专利名称：带过滤屏的阴极弧离子镀装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及等离子体材料表面强化技术领域，特别涉及一种带过滤屏的阴极弧离子镀装置。
背景技术：
阴极弧离子镀是目前最常用的工模具表面强化技术之一。阴极弧离子镀是采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材表面存在的微凸起尖端产生高电流密度的场致发射，由于电流局部集中产生的热量使温度上升，又产生热电子，场致发射转化微热-场致发射，进而微凸起蒸发并被电离，同时，因离子轰击微凸起，使其熔化并形成小熔池。熔池内在熔化金属和中性粒子因离子轰击与等离子体一道喷发出来，飞溅喷射到沉积生长的涂层表面， 弧光辉斑在阴极靶材表面上激烈地无规则运动，使放电持续进行，并不断地有等离体和中性粒子以及微小熔液滴沉积到涂层表面，在工件表面镀覆一层涂层。这种装置不需要熔池， 可以多角度的布置靶源，涂层均勻性好，设备与夹具设计简单。阴极弧离子镀技术离化率高，入射粒子能量高(大约为几十电子伏)，膜层致密度高，膜层与基体界面产生原子扩散， 膜基附着强高好，沉积速度快，适用于大多数金属与合金材料涂层的制备。现有阴极弧离子镀装置主要的缺点是在高的功率下，不断地有微小金属液滴喷溅和沉积到所制备的镀层内部和表面，造成涂层表面粗糙，过多的微液滴会严重降低涂层的性能，更重要的是这一缺点使阴极弧离子镀技术不能用来制备高质量的表面涂层。目前的解决方案主要是采用磁过滤阴极弧沉积技术，可以很好的过滤电弧产生的液滴，在涂层沉积技术上已得到应用。磁过滤阴极弧等离子体源主要由两部分组成弧放电系统和磁过滤系统。弧放电系统主要由阴极，阳极，触发极及其供电系统组成，用来产生金属等离子体；磁过滤系统由一定口径和弯曲角度的磁导管(包括直管，45°弯管，90°弯管， S型弯管等)和磁场电源系统组成，它主要用来过滤放电系统产生的微金属液滴和宏观中性粒子。磁过滤装置在阴极表面形成的磁场将影响弧斑的运动，并将弧斑分裂细化，使其加速，从而缩短了弧斑在一个位置上的停留时间，降低了每斑的电流密度，减少金属液滴的发射。通过磁场导向将等离子体沿管道导出，金属液滴和中性粒子由于不受磁场控制而被壁屏蔽掉。虽然磁过滤系统可以较好的去除阴极弧放电产生的微金属液滴，但也过滤了绝大多数的中性粒子，许多等离子体在传输过程中损失掉，导致其效率低，使沉积速度严重降低。由于磁场约束作用，使得过滤出口处的金属等离子体密度分布集中，呈高期分布，且目前磁过滤口径一般较小，金属等离子体密度的高期分布以及过小的金属等离子体引出面积难以保证较大工件的镀层均勻性，严重阻碍了磁过滤系统在较大工件上的处理，且磁过滤弯管设备结构复杂，设备较昂贵。公告号为CN2333716Y的实用新型专利，公告了一种等离子体型多弧源-磁控溅射镀膜机，它包括真空室，在真空室上联接有真空排气装置，真空室中安装有工件架，在真空室的底部安装有E型电子枪，同时在真空室中还安装有等离子体源、磁控溅射源和阴极弧源。但它仍未能解决上述阴极弧离子镀装置存在的缺陷。发明内容本实用新型的目的在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种带过滤屏的阴极弧离子镀装置，能够能效的抑制金属液滴的产生，且能过滤阴极弧源产生的较大颗粒的金属液滴，获得较高表面质量的金属氮化物涂层，且设备简单，沉积速度快，膜基结合力好。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是一种带过滤屏的阴极弧离子镀装置，包括真空室、电源与控制装置和供气设备，真空室上连有抽真空设备和循环水冷却设备，真空室内设有旋转工件支架，所述真空室侧壁上均布有多个前端与真空室连通的阴极弧源，阴极弧源分别与电源与控制装置和供气设备连接，阴极弧源的前端口上设有网状过滤屏。真空室是镀膜的主要场所，本实用新型的真空室具体为一个圆筒状的不锈钢炉，不锈钢炉为阳极，不锈钢炉的炉壁中空，便于冷却水的循环，循环水冷却设备的冷却水进入中空的炉壁内以控制炉体的温度，抽真空设备由多台真空泵组成，用于将不锈钢炉抽真空，旋转工件支架在工作时会做公自转，旋转工件支架下面的凸台是公自转机构，阴极弧源采用圆形内水冷结构的金属靶，采用机械方式的引弧装置起弧，阴极弧源通过螺栓固定于不锈钢炉上，网状过滤屏能过滤阴极弧源产生的较大颗粒的金属液滴，获得较高表面质量的金属氮化物涂层，且设备简单，沉积速度快，膜基结合力好。