专利名称：一种在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的比例调节器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于利用多弧离子镀膜机进行合金薄膜表面处理的领域。
背景技术：
现代科学技术日新月异的发展，不断对材料的性能提出更高的要求。材料科学面 临新的挑战，继续开发新材料和充分发挥现有材料的使用性能将是其发展的主要方向。磨 损、疲劳、和腐蚀是导致金属零件失效的三种主要方式，而其又都与零件材料的表面状态 (物理、化学和应力状态等)密切相关。刀具和模具的耐磨性及抗高温氧化性主要取决于 表面的特性，绝大多数零件的疲劳裂纹又都在表面萌生，因此欲提高零件的使用性能关键 之一就是提高其材料的表面性能，整体材料通过改良工艺来改善表面性能的收益已远不能 满足实际工程的需要，因而促进了表面改性与强化技术的发展。表面技术，即使用各种物 理的、化学的或机械的工艺方法使材料表面获得特殊的成分、组织结构和性能，以提高其耐 磨、抗蚀性能、延长使用寿命的技术。多弧离子镀制备的TiN(氮化钛)薄膜具有高的硬度、耐磨性，低的磨擦系数和良 好的化学稳定性，在工模具上获得广泛的应用。此外，由于其优良的导电性和光学特性，金 黄色的华丽色泽，近年来其应用扩展到摩擦(轴承、齿轮)、装饰、光学，以及微电子学等多 个领域。TiN涂层在工具行业上的成功被誉为“工具上的一次革命”，在高速钢刀片上的TiN 涂层可使其寿命提高几倍到数十倍，据报道，发达国家涂层刀具的覆盖率达50%以上。我国 的研究工作起步较晚，但目前已达到制备涂层刀具出口的水平。表面沉积TiN硬质膜的工 模具不仅提高了工件成型的生产效率，提高了工件的加工质量，而且还由于使用寿命显著 提高降低了工模具的消耗成本。氮化钛还是一种耐用性好的仿金装饰涂层，颜色接近黄金， 且使用寿命远远超过仿金铜和黄金。氮化钛涂层成倍地提高了切削刀具和模具的寿命，改 善了加工表面质量，减小了摩擦系数，降低了切削刃部的温升。然而，随着推广应用工作的 进行，人们逐渐认识到这种涂层仍存在不足，主要体现在=(I)TiN薄膜本身的硬度不够高； (2)薄膜的孔隙率较高，对基体的防腐蚀保护作用不足；(3)与钢等多种基体的附着力不够 理想，使用温度不超过600°C，膜层中的柱状晶组织影响了其高温抗氧化性。然而早在80年 代人们就已指出氮化钛镀层的性能可以通过用其他氮化物、碳化物和硼化物进行合金化， 或用其他金属部分或全部取代氮化钛中的钛来改善。过渡金属的二元氮化物和碳化物在多数情况下，既可在同类之间互溶，又可在不 同类之间互溶，这种特性表示有可能形成三元或更多元的复合型薄膜，通过适当的方法，将 各种氮化物、碳化物、氧化物、硼化物组合起来，可以组成种类繁多的复合型固溶体薄膜和 化合物薄膜，以满足不同领域的特殊要求。近十年来，出现了一系列新型涂层材料，如钛基 复合氮化物和碳氮化物涂层、其他金属的氮化物、碳化物及多元难熔高硬度化合物涂层、多 层复合涂层，它们在使用性能上各有其特点，是氮化钛涂层的良好补充和扩展。在TiN基础 通过加入金属元素、非金属元素或同时加入金属元素和非金属元素进行强化所形成的各种 氮化物薄膜是目前研究的热点。[0005]用真空阴极电弧沉积多元复合薄膜时，多元成分的引入和精确控制一直以来是沉 积复合薄膜的难点之一，一般采用的方法是(1)采用合金阴极靶材根据薄膜规定条件设计合金靶材，用熔炼或粉末烧结法 加工阴极靶材。合金靶材的弧斑烧损均勻，薄膜成分均勻，质量较好。但是靶材的加工成本 较高，对于熔点相差较大金属组成的的合金靶材，薄膜成分和靶材设计成分存在着加大的 偏析现象；(2)采用机械镶嵌靶材将组元金属镶嵌在靶面上，弧斑在镶嵌靶面上运行时可 以蒸发出多组元的金属进行离化。该方法制靶简单，组元来源方便，但是由于靶面镶嵌熔点 的不一致，弧斑烧损速度和蒸发量不一致，靶材容易形成“陨坑”或“森林”现象，薄膜成分 与设计成分也会出现较大偏差，有时还不易控制；(3)组合靶材在真空室的不同靶位安装不同组元的阴极靶材，控制沉积功率和 参数，可以得到多元复合薄膜，但薄膜成分均勻性较差，成份浓度与参数控制有关，重复性 不够；(4)气氛调解法在沉积过程中通入含组元成分的气体，如甲烷，乙炔，硅烷等，气 体电离后沉积多组元薄膜，如Ti-C-N薄膜；(5)离子束辅助混合将组元成分气体经辅助离子源离化后进入真空室与阴极等 离子共沉积形成多元复合薄膜。近年来，人们更加注重将多元膜、多层复合镀膜技术用于产品。对多元膜采用多层 结构设计，可以保证多元膜的优良特性，同时还可以提高多元膜层与基体及膜层之间的匹 配性，使得多元多层薄膜的物理性能与基体有良好协调性，在结构与性能上与基体有良好 的配合。目前国内外研究的焦点主要集中在多元多层膜的结构与性能上，而对于如何保证 和精确控制这种多元多层膜的成分与每层的厚度的方法还很少见有报道。国内外在制备多 元多层膜时，大多采用合金靶、机械复合靶、组合靶或使用复合镀膜设备。使用这些靴材和 设备在制备多元多层膜上，都只是在膜层结构层面上进行研究，量化方面做得很不够，更谈 不上精密控制
