一种智能源挡板系统及其制备硬质涂层的方法与流程

本发明属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种智能源挡板系统及其制备硬质涂层的方法。

背景技术：

影响真空镀膜性能的因素(从阴极电弧靶源CAE角度考虑)：

(1)气体的释放

任何材料表面在空气中都会吸附气体，在真空条件下开始逐步释放。真空室预热高温可以加速真空室内所有表面上吸附气体的释放。但是由于靶源都配有增强的水冷条件，靶材温度较低，吸附的气体无法加速释放，从而影响了获得高的本底真空和低的压升率，造成真空室内残余气体(主要是水汽)对镀制氮化物涂层的质量产生显著的负面影响。

(2)CAE靶面的污染

CAE靶面的污染主要体现在2个工艺过程中:

其一，前一炉镀膜过程中，靶面的氮化等，和靶面暴露大气下的水汽吸附及真空预热过程中的靶面氧化。开始放电镀膜时，如果靶材表面已被污染，污染物首先蒸发出来，沉积到工件表面，导致膜基结合强度和涂层性能的降低。

其二，依据工艺的需求CAE靶源在交替工作中，当某靶源处于非工作状态时，其它靶源放电工作会对其产生污染。在镀制多层膜或复合涂层时，不同靶源间接式工作方法，则会造成持续的靶源间相互污染，也会严重影响多层或复合涂层的质量和性能。

总之，在开始镀膜前，靶材表面的纯净程度将直接影响涂层的最终质量。

针对上述问题，通常会在每套(组)靶源前分别设计和安装源挡板系统。当靶源不工作时，其源挡板关闭，防止靶面被污染；当靶源要启动放电时，先打开源挡板。通常这样的源挡板系统存在着一系列严重隐患或问题：

1)多套独立开关的源挡板，需要配置多套源挡板开关系统。每套源挡板都必须带一个或者二个动密封传动轴，增加漏气隐患；由于是无油真空环境，同时又充满金属碎屑和灰尘，金属轴套很容易卡死，降低运行可靠性；

2)靶源停止工作时，源挡板要求关闭严密。在真空室环境下几乎无法实现，靶源表面仍会被污染；

3)源挡板关闭时，启动靶源放电(清洗靶材表面)，源挡板将接受强烈等离子体放电轰击和加热，一般源挡板都无法承受；

4)源挡板打开时，会占据真空室内镀膜区域，降低了镀膜机宝贵的装载空间和工件装载量。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种构思合理，运行可靠稳定，能有效降低真空室内残余气体的含量，改善了氮化物涂层和工件基材表面的结合强度和氮化物涂层质量，避免不同靶源间持续的相互污染，改善多层或复合涂层的质量和性能的智能源挡板系统及其制备硬质涂层的方法。

本发明的技术方案如下：

上述的智能源挡板系统，包括真空室、圆形齿圈、智能源挡板、齿轮减速电机和磁流体密封传动轴；所述真空室为圆柱体结构，其周向侧壁上设置有至少一种靶材的阴极电弧靶源；所述圆形齿圈吊装于所述真空室的顶端内侧；所述智能源挡板吊装于所述圆形齿圈的下方；所述齿轮减速电机安装于所述真空室的顶端外侧，其动力输出端装有传动齿轮；所述磁流体密封传动轴安装在所述真空室的顶端外侧且上端安装有外齿轮，所述磁流体密封传动轴的上端通过所述外齿轮与所述齿轮减速电机动力输出端的所述传动齿轮匹配啮合；所述磁流体密封传动轴的下端伸入所述真空室内部且安装有内齿轮，所述磁流体密封传动轴的下端通过所述内齿轮与所述圆形齿圈匹配啮合；所述齿轮减速电机通过所述磁流体密封传动轴驱动所述圆形齿圈在所述真空室内做圆周转动，从而带动所述智能源挡板在所述真空室内做圆周往复运动，以使所述智能源挡板准确停止在预设的挡板位置。