作为优选，网状过滤屏的尺寸与阴极弧源前端口的尺寸相配。这样可防止大颗粒的金属液滴绕过网状过滤屏而射到工件表面，导致工件表面涂层的质量降低。作为优选，阴极弧源包括阴极靶、聚焦磁线圈、机械引弧装置、环形供气管路和磁过滤线圈，阴极靶位于阴极弧源后端，聚焦磁线圈环绕阴极靶，机械引弧装置位于阴极靶下侧，环形供气管路位于阴极靶前侧，磁过滤线圈位于阴极弧源的前部，阴极靶、聚焦磁线圈、 机械引弧装置和磁过滤线圈分别连接电源与控制装置，环形供气管路与供气设备相连。阴极弧源的工作原理为启动主弧电源时，同时机械引弧装置开始轻触阴极靶引弧，引弧完成，弧光稳定后，机械引弧装置不再动作，弧斑在靶材表面自维持，并在聚焦磁场的影响下在靶材表面做无规则的运运，由于聚焦磁线圈在阴极表面上产生的磁场平行磁力线作用， 会使弧斑分裂，降低每个弧斑的电流密度，从而减少金属液滴的发射。在由阴极靶表面喷射出的中性粒子，等离子体和较大颗粒的金属液滴，经过磁过滤线圈的碰撞和电场的加速，一部分较大颗粒的金属液滴会在落在磁过滤线圈的内壁上。从设在阴极靶前的供气管路通入氮气，在阴极弧射引弧后，很容易在弧靶表面生层一薄层导电的金属氮化物层，该层导电的金属氮化物层不会影响阴极弧的维持放电，但可很大程度的抑制金属液滴的产生。大量的等离子体和中性粒子和部分金属液滴再经过阴极靶前的网状过滤屏过滤，沉积到工件表面。经过对阴极靶金属液滴产生的抑制和过滤，可以获得较高的表面质量的金属氮化物镀层。利用本实用新型可制备TiN、TiCN, TiAlN, CrN和CrAlN等多种硬质氮化物涂层，涂层组织致密，结合力强，表面光滑，粗糙度比传统阴极弧离子镀低。作为优选，阴极弧源呈圆筒状，阴极靶发射等离子体的轴心线、聚焦磁线圈的磁感应轴线、磁过滤线圈的磁感应轴线和阴极弧源的轴线重合。阴极弧源为直管状结构，这样设备简单，成本低。 作为优选，真空室内还设置有辅助加热装置，所述的辅助加热装置由电热丝构成， 电热丝呈螺旋状，电热丝均布于真空室的内壁上。辅助加热装置用以对真空室加热。[0012]作为优选，所述的供气设备由气体瓶、不锈钢管路和节流阀组成。气体瓶存有多种较稳定的气体如氮气、氩气。所述电源与控制装置的电源有两种，包括用于给阴极弧源供电的弧电源和用于给旋转工件支架供电的偏压电源。偏压电源可提供1200V偏压，各类电源通过可编程逻辑控制器与电脑连接，实现自动控制。本实用新型的有益效果是结构简单，沉积速率高，膜基结合力好，可有效的抑制较大金属液滴的产生，涂层表面质量好，可以满足较大工件的表面高质量镀层的要求。
图1是本实用新型阴极弧源的一种结构示意图；图2是本实用新型的一种主体结构示意图；图3是本实用新型辅助加热装置的一种结构示意图。图中1、真空室，2、电源与控制装置，3、供气设备，4、抽真空设备，5、循环水冷却设备，6、旋转工件支架，7、阴极弧源，8、网状过滤屏，9、阴极靶，10、聚焦磁线圈，11、机械引弧装置，12、环形供气管路，13、磁过滤线圈，14、辅助加热装置。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体说明。实施例 如图1、图2所示的一种带过滤屏的阴极弧离子镀装置，包括真空室1、电源与控制装置2和供气设备3，真空室1为圆筒状的不锈钢炉，不锈钢炉为阳极，不锈钢炉的炉壁中空，不锈钢炉内装有辅助加热装置14，辅助加热装置14为电热丝，电热丝呈螺旋状，电热丝均布于不锈钢炉的内壁上(图3)，电源与控制装置2的电源有两种，包括用于给阴极弧源7 供电的弧电源和用于给旋转工件支架6供电的偏压电源，偏压电源可提供-1200V偏压，弧电源和偏压电源通过可编程逻辑控制器与电脑连接，实现自动控制，供气设备3由气体瓶、 不锈钢管路和节流阀组成，真空室1上连有抽真空设备4和循环水冷却设备5，循环水冷却设备5由一台冰水机和不锈钢管路组成，循环水冷却设备5的不锈钢管路与不锈钢炉的中空炉壁连通，抽真空设备4连接至不锈钢炉的上端，真空室1内的中部装有旋转工件支架6， 