制备dlc膜的工业型自动化气相沉积设备的制造方法
【专利说明】
[0001]技术领域:
本发明涉及一种制备DLC膜全自动化工业型气相沉积设备，属于气相沉积领域。
[0002]【背景技术】:
DLC涂层是一种与金刚石涂层性能相似的新型涂层材料，它具有较高的硬度，良好的热传导率，极低的摩擦系数，优异的电绝缘性能，高的化学稳定性及红外透光性能，所以被广泛应用到机械、电子、光学和医学等各个领域，国内外有大量的文献报道了采用不同的沉积方法制备不同类型、结构、成分的DLC涂层。
[0003]涂层沉积领域通常可分为化学气相沉积技术(CVD)、物理气相沉积技术(PVD)和物理化学气相沉积(PCVD)技术。CVD沉积过程是在一定温度条件下，通过混合反应气体向基体表面扩散、被吸附、反应、堆积而完成的，可实现TiN、TiC、TiCN、TiBN, TiB2, Al2O3等单层及多元多层复合涂层的沉积，涂层与基体结合力较好，目前涂层厚度可达20 μπι以上，虽然CVD涂层耐磨性较好，但由于其沉积温度较高(700— 1100°C)，会造成材料的抗弯强度降低，对于很多钢制品还会因温度超过材料的退火温度而造成材料硬度和结合强度降低，因此CVD目前在硬质合金刀片及模具涂层中占有较大比例，但是由于沉积原理的限制，CVD无法进行DLC涂层的沉积。
[0004]PVD技术是利用气体放电技术，将蒸发原子部分电尚成尚子，获得尚能量的尚子可以有效地清洁工件表面，提高涂层自身及与工件基体的结合力，从而获得高品质的涂层。采用PVD技术的涂层设备目前已经比较成熟，产品已经发展到第七代的氧化物涂层，但是高端技术基本被国外的1nbond、Balzers、Platit、Hauzer、Sulzer等厂商所掌握。PVD技术处理温度低(600°C以下)，对材料抗弯强度基本无影响，涂层内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层，另外PVD工艺对环境无不利影响，更符合现代绿色制造的发展方向。目前PVD技术常用的方法有:空心阴极、热阴极、阴极电弧及磁控溅射离子镀等等。PVD涂层种类繁多，变化迅速，已发展有多层、复合、纳米结构膜层，最前沿的研宄则是氧化物、含碳、硼类的膜层，本发明之所以选择中频磁控电源就是考虑到该类电源可以沉积金刚石、氧化物等不导电的涂层。采用PVD方法沉积的DLC涂层不含氢，硬度高，但是存在沉积速率慢、自润滑性相对较差，绕镀性较差，不适合在复杂工件上沉积等缺点，限制了其应用范围。
[0005]PCVD技术是近几十年发展起来的新型表面涂层技术，该技术将等离子体技术引入了化学气相沉积工艺中，主要是利用辉光放电的物理作用来激活化学反应，从而大幅度降低反应温度。PCVD沉积温度通常可控制在600°C以下，绕镀性好，易于在形状复杂、大面积的工件上获得超硬膜，沉积速率可达4?10 μ m/h，目前可以沉积的涂层种类有TiN、TiCN, TiSiN, TiAlSiN, TiC、类金刚石等。按激发方式PCVD技术可分为射频、直流、射频直流、微波等离子体、热丝、及脉冲直流技术，但是由于前四者的沉积原理、技术成熟度等原因并不适合工业化应用，热丝技术虽然比较成熟，但是一般更多的应用于金刚石涂层的沉积，所以真正大规模工业化应用的目前只有脉冲直流PCVD技术。国内虽然也可以制备工业型脉冲直流PCVD设备，但沉积室仍然相对较小，如国内专利CN 1263953A介绍的PCVD设备沉积室尺寸只有Φ350mmX 700mm，再如国内专利CN 102011090A介绍的等离子体热处理炉，沉积室尺寸为Φ650πιπιΧ 1200mm,虽然该设备尺寸已经相对较大，但是相比国外Φ1500πιπιΧ4500πιπι的设备仍有非常大的差距，而且国内的设备目前基本都不是自动化操作，不利于工艺的精确化控制。