所述智能源挡板系统，其中：所述真空室的前侧设有前门，后侧设有抽气口。

所述智能源挡板系统，其中：所述齿轮减速电机为带有旋转编码器的齿轮减速电机。

所述智能源挡板系统，其中：所述真空室的周向侧壁上设有四组阴极电弧靶源，每组所述靶源，由四个单独的靶源组成。

一种智能源挡板系统制备硬质涂层的方法，其具体操作流程为：

(1)涂层前的处理

镀膜前，将高速钢或硬质合金刀具经过除油、除锈、喷砂和清洗剂超声波清洗，再经过表面脱水和干燥处理，然后置于镀膜室内；

(2)抽真空

对真空室抽真空至3.0～0.8x10^-2Pa，进行预加热，至温度400～550℃，加热功率在4～40KW自动调整；

(3)启动氩离子轰击清洗

将氩气流量控制在60～300Sccm，真空压强控制在1.0～3.0Pa，基体偏压控制在-600～-1200V，进行180～1800sec的氩离子轰击清洗过程；

(4)对真空室继续抽真空，待达到4.0～9.0x10^-3Pa后进行靶源预放电清洁过程；

(5)对真空室继续抽真空，直到真空度达到3.0×10^-3Pa以上；

(6)检测真空室压升率：

关闭高真空阀，检测压升率，确保压升率≤3.0×10^-2Pa/min；

(7)主弧金属离子轰击和金属过渡层

(7.1)主弧金属离子轰击过程，即通入氩气或氮气，流量为60～200Sccm，基体偏压调至-400～-1200V，弧靶电流设定为50～100A，依次开启一组靶源，维持轰击清洗60～1200sec；

(7.2)金属过渡层，即通入氩气或氮气，流量为60～600Sccm，基体偏压调至-200～-600V，弧靶电流设定为50～120A，维持一组或多组靶源放电，镀制金属过渡层60～600sec；

(8)镀制氮化物涂层

氮气流量调至480～2000Sccm，基体偏压调至-30～-200V，设定弧靶电流80～150A，同时开启2-4组靶源，镀膜时间为300～7200sec；

(9)镀膜结束，真空室温度冷却至150～250℃后，向真空室充气，充完气后开启真空室门，取出工件。

所述智能源挡板系统制备硬质涂层的方法，其中，所述步骤(4)具体过程为：向真空室通入氩气或氮气100～300Sccm，基体偏压调至-200～-1200V；移动智能源挡板，至其中一组靶源前方，设定弧靶电流80～150A，启动该组靶源放电，持续放电60～600sec，以实现对靶源表面的彻底清洁和除气，由于靶源蒸发出来的污物全部收集到智能源挡板上，不会对待镀工件造成污染；依次移动智能源挡板分别至余下各列靶源前，完成对余下各列靶源表面的放电清洁和除气。

有益效果：

本发明智能源挡板系统结构设计简单、合理，其显著优点如下：

(1)智能源挡板系统只有一个磁流体密封传动轴，简化和大大减少了机械和密封结构，也减少了运行中的漏气和卡死的可能性，而且磁流体密封传动轴不必占用真空室的中央位置；

(2)智能源挡板在真空室的圆周往复移动，可以用于真空室外侧安装的各种不同靶源等遮蔽，且挡板位没有数量和方位上的限制；

(3)智能源挡板能够承受大部分靶源的最强放电轰击和加热；

(4)在靶源启动镀膜前，先将智能源挡板移动到靶源前，放电清洗靶面；靶源蒸发出的污染物收集到智能源挡板上，避免污染到被镀工件上；靶源放电清洁后，将智能源挡板移动到其它位置比如主抽气口位，即刻进入镀膜沉积过程；

(5)智能源挡板不占用宝贵的镀膜空间，智能源挡板可以足够大，满足所有各种不同靶源的遮蔽效果；

(6)源挡板系统可以实现手动和自动方式下的往复移动和精确定位；会选择最短距离，以最快速度移动到目标靶位；也可根据镀膜工艺需要，选择移动智能源挡板的先后顺序。

本发明智能源挡板系统制备硬质涂层的方法构思合理，操作流程简单，其采用了智能源挡板系统后，真空室内所有表面，包括所有靶源放电表面都可以进行快速彻底除气，缩短抽真空的时间，提高本底真空度，降低真空室的压升率，有效降低真空室内残余气体(主要是水汽)的含量，改善了氮化物涂层和工件基材表面的结合强度和氮化物涂层质量；在进行多层膜或复合膜镀制时，也可避免不同靶源间持续的相互污染，改善多层或复合涂层的质量和性能。

附图说明

图1为本发明智能源挡板系统的整体结构示意图；

图2为本发明智能源挡板系统去掉真空室后的结构示意图；

图3为本发明智能源挡板系统应用于真空离子镀膜机上的俯视图。

具体实施方式

如图1至3所示，本发明智能源挡板系统，包括真空室1、圆形齿圈2、智能源挡板3、齿轮减速电机4、磁流体密封传动轴5和靶源6。

该真空室1整体呈圆柱形，其前侧设有前门11，后侧设有主抽气口12，顶部设有顶板13；其中，该真空室1的周向侧壁上还设置有编号为A、B、C、D的四组同种或不同靶材的阴极电弧靶源(CAE)6，每组靶源6由四个单独的靶源组成。

该圆形齿圈2吊装于该真