旋转工件支架6的下部具有一个凸台，旋转工件支架6与电源与控制装置2的偏压电源连接，真空室1侧壁上均布有四个前端与真空室1连通的阴极弧源7，阴极弧源7分别与电源与控制装置2和供气设备3连接，阴极弧源7呈圆筒状，阴极弧源7包括阴极靶9、聚焦磁线圈10、机械引弧装置11、环形供气管路12和磁过滤线圈13，阴极靶9位于阴极弧源7后端，聚焦磁线圈10环绕阴极靶9，机械引弧装置11位于阴极靶9下侧，环形供气管路12位于阴极靶9前侧，磁过滤线圈13位于阴极弧源7的前部，阴极靶9、聚焦磁线圈10、机械引弧装置11和磁过滤线圈13分别连接电源与控制装置2的弧电源，环形供气管路12与供气设备3的不锈钢管路相连，阴极弧源7的前端口上装有网状过滤屏8，网状过滤屏8的尺寸与阴极弧源7前端口的尺寸相配，阴极靶9发射等离子体的轴心线、聚焦磁线圈10的磁感应轴线、磁过滤线圈13的磁感应轴线和阴极弧源7的轴线重合。[0022]本实用新型的工作过程为将经过除油除蜡的待处理工件装夹到旋转工件支架6 上，打开抽真空设备4抽真空并开启辅助加热装置14加热到450°C，抽真空至6. 0 X 10_3 Pa, 工件旋转速度为10 rpm。向真空室1内通入高纯Ar气，真空度维持在1 10 Pa，工件加负偏压-1000 V，辉光放电清洗并活化工件表面10 30 min。调节工件负偏压为-100 V，开启Ti靶阴极弧源7，电流为100 A，沉积纯Ti过渡层5 min.向真空室1内通入高纯氮气， 真空度为2 Pa，调节Ti靶电流为80 100 A，沉积60 min，关闭弧电源，关闭氮气，工件随真空室1冷却至120°C以下，最后取出真空室1。工件的涂层表面质量好，可以满足较大工件的表面高质量镀层的要求。以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，并非对本实用新型作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
权利要求1.一种带过滤屏的阴极弧离子镀装置，包括真空室(1)、电源与控制装置(2)和供气设备(3)，真空室上连有抽真空设备(4)和循环水冷却设备(5)，真空室内设有旋转工件支架 (6)，其特征在于所述真空室侧壁上均布有多个前端与真空室连通的阴极弧源(7)，阴极弧源分别与电源与控制装置和供气设备连接，阴极弧源的前端口上设有网状过滤屏(8 )。
2.根据权利要求1所述的带过滤屏的阴极弧离子镀装置，其特征在于网状过滤屏的尺寸与阴极弧源前端口的尺寸相配。
3.根据权利要求1或2所述的带过滤屏的阴极弧离子镀装置，其特征在于阴极弧源包括阴极靶(9)、聚焦磁线圈(10)、机械引弧装置(11)、环形供气管路(12)和磁过滤线圈 (13)，阴极靶位于阴极弧源后端，聚焦磁线圈环绕阴极靶，机械引弧装置位于阴极靶下侧， 环形供气管路位于阴极靶前侧，磁过滤线圈位于阴极弧源的前部，阴极靶、聚焦磁线圈、机械引弧装置和磁过滤线圈分别连接电源与控制装置，环形供气管路与供气设备相连。
4.根据权利要求3所述的带过滤屏的阴极弧离子镀装置，其特征在于阴极弧源呈圆筒状，阴极靶发射等离子体的轴心线、聚焦磁线圈的磁感应轴线、磁过滤线圈的磁感应轴线和阴极弧源的轴线重合。
5.根据权利要求1或2所述的带过滤屏的阴极弧离子镀装置，其特征在于真空室内还设置有辅助加热装置，所述的辅助加热装置由电热丝构成，电热丝呈螺旋状，电热丝均布于真空室的内壁上。
6.根据权利要求1或2所述的带过滤屏的阴极弧离子镀装置，其特征在于所述的供气设备由气体瓶、不锈钢管路和节流阀组成。
7.根据权利要求1或2所述的带过滤屏的阴极弧离子镀装置，其特征在于所述电源与控制装置的电源有两种，包括用于给阴极弧源供电的弧电源和用于给旋转工件支架供电的偏压电源。
专利摘要本实用新型公开了一种带过滤屏的阴极弧离子镀装置，其目的在于提供一种带过滤屏的阴极弧离子镀装置，能够能效的抑制金属液滴的产生，且能过滤阴极弧源产生的较大颗粒的金属液滴，获得较高表面质量的金属氮化物涂层，设备简单，沉积速度快，膜基结合力好。本实用新型包括真空室、电源与控制装置和供气设备，真空室上连有抽真空设备和循环水冷却设备，真空室内设有旋转工件支架，所述真空室侧壁上均布有多个前端与真空室连通的阴极弧源，阴极弧源分别与电源与控制装置和供气设备连接，阴极弧源的前端口上设有网状过滤屏。
文档编号C23C14/38GK202022974SQ20112000805
公开日2011年11月2日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者不公告发明人 申请人:超晶科技有限公司