专利名称：金属板带表面改性的生产设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属板带表面改性的生产设备，特别涉及的是一种将金属蒸汽被无弧斑法等离子体电离成金属离子后在电场的作用下迅速沉积到被改性的金属板带上的生产设备。
背景技术：
真空蒸发卷绕镀膜生产设备是一项十分成熟的真空镀膜设备，以前都被用来利用坩锅蒸发铝、在塑料薄膜或纸张上快速的镀上一层铝膜，用于电熔器、包装等行业。后来发展到用电子枪快速蒸发金属材料，使金属蒸汽沉积在金属板带上，用于对金属板带的防腐处理。由于蒸发镀的沉积仅靠热动能，其结合能仅为几个电子伏，镀膜层质量达不到较高的耐防腐和耐磨损的改性功能。
在上世纪的80年代初，出现了离子镀膜技术，典型的是采用真空阴极弧(俗称多弧离子镀，从严格的意义上，称为多弧是不够科学的，但人们已习惯了这种叫法)的离子镀膜设备，它可以将弧蒸发出的金属粒子在等离子体的作用下，电离成金属离子，其离化率可达60％以上。当被改性的金属基材带有一定的负偏压时，金属离子在电场的作用下，快速的沉积到金属表面，其结合能可达上百个电子伏，因而能达到对材料改性的目的。例如用该方法在各种高速钢刀具上(如钻头、铣刀、插齿刀等)镀上一层钛或镍，膜厚2～4μ，可使其使用寿命提高几倍到几十倍(视不同的刀具和工艺而不同)。采用该方法存在二个主要的缺点一是这种真空阴极弧的镀膜设备在“烧蚀金属材料”时会飞出少量的“液滴”，造成产品质量的缺陷。为了克服这一缺点，有的采用加一个磁偏转过滤器型的真空阴极弧离子镀膜设备，只有被离化的金属离子被偏转到达基材表面，而“液滴”则无法通过偏滤器，从而提高产品的质量。如国外专利US 5997705、US 6350356；还有的采用磁控溅射的方法，可以溅射出均匀性很好的金属粒子(但溅射速率比真空弧的蒸发速率低的多)，再采用配置覆盖整个靶面积的屏幕电弧来离化金属粒子，达到离子镀的作用，如专利CN2700341Y。该方法的另一缺点是沉积速率较低(相对蒸发镀)，能达到1μm/min的沉积速率已是相当好的结果了。
目前对金属板带改性采用的最先进工艺是利用电子枪高速率蒸发金属材料形成蒸汽，然后利用各种方法产生的等离子体将金属蒸汽电离成离子，在电场的作用下，金属离子快速沉积到被改性的金属基材表面，形成新的功能性的金属膜，达到离子镀膜改性的目的，而等离子体形成的方法有多种多样，例如空心阴极弧法(Hollwcathode arc)、棒阴极弧法(Rod cathode arc)、微波法(Microwave)、离子束法(Ionbeam)、磁控等离子体法(Magnetron Plasma)等，都是十分成熟的技术。但这些方法都必须有一套产生等离子体的设备，除了组成结构复杂和成本增加外，其对金属蒸汽的电离几率也不是很理想，最多达到50％。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上不足，提供一种产量高、成本低、金属离子在电场的作用下快速的沉积在金属板带上、形成结合力很强的新金属层从而达到对金属板带改性目的的金属板带表面改性的生产设备。
本发明的目的是这样来实现的本发明金属板带表面改性的生产设备，包括真空箱体、真空抽气机组、金属板带收放卷机构、加热蒸发金属材料的至少一把电子枪，在金属板带与金属材料之间的金属蒸汽的周围设置有将金属蒸汽电离成金属离子的等离子体。采用电子枪快速蒸发各种金属材料，被蒸发出的金属蒸汽被离子体离化成金属离子，然后在电场的作用下迅速沉积到被改性的金属板带上，实现了对金属板带的改性处理，采用电子枪蒸发金属材料，再利用等离子体对金属蒸汽离化组成的离子镀膜技术，比采用真空阴极弧离子镀膜的沉积速率高几十倍。因此用该设备可达到高产量、低成本，而且用该设备获得的改性表面微观结构非常致密，表面平滑。