[0006]随着科学技术的不断发展，对涂层的结合力、硬度、厚度、韧性、晶粒尺寸、润滑性等性能要求也越来越高，尤其是在航空航天、汽车、光学、声学、生物医学、机械加工等领域，而单一的CVD、PVD、PCVD涂层往往无法满足这些要求，所以需要各种性质的涂层相互配合才能完成。以专利201010530080介绍的双结构涂层硬质合金刀具为例，为了降低涂层应力并获得更低的表面粗糙度，在CVD涂层后再进行PVD涂层来达到目的，但是这样的处理方式相对效率较低，由于两种涂层不能在同一台设备进行，所以需要在CVD涂层后将涂层刀具从反应炉中取出进行处理后再重新装入PCVD设备中进行涂层，如果两种涂层能在同一台设备中完成将极大的提高工作效率。再以刀具行业目前普遍采用的为TiN+TiAIN复合PVD涂层为例，虽然该种涂层目前比较成熟，但在加工粘性材料时其自润滑性相对仍然较差，比较容易粘刀，所以仍有很大的提升空间，如果可以在TiN+TiAIN复合PVD涂层上再沉积一层润滑性较好的DLC涂层，将会极大的提高涂层刀具的寿命。虽然现在也有采用PVD方法沉积的DLC涂层，但正如之前说过的，PVD方法绕镀性较差，且采用这种方法沉积的DLC涂层润滑性相对于采用PCVD方法沉积的DLC涂层要低很多，生长速率又要慢很多，所以采用PCVD方法沉积DLC更好，同时也说明本发明中所述的设备既能进行PVD涂层也能进行PCVD涂层也是非常必要的。
[0007]目前有据可查的开发了PVD+PCVD复合涂层沉积设备的只有美国西南研宄院(US8273222B2)及荷兰的Hauzer (W02007089216A1)涂层公司，国内还未见有公司研制出类似的工业型设备。同类型设备中，美国西南研宄院采用的是磁控溅射PVD+射频PCVD的技术组合，由于普通的磁控溅射无法沉积氧化铝等不导电膜，加之射频PCVD离化率低，反应速度慢，限制了其工业应用范围；Hauzer公司采用的弧过滤PVD+脉冲PCVD的技术组合，虽然应用范围广，但是由于加入了颗粒过滤装置，设备复杂昂贵，且不可能完全过滤掉沉积过程中的大颗粒。
[0008]
【发明内容】
:
本发明的目的是一种结构简单，造价低，功能强，易于操作和维护，应用范围广，可以进行工艺的精确控制的制备DLC膜的工业型自动化气相沉积设备。
[0009]本发明是这样实现的:
制备DLC膜的工业型自动化气相沉积设备由沉积室1、供气系统I1、真空系统II1、加热系统IV、水冷系统V、中频磁控溅射系统V1、工件高压绝缘装夹系统VI1、电气控制系统VID及脉冲调制电源系统IX组成，供气系统II由多路进气管及流量控制器组成，进气管的进气口固定于沉积室I上部，可以满足多种涂层的供气要求，沉积过程中，反应气体在电场中通过激发、电离、附着等一系列过程后沉积在工件表面上，所述的真空系统III与沉积室I后侧的抽气口相连，由扩散泵2、机械泵3、罗茨泵4、单级旋片泵5、电动光栅阀6、放气阀8、高阀7、预抽阀9、维持阀10、前级阀11、旁路阀12、高真空规13、第1、2、3低真空规14、16、17、薄膜电容规15、预留真空测量口组成，抽气口经电动光栅阀6、分别经高阀7、预抽阀9、旁路阀12与扩散泵2、罗茨泵4、单级旋片泵5连接