离子渗氮，不仅可使膜层的抗变形能力提高，而且由于膜层下形成了一个较平稳的硬度过渡区，可使膜层到基体的应力分布连续性较好，因此相对于未渗氮工件可以提高膜基结合力和膜层的力学抗力。
[0004]然而，采用普通离子渗氮与镀膜技术复合处理，需要分别在两个装置中进行，因为普通离子渗氮的工作气压为133Pa?1330Pa，而镀膜工艺多在0.1?1Pa气压条件下进行，很难连续处理，也不利于提高膜基结合力。
[0005]另外，目前一般的电弧离子镀设备采用直接电弧发热激发阴极靶材产生等离子体，该过程中将伴随着电弧离子镀特有的液滴，即大颗粒，这些大颗粒与等离子体一起喷发出来，严重影响膜层的致密度和粗糙度，微观上凹凸不平，膜层反复沉积于粗糙的表面后，膜层间的结合力较弱，镀膜的表面质量和膜层力学抗力都较差。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种离子渗氮及电弧离子镀膜的表面复合改性设备及方法，该设备通过热丝装置的热丝通电后发热，从而激发出电子，增加放电空间的电子数目，从而增加了电子与气体分子的碰撞几率，促进气体的离化和活性基团的产生，使得气体能在真空度为0.1-1OPa的数量级上维持稳定的辉光放电，在同一设备同一数量级气压条件下连续进行离子渗氮及电弧离子镀膜的工艺，该方法能够获得平稳的硬度过渡区，提高层间结合力。
[0007]同时，本发明专利中采用双级磁场线圈结构的增强过滤阴极弧源，可以滤掉大部分的电弧离子镀大颗粒，降低表面粗糙度，而且，通过热丝激发的电子增加Ar离子的电离密度，使用高密度的Ar离子轰击硬质薄膜层，进一步磨平薄膜中的粗糙颗粒，提高层间结合力和致密度。
[0008]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种等离子体增强制备精密涂层的电弧离子镀设备，包括真空腔室，其特征在于，所述真空腔室底部活动安装有旋转平台，旋转平台上放置工件，旋转平台与工件偏压电源负极相连，旋转平台与真空腔室绝缘，工件偏压电源正极与真空腔室相连；所述真空腔室壁上固定安装有热丝装置，热丝装置的负极与热丝偏压电源负极相连，热丝偏压电源正极与真空腔室相连，热丝装置与真空腔室绝缘；所述真空腔室上固定安装有增强过滤阴极弧源；所述真空腔室上安装有真空系统，所述真空腔室壁上还设置有腔室进气孔。
[0009]所述热丝装置采用热丝连接于直流电源两端电极之上，热丝位于真空腔室内部，所述热丝为直径0.5-1.5mm的钨、钼或钽丝，热丝装置的电路中设置有热丝装置开关。
[0010]所述旋转平台与真空腔室之间安装有旋转平台绝缘套，所述热丝装置与真空腔室之间安装有热丝装置绝缘套，所述真空腔室内壁上还安装有加热器。
[0011]所述增强过滤阴极弧源采用弧源法兰固定于真空腔室壁之上，二级磁场线圈固定于弧源法兰之上，一级磁场线圈固定于二级磁场线圈末端，阴极革G固定于一级磁场线圈中心；所述一级磁场线圈内部设置一级线圈支撑圆筒，且一级线圈支撑圆筒内径为Φ 120-250mm，长度为40_100mm，一级磁场线圈的缠绕密度为8_30胆/mm，一级磁场线圈的铜线直径为0.5-2mm;所述二级磁场线圈内部设置二级线圈支撑圆筒，且二级线圈支撑圆筒内径为Φ 150-300mm,长度为200_400mm，二级磁场线圈缠绕密度为5_20 I? /mm, 二级磁场线圈铜线直径为0.5-1.5mm。
[0012]一种等离子体增强制备精密涂层的电弧离子镀方法，其特征在于，在真空条件下，将工件加热升温，启动工件偏压电源，启动热丝装置及热丝偏压电源，通入凡及!12，引发电离形成增强放电的气体等离子体对工件渗氮，获得渗氮层，停止通入樣H 2;通入Ar引发Ar电离形成增强放电的Ar的等离子体，Ar离子在电场作用下轰击清洗；然后再通过电弧离子镀制备硬质薄膜层；重复Ar离子清洗和电弧离子镀制备硬质薄膜层的步骤，获得致密的硬质薄膜层。