上述的金属板带表面改性的生产设备，加热蒸发金属材料和刻蚀金属板带的电子枪是线形电子枪，采用线形电子枪来蒸发金属材料的结构，替代了传统的用多把电子枪或单把电子枪采用扫描方式蒸发金属的结构，使金属蒸汽流在被改性的金属板带宽度范围内更加均匀，可用两把电子枪同时对一个坩锅中的金属材料或一个金属棒进行蒸发，也可分别对两个坩锅中的金属材料或两个金属棒进行蒸发。
上述金属板带表面改性的生产设备，等离子体是一个闭合的空心阳极，形成无弧斑的等离子体，电子枪发射的偏转电子束穿过等离子体中心到达蒸镀的金属材料表面，利用电子枪发出的强电子束蒸发金属材料时，约有10％的能量会产生光的辐射而形成等离子体，利用该等离子体来电离金属蒸汽，被称为无弧斑激发沉积法，采用无弧斑激化沉积的结构的特征是在金属蒸汽的周围设置有将金属蒸汽电离成金属离子的一个闭合的空心阳极，形成无弧斑的等离子体，该设备可使金属蒸汽的离化率高达60％，由于等离子体电极是矩形或环形或跑道形等闭环空心框形的结构，带正电位，而金属材料和被改性的基材都是负电位，因此电子在此空间的运动轨迹是在金属材料和改性基材之间来回振荡，最后能量很低时才被中空闭环的框形的阳极吸收，这就非常明显地增加了电子的运动路程，因此电子与金属蒸汽的碰撞几率大大提高，使得金属蒸汽的电离率大大提高。电子枪发射的电子束是穿过等离子体区进入金属蒸发材料，该电子束与金属蒸汽有一定的碰撞几率，使金属蒸汽电离，产生慢电子，该电子在这种电场结构中同样产生振荡加入等离子体的电离作用中。由电子束蒸发金属蒸汽，有近10％的能量被金属蒸汽所在吸收而产生光辐射，形成等离子体，又同样起到电离金属粒子的作用，这三项就构成该生产设备结构具有更高的电离几率。同时该生产设备结构没有引入形成等离子体的设备，不会产生弧放电，因此是无弧斑的。
上述金属板带表面改性的生产设备，金属材料是至少一根铬质棒料，对金属板带表面镀铬改性，提高金属板带表面硬度和防腐能力。也因为采用上述方法能经济性的在金属带材上形成镀铬层且质密与过去传统的电镀、化学镀方法即耗能又严重污染环境获得的电镀铬层比较，有非常明显的经济效益和社会效益，节能达70％以上，彻底杜绝铬重金属有三分之二进入大气和水环境、造成环境污染，为金属材料镀铬(Cr)寻找到一条即经济又环保的工艺和装备出路。
上述金属板带表面改性的生产设备，金属材料是可旋转的圆柱形的具有便于通水冷却的中空结构的金属棒。
上述金属板带表面改性的生产设备，真空箱体内壁喷涂有聚四氟乙烯涂层，以减少金属蒸汽对真空箱体内壁的粘附，防止粘附的金属粒渣掉到金属板带表面影响镀膜质量，同时在更换金属板带卷时能方便清扫真空箱体内壁，防止在真空箱体内壁结渣结垢。
上述金属板带表面改性的生产设备，真空箱体壁具有通冷却水的夹层结构。上述金属板带表面改性的生产设备，在真空箱体上设置有使金属离子在金属板带基材表面上进行化学反应、形成化合物改性层的反应气体的充入机构。从送气入口机构送入反应气体，则可以实现反应镀膜，例如镀TiN、TiC、CrO2、CrN等化合物层。
上述金属板带表面改性的生产设备，真空箱内至少设置一台对金属板带加热装置。对金属板带表面加热后，能提高金属板带表面与金属离子结合强度和生产速度，提高产品镀膜质量。
上述金属板带表面改性的生产设备，有存放金属材料的坩锅。
上述金属板带表面改性的生产设备，被改性的金属板带基材带有一定负偏压，其值为0～-150V可调。当被改性的金属板带具有一定的负偏压(或接地)时，由于矩形空心筐结构的等离子体电极带正电位，而金属材料和被改性的金属板带都是负电位，因此电子在此空间的运动轨迹是在金属材料和改性基材之间来回振荡，最后能量很低时才被中空的阳极吸收，这就非常明显地增加了电子的运动路程，因此电子与金属蒸汽的碰撞几率大大提高，使得金属蒸汽的电离率大大提高。
上述金属板带表面改性的生产设备，金属板带在改性前，设有采用线形电子枪对金属板带表面进行刻蚀活化处理的金属板带清洗机构。采用线型电子枪作为金属板带的刻蚀预处理结构，可以通过调节电子枪的功率来控制对金属板带预处理时刻蚀的深度，并做到与镀膜要求速度同步，金属板带经刻蚀清洗后，能提高金属板带表面与金属离子结合强度，提高产品镀膜质量。同时，对金属板带预处理刻蚀时也提高了金属板带表面温度，可减少对金属板带加热装置功率。