实用新型内容本实用新型目的是提供一种在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的比例调节 器，其能精确控制多元多层膜的成分与每层的厚度。本实用新型包括如下技术特征一种在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的比 例调节器，所述比例调节器为带有环孔的双层圆形挡板，两块挡板的环孔一样，且占整个圆 形挡板一定的比例，两挡板中心装有使它们相互旋转的导柱导套；所述比例调节器的双层 圆形挡板的旋转角度可调整。所述比例调节器为双层带有扇形环孔的圆形挡板，两块圆形挡板的扇形孔完全一 样，且占整个圆形挡板一定的比例，两挡板中心装有使它们相互旋转的导柱导套，通过调整 两板的旋转角θ能调整扇形孔占整个圆形挡板的百分比s%。所述旋转角θ最大为31/12，调制比例3%为0 25%。或者所述旋转角θ最大为π/12，调制比例3%为25 50%。本实用新型可以利用多弧离子镀膜设备，在两个相对的阴极靶位上安装不同种类的纯金属靶材，在其中一个真空阴极前方加装一个调节分筛阴极等离子体流通量的装置， 通过调整比例调节器的偏转角来调节阴极等离子体的流通量，从而有效地控制等离子体气 氛中组元的比例，因此可以获得一定设计成分的多元薄膜；通过控制靶材工作状态(关闭、 起动)还可制备出多元多层复合薄膜，这种真空电弧阴极等离子比列调节器对于控 制多元 膜层的组元成分是一种有效的方法(1)可以精确控制薄膜多组元成分通过控制比例调节器调节板上的流通面积 s% (即调节两板的旋转角θ )，可以精确控制复合薄膜组元的成分；(2)可以有效过滤阴极弧流中的液滴颗粒通过调整比例调节器等偏转角θ (离 子流通面积)，两挡板可以有效地对与等离子体一起蒸发出来的中性大液滴颗粒有效 的部分屏蔽遮挡，大大减少膜层中液滴的数，从而得到高质量的复合薄膜。
图1为本实用新型具体实施例中Bulat-6多弧离子镀膜机结构示意图； 图2为比例调节器挡板安装结构图；图3为Tl比例调节器的挡板结构图；图4为Tl比例调节器的结构图；图5为T2比例调节器的挡板结构图；图6为T2比例调节器的结构图；图7为TiCr薄膜能谱图；图8为不同比例调节器对TiCr薄膜中Cr含量的影响；图9为AlCr薄膜能谱图；图10为不同比例调节器对AlCr薄膜中Cr含量的影响。
具体实施方式
本实用新型为一种在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的比例调节器，所述比 例调节器为带有环孔的双层圆形挡板，两块挡板的环孔一样，且占整个圆形挡板一定的比 例，两挡板中心装有使它们相互旋转的导柱导套；所述比例调节器的双层圆形挡板的旋转 角度可调整。所述比例调节器为双层带有扇形环孔的圆形挡板，两块圆形挡板的扇形孔完全一 样，且占整个圆形挡板一定的比例，两挡板中心装有使它们相互旋转的导柱导套，通过调整 两板的旋转角θ能调整扇形孔占整个圆形挡板的百分比s%。所述旋转角θ最大为31/12，调制比例3%为0 25%。或者所述旋转角θ最大为π/12，调制比例3%为25 50%。首先，在多弧离子镀膜设备的两个相对的阴极靶位上安装不同种类的纯金属靶 材；其次，在其中一个真空阴极靶材前方加装一个调节分筛阴极等离子体流通量的比 例调节器，所述比例调节器为带有环孔的双层圆形挡板，两块挡板的环孔一样，且占整个圆 形挡板一定的比例，两挡板中心装有使它们相互旋转的导柱导套；所述比例调节器的双层 圆形挡板的旋转角度可调整；[0036]工作时，可以通过调整比例调节器两板的旋转角度调节阴极等离子体的流通量， 从而控制等离子体气氛中组元的比例；然后，通过控制靶材工作状态制备出多元多层复合
薄膜本实用新型的其中一个具体实施方式