[0013]所述一种等离子体增强制备精密涂层的电弧离子镀方法，其特征在于，包括以下顺序步骤:
[0014](I)制备渗氮层
[0015]将需要制备的硬质薄膜层的原材料作为阴极靶材安装于上述等离子体增强制备精密涂层的电弧离子镀设备之中，关闭真空腔室，抽真空至真空度高于5.0X 10_3Pa;启动加热器，将工件加热升温至300°C?600°C，启动工件偏压电源，启动热丝装置及热丝偏压电源，通入队及H 2至气压达到0.lPa-50Pa，引发N 2及H 2电离形成增强放电的气体等离子体对工件渗氮，获得1-5 μ m的渗氮层，停止通入队及H2;
[0016](2)离子轰击清洗
[0017]抽真空至真空度高于5.0X ICT3Pa,通入Ar至气压达到0.lPa_50Pa，引发Ar电离形成增强放电的Ar的等离子体，调节工件偏压电源的偏压，Ar离子在电场作用下轰击清洗5-30分钟；
[0018](3)制备硬质薄膜层
[0019]关闭热丝装置及热丝偏压电源，保持真空度为0.1Pa-lOPa，启动增强过滤阴极弧源，通入反应气体，通过电弧离子镀制备0.5-5 μ m硬质薄膜层；
[0020](4)重复离子轰击后制备硬质薄膜
[0021]重复步骤(2)、(3)，直到工件表面硬质薄膜层厚度达到20-50 μ m，得到致密的硬质薄膜层。
[0022]所述步骤(I)中启动工件偏压电源，设置工件偏压电源为脉冲偏压，其参数为:工作频率5KHz-40KHz，占空比5% -85%，偏压幅值为-400V?-1000V ;所述步骤(I)中通入队的流量为50SCCM?500SCCM，通入!12的流量为50SCCM?1000SCCM。
[0023]所述步骤(1)、(2)或(4)中启动热丝装置及热丝偏压电源，其中，通入热丝中的电流为20A-100A，热丝两端的电压为30V-100V，设置热丝偏压电源的偏压为-1OV?-50V。
[0024]所述步骤(2)或(4)中调节工件偏压电源的偏压至-600V?-1500V。
[0025]所述步骤(3)或(4)中硬质薄膜层为氮化钛、碳化钛、氮碳化钛、氮化铬、碳铬纳米复合薄膜和氮化钛铝。
[0026]本发明的方法及其装置具有如下的有益效果:
[0027](I)本发明所提供的等离子体增强制备精密涂层的电弧离子镀设备及方法，在一个设备上实现了离子渗氮后等离子镀膜的工艺，设备连续性较高，使用方便，生产效率高；在离子渗氮阶段，通入N2电离的同时加入了一定量的H 2，4的加入可以降低产生活性氮原子的激活能，增加活性氮原子的数量，提高渗氮的效率，在工件表面形成了平稳的硬度过渡区，提高膜基结合力和膜层的力学抗力，硬质薄膜层不易脱落或剥离；
[0028](2)本发明设备中采用双级磁场线圈结构的增强过滤阴极弧源，可以滤掉70%以上的电弧离子镀大颗粒，降低表面粗糙度，大幅度提高致密度和表面质量；
[0029](3)本发明的方法中，通过热丝装置激发的电子增加Ar离子的电离密度，使得Ar离子的密度从107cm3提高到10 ic^lO1Vcm3,使用高密度的Ar离子轰击硬质薄膜层，进一步磨平薄膜中的粗糙颗粒，并在薄膜中形成断键，更易与新的薄膜原子结合，从而进一步提高结合力和致密度；
[0030](4)应用该设备方法制备得到的工件表面的硬度得到明显提高，与直接电弧离子镀膜相比，硬度提高了 50% -65%。
【附图说明】
[0031]图1是一种等离子体增强制备精密涂层的电弧离子镀设备的结构示意图。
[0032]图中:I热丝偏压电源，2热丝装置，21热丝装置开关，22热丝装置绝缘套，3增强过滤阴极弧源，3