上述金属板带表面改性的生产设备，金属板带在改性前，设有离子源机构对金属板带表面进行刻蚀活化处理的离子源清洗机构。
本发明生产设备对金属板带表面镀金属层，特别是镀铬(Cr)，将传统的电镀化学镀铬(Cr)能耗高(电镀电能效益仅10-20％)、严重污染环境(电镀液中铬仅有三分之一镀上金属板带表面，其余三分之二进入大气和水环境)的工艺进行了根本性改变，为金属材料镀铬(Cr)寻找到一条即经济又环保的工艺和装备出路。本发明提供一种产量高、成本低、金属离子在电场的作用下快速的沉积在金属板带上、形成结合力很强的新金属层从而达到对金属板带改性目的的金属板带表面改性的生产设备，该设备生产获得的金属板带改性表面微观结构非常致密，表面平滑。
图1为本发明生产装置结构示意图。
图2为图1中A向视图。
图3为更换金属板带卷时本发明生产装置立体结构示意图。
图4为本发明生产装置金属电离机构局部放大图。
图5为图4中B向视图。
图6为本发明生产装置采用线形电子枪蒸发金属材料、用等离子体电离金属粒子镀膜示意图。
图7为本发明生产装置采用坩锅放置金属材料示意图。
图8为图7中C向视图。
图9为本发明生产装置采用可旋转的圆柱形的具有便于通水冷却的中空结构的金属棒示意图。
具体实施例方式实施例1图1～图6，给出了本发明实施例1图。参见图1～图6，本发明装置中有具有通冷却水的夹层结构2的真空箱体1、真空抽气机组3、金属板带放卷机构4、金属板带收卷机构5、加热蒸发金属材料的两把电子枪6、在金属板带7与金属材料8之间的金属蒸汽9的周围设置有等离子体正电极11，加热金属板带7的加热器25，产生的密集等离子体18将金属蒸汽9电离成金属粒子10，金属板带7在改性前，设有采用线形电子枪对金属板带表面进行刻蚀活化处理的金属板带清洗机构12，金属板带收放卷机构4、5在支撑机构13带动下可在机架15的导轨16上进出真空箱体，能方便更换金属板带卷和清扫真空箱体内壁聚四氟乙烯涂层17的表面。反应气体的充入机构14可送入反应气体20。
在本实施例1中，金属材料8采用圆柱状，用线形电子枪6产生的线形电子束19扫描蒸发金属材料8，其均匀性是最好的(参见图5)。
生产设备采用卷绕镀的结构形式，真空箱体尺寸φ2800×1000，采用不锈钢制作，每炉可镀一卷，卷径最大为φ1100，金属板带的宽度为600mm，厚度为0.1～0.3mm，金属板带的运行速度为0.2m～2m/s可调。
本发明生产设备工作时，金属板带7经去油去污后装入放卷4处，待真空室3抽空至5×10-2Pa后开始镀膜，金属板带7的一面先以20KW功率的线形电子枪或市售的20KW功率的条形离子源12预处理，再进入被60-100KW功率的线形电子枪6蒸发的金属蒸汽中，金属蒸汽经无弧斑的等离子体18电离后成为金属离子10，金属板带加负偏压(-30V)，使被镀的金属(例如Cr)沉积在金属板带7的表面上；当金属板带7到达另一把与前同样配置的线形电子枪或条形离子源12时，另一面被预处理，然后进入另一把与前同样配置的线形电子枪6，其金属蒸汽在无弧斑等离子体18的作用，电离成金属离子，被最后沉积到金属板带的另一表面上，实现了金属板带双面镀的目的。被镀的金属板带7在收卷处5被收卷，待这一卷金属板带镀完之后，真空箱体放大气，整个卷绕系统13退出真空箱体1，将收卷的金属板带吊下来，再放入另一卷已清洗的未镀金属板带于放卷处，将卷绕系统13推入(卷绕系统支承架是利用电机传动系统延着轨道进出真空箱体)真空箱体密封后抽空，又进入重复的镀膜程序。除吊装和卸装外，整个运行过程都是编程自动控制(PLC)，并由CRT显示。
如从送气入口机构14送入反应气体20，则可以实现反应镀膜，例如镀TiN、TiC、CrO2、CrN等化合物层。
实施例2图7、图8给出了本发明实施例2图。本实施例2基本与实施例1同，不同处是金属放置于坩锅21中，采用扫描电子枪23蒸发金属材料22，24为电子束扫描轨迹。
