专利名称：一种降低dlc涂层内应力的等离子全方位离子沉积设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及镀膜领域，具体地说一种能有效降低DLC涂层内应力等离子全方位离子沉积设备。
背景技术：
二十世纪七十年代以来，镀膜工艺在工业界掀起了狂潮，各种镀膜技术纷纷都走向了产业化。在机械制造领域，涉及的问题主要是高耐磨，抗氧化，耐腐蚀，高疲劳寿命等。据不完全统计，在发达国家，由表面失效而造成的经济损失占GDP的4%，这意味着美国每年在表面失效上要花费2800亿美元，在德国，用于降低磨损的润滑油就达到了 20亿美元/年，而且每年以5%的速度剧增，因此，关键零部件的表面处理变得尤为重要。类金刚石涂层在机械制造领域有着广阔的应用，如活塞、活塞环、有色金属加工的刀具、齿轮等。 1971年Aisenberg等人首次利用碳离子制备出类金刚石膜(Diamond LikeCarbon coating,简称DLC涂层)，类金刚石(DLC)涂层是含有金刚石相(sp3键或其杂化态)和石墨相(sp2键)的非晶态碳膜。其中的碳原子部分处于金刚石的杂化状态，部分处于石墨的杂化状态，也有极少数的碳处于sp1杂化态。类金刚石涂层不仅具有高硬度、低摩擦系数，在工件表面镀上DLC之后能起到很好的耐磨减摩效果。同时，DLC涂层还具有极高电阻率和极好的耐蚀性、光学透过性及生物相容性，它是机械、电子、航天航空、医学、光学等领域的理想材料。作为表面处理技术的一个分支，等离子全方位离子沉积技术(Plasma ImmersionIon Deposition),简称为PIID技术，它是等离子增强化学气相沉积技术的一种。利用PIID技术可以制备出类金刚石涂层，即DLC涂层。尽管DLC涂层具有高硬度、低摩擦系数、耐磨耐腐蚀能多种优异的性能，随着科技的进步，对材料性能的要求就越来越苛刻。传统的类金刚石涂层已经不能满足工业化更高品质，更好层次产品的需求。目前，国内外关于类金刚石涂层的研究主要集中在以下几个方面I、与基体材料的结合力问题。DLC与基体材料的结合力差导致其在服役过程中的剥落是目前面临的最大的问题。如DLC涂层在ZnS基体上的附着力非常差，在陶瓷、玻璃、塑料、树脂上的附着力也不够好，在硅和钢上面虽然有较强的附着力，但对于恶劣环境应用仍有待进一步提高。其原因是DLC涂层和基体之间晶格结构及物理性能如热膨胀系数、弹性模量等的不兼容性。2、内应力大导致脆性崩裂。对附着力差的基体，巨大的内应力很容易引发膜的开裂和剥落。由于内应力大的缘故，DLC在刀具上的应用就受到了限制，特别是在切割钢铁、硬质合金等材料的时候，巨大的内应力会导致涂层崩裂而提前失效。另外，如何降低镀膜成本、提高镀膜速率、提高涂层的热稳定性和耐腐蚀性能也是目前正在研究的方向。为了降低DLC涂层的内应力、提高涂层的结合强度、实现大批量产业化镀膜，科研工作者们对于PIID设备进行了广泛而深入的研究。[0009]目前，国内外对于新型PIID设备的研制发展趋势主要集中在以下几个方面I、提高真空室内等离子体密度，如何快速高质量地镀膜；2、研制大型的真空镀膜室体，能够装载更多更大的エ件，并能实现自动化、连续化镀膜以降低镀膜成本；3、对设备主体(包括真空设备和电源设备)进行优化，解决DLC涂层与基体的结合力问题。
发明内容本发明的目的提供一种降低DLC涂层内应カ的等离子全方位离子沉积设备，以提高DLC涂层的内应カ以及涂层的结合强度，同时降低镀膜成本、提高涂层的热稳定性和耐腐蚀性。本发明解决技术问题采用如下方案一种降低DLC涂层内应カ的等离子全方位离子沉积设备，该设备包括真空镀膜室、抽气系统、充气系统、真空检测系统以及高压电源系统，所述真空镀膜室内设有用于放置镀膜エ件的支架，其特征在干，该设备还设置有DLC涂层掺杂装置，所述掺杂装置包括与 真空镀膜室通过管道相连的外置式气源输入装置和位于真空镀膜室内的内置式金属蒸汽源高频感应加热装置。与已有技术相比，本发明有益效果体现在I、本发明在原有等离子全方位离子沉积设备的基础上增设DLC涂层的掺杂装置，降低DLC涂层的内应力，实现不同的功能需求。如对于自清洁功能的表面可选择低表面能F-DLC、Si-O-DLC ;对于刀具模具强接触应カ的环境可使用Ti_DLC、Cr_DLC等含金属的涂层；对于一般的需求，使用普通的DLC涂层即可。