是在爱沙尼亚产真空阴极电弧沉积设备 Bulat-6上进行，并在其上配上自制的等离子体比例调节器。Bulat-6机，包括冷阴极离子源1、第一进气口 2、第二进气口 3、阴极靶4电磁线 圈5、工作台6、抽真空装置抽气口 7、真空室8。其结构如图1所示，该机有二个正对等离子 体阴极靶4，一个大束流冷阴极离子源1，一个工件负偏压电源，两路脉冲气体进气通路，一 个红外测温仪和一个热电偶测温仪。真空系统由机械泵和扩散泵组成，真空室8尺寸为 0 600mmX6000真空工作室8外表面有循环冷却水管以冷却炉体，下面有电加热装置，可给 循环冷水管路供热水，以利于排除炉体内表吸附的气体，以进一步提高真空室的本底真空 度。在金属等离子体阴极靶的前方圆形管外周加有电磁场线圈，控制弧光放电弧斑集中于 阴极表面。二个等离子体弧源同时对准镀膜室中心，提高镀膜均勻性。由多弧离子镀膜机(Bulat-6)的阴极蒸发物料在电磁场的作用下，螺旋直线通过 电磁线圈管筒(管筒直径Φ200，阴极至真空室壁长度为180)。真空镀膜时，经过管筒的等 离子体进入真空室后扩散开去，在工件上的负偏压作用下，有一定的绕射性，加上工作台是 反时针以一定的速度旋转，使沉积于工件上的被镀制的薄膜得以均勻。本实用新型正是利用多弧等离子体镀膜机Bulat-6上控制阴极等离子体运动的 磁场管筒，在其前方安装带有扇形环孔的双层挡板9，安装示意图见图2。两块挡板的扇形孔完全一样，且占整个圆形挡板一定的比例，两挡板中心装有使 它们相互旋转的导柱导套，通过调整两板的旋转角(偏转角θ )，两挡板紧贴在一起，只要 调整扇形孔占整个圆形挡板(也是磁场管筒的截面积)的百分比S%，整个装置就构成了等 离子体比例调节器。等离子体通过比例调节器双层挡板时，部分被遮挡屏蔽，只有扇形环孔 让其通过，这样就可以调节偏转角θ来改变等离子体的流通面积百分比，从而调整合 金薄膜及多元薄膜的成分。本实验做有两个这样的调节器，分别为Tl和T2。如图3、图4、如图5、图6所示， T1、T2为带有环孔的双层圆形挡板9，两块挡板9的环孔10 —样，且占整个圆形挡板9 一定 的比例，两挡板9中心装有使它们相互旋转的导柱12、导套11 ；所述比例调节器的双层圆形 挡板9的旋转角度可调整；Tl的调制比例 25%，θ最大为π/12(15° )，每度角 对应的等离子体流通面积比$%为1. 667%，最大调节量S%也为25%。Tl最大流通面积(偏转角θ此时为π /12)，计算方法如下
s
权利要求一种在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的比例调节器，其特征在于所述比例调节器为带有环孔的双层圆形挡板，两块挡板的环孔一样，且占整个圆形挡板一定的比例，两挡板中心装有使它们相互旋转的导柱导套；所述比例调节器的双层圆形挡板的旋转角度可调整。
2.根据权利要求1所述的在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的比例调节器，其特 征在于所述比例调节器为双层带有扇形环孔的圆形挡板，两块圆形挡板的扇形孔完全一 样，且占整个圆形挡板一定的比例，两挡板中心装有使它们相互旋转的导柱导套，通过调整 两板的旋转角θ能调整扇形孔占整个圆形挡板的百分比S%。
3.根据权利要求2所述的在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的比例调节器，其特 征在于所述旋转角θ最大为31/12，调制比例3%为0 25%。
4.根据权利要求2所述的在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的比例调节器，其特 征在于所述旋转角θ最大为π/12，调制比例25 50%。
专利摘要本实用新型为一种在多弧离子镀膜机上控制获得合金薄膜的比例调节器，包括所述比例调节器为带有环孔的双层圆形挡板，两块挡板的环孔一样，且占整个圆形挡板一定的比例，两挡板中心装有使它们相互旋转的导柱导套；所述比例调节器的双层圆形挡板的旋转角度可调整。本实用新型能有效地控制等离子体气氛中组元的比例，因此可以获得一定设计成分的多元薄膜；通过控制靶材工作状态(关闭、起动)还可制备出多元多层复合薄膜。本实用新型能有效地控制等离子体气氛中组元的比例，还可制备出多元多层复合薄膜；沉积过程通入N2和CH4气体可以制备出高硬度的陶瓷多元膜或多元多层膜。
文档编号C23C14/22GK201729876SQ201020219948
公开日2011年2月2日 申请日期2010年6月4日 优先权日2010年6月4日
发明者曾鹏, 胡社军, 谢光荣 申请人:广东工业大学