实施例3图9给出了本发明实施例3图。本实施例3基本与实施例1同，不同处是金属材料25为旋转的圆柱形的具有便于通水冷却的中空结构的金属棒。
上述各实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
权利要求
1.金属板带表面改性的生产设备，包括真空箱体、真空抽气机组、金属板带收放卷机构、加热蒸发金属材料的至少一把电子枪，其特征是在金属板带与金属材料之间的金属蒸汽的周围设置有将金属蒸汽电离成金属离子的等离子体。
2.根据权利要求1所述的金属板带表面改性的生产设备，其特征是加热蒸发金属材料的电子枪是线形电子枪。
3.根据权利要求1所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是等离子体是一个闭合的空心阳极，形成无弧斑的等离子体，电子枪发射的偏转电子束穿过等离子体中心到达蒸镀的金属材料表面。
4.根据权利要求1或2所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是金属材料是至少一根铬质棒料。
5.根据权利要求1或2所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是金属材料是可旋转的圆柱形的具有便于通水冷却的中空结构的金属棒。
6.根据权利要求1或2所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是真空箱体内壁喷涂有聚四氟乙烯涂层。
7.根据权利要求1或2所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是真空箱体壁具有通冷却水的夹层结构。
8.根据权利要求1或2所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是在真空箱体上设置有使金属离子在金属板带基材表面上进行化学反应、形成化合物改性层的反应气体的充入机构。
9.根据权利要求1所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是真空箱内至少设置一台对金属带材进行加热的加热装置。
10.根据权利要求1或2所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是有存放金属材料的坩锅。
11.根据权利要求1或2所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是被改性的金属板带基材带有负偏压，其值为0～-150V可调。
12.根据权利要求1所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是金属板带在改性前，设有采用线形电子枪对金属板带表面进行刻蚀活化处理的金属板带清洗机构。
13.根据权利要求1所述金属板带表面改性的生产设备，其特征是金属板带在改性前，设有离子源机构对金属板带表面进行刻蚀活化处理的离子源清洗机构。
全文摘要
本发明提供了一种对金属板带表面改性的生产设备，包括真空箱体、真空抽气机组、金属板带收放卷机构、加热蒸发金属材料的至少一把电子枪，在金属板带与金属材料之间的金属蒸汽的周围设置有将金属蒸汽电离成金属离子的等离子体，特别是用线形电子枪蒸发金属材料，形成的金属蒸汽通过高密度的等离子体区时被电离成金属离子，当被改性的金属板带基材上施加一定的负偏压(或接地)，则金属离子在电场力的作用下快速的沉积在金属板带上，形成结合力很强的新的金属层，达到对金属材料改性的目的。该设备生产表面改性金属板带产量高、低成本，且获得的改性表面微观结构非常致密，表面平滑。
文档编号C23C14/46GK101045988SQ20061002060
公开日2007年10月3日 申请日期2006年3月30日 优先权日2006年3月30日
发明者甘国工 申请人:甘国工