图I是本发明等离子全方位离子沉积设备系统构成图。图2是本发明金属蒸汽源高频感应加热原理图。图中标号1真空检测系统、2等离子增强装置、3充气系统、4エ件、5高压电源系统、6人机控制系统、7抽气系统、8真空镀膜室、9外置式气源输入装置、10支架、11高频感应加热装置。
以下结合附图通过具体实施方式
对本发明做进ー步说明。
具体实施方式
如图所示，等离子全方位离子沉积设备，该设备包括8真空镀膜室、7抽气系统、3充气系统、真空检测系统I、等离子增强装置2以及高压电源系统5，真空镀膜室8内设有用于放置镀膜エ件4的绝缘支架10，该设备还设置有DLC涂层掺杂装置，掺杂装置包括与真空镀膜室通过管道相连的外置式气源输入装置9和位于真空镀膜室内的内置式金属蒸汽源高频感应加热装置11。本发明设备采用两种方式实现DLC涂层的掺杂，分别是气源掺杂、金属蒸汽掺杂。对于每一种掺杂，均做如下设置①气源掺杂非金属掺杂一般选择在室温下为气态或饱和蒸汽压较高的液体，通常将气体或液体装入图I外置式气源输入装置的罐体中，通过管道传输将气体(蒸汽)均匀输送到真空镀膜室内，通过等离子体的轰击即可实现掺杂。在管道输送过程中设有f 2个阀门控制气体(蒸汽)流速，可以控制掺杂元素的含量。如含F的DLC膜可以实现表面的自清洁功能，H2SiF6、HF、CC12F2为可选气源。与常规DLC相比，F-DLC具有更低的表面能，与水的接触角在120°以上。如果将含有F的DLC应用在大型场馆的玻璃上，玻璃可以实现自清洁，可以避免人员高空作业的危险。金属气源掺杂的金属包括Ti、Cr、W等，要想使用PIID设备进行镀膜，必须使用其气态的形式。将含有金属的TiCl4,CrCl4,WF6的液体加入到外置式气源输入装置的罐体中，利用温控装置加热罐体的外壁，并使温度稳定在60°C左右，TiCl4, CrCl4, WF6的液体受热蒸发，通过管道输送到镀膜室，金属蒸汽受到电子的轰击被电离，和传统的PIID镀膜原理相同，之后在エ件表面形成了 Ti-DLC，Cr-DLC, W-DLC等第三代DLC涂层。 对于Ti、Cr、W等金属，要想使用PIID设备进行镀膜，必须使用其气态的形式。考虑到TiCl4, CrCl4, WF6金属气体具有剧烈的毒性和腐蚀性，在镀膜过程中一般采用以下三种方式进行防护a.真空镀膜室内壁使用不锈钢衬板和烘烤装置，防止金属蒸汽的吸附，同时便于衬板取出喷砂用于下次镀膜；b.采用分子泵，罗茨泵和机械泵镀膜，并在每次镀膜后换油；c.排气后使用气体收集和压缩装置，避免了金属气体对大气的污染。②金属蒸汽掺杂金属蒸汽掺杂是在真空镀膜室加入金属蒸汽源，其原理如图2所示。在真空镀膜室内加坩埚，坩埚内加入所需要掺杂的元素颗粒，使用高频感应加热装置对坩埚进行加热，加热后的金属蒸汽会扩散到真空镀膜室的各个位置。和DLC镀膜原理相同，エ件表面释放的电子与金属气体原子和C、H气体发生碰撞后,使其电离,受到エ件负偏压的吸引，带正电的离子轰击到エ件表面，最终形成Me-DLC。选用的掺杂元素主要有以Ti、Cr、Al、Co、Cu等金属，具体加热温度可以通过坩埚上的热电偶反馈。对于不同的金属，在镀膜气压(IPa)下，其熔化温度和蒸发温度见表I所示。表I DLC掺杂常用金属的熔化温度及其在Pv=IPa时的蒸发温度
权利要求1.一种降低DLC涂层内应力的等离子全方位离子沉积设备，该设备包括真空镀膜室、抽气系统、充气系统、真空检测系统以及高压电源系统，所述真空镀膜室内设有用于放置镀膜工件的支架，其特征在于，该设备还设置有DLC涂层掺杂装置，所述掺杂装置包括与真空镀膜室通过管道相连的外置式气源输入装置和位于真空镀膜室内的内置式金属蒸汽源高频感应加热装置。
专利摘要一种降低DLC涂层内应力的等离子全方位离子沉积设备，该设备包括真空镀膜室、抽气系统、充气系统、真空检测系统以及高压电源系统，所述真空镀膜室内设有用于放置镀膜工件的绝缘支架，其特征在于，该设备还设置有DLC涂层掺杂装置，所述掺杂装置包括与真空镀膜室通过管道相连的外置式气源输入装置和位于真空镀膜室内的内置式金属蒸汽源高频感应加热装置。本实用新型在原有等离子全方位离子沉积设备的基础上增设DLC涂层的掺杂装置，降低DLC涂层的内应力，实现不同的功能需求。
文档编号C23C14/32GK202595255SQ2012202507
公开日2012年12月12日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者李灿民, 陶满 申请人:合肥永信等离子技术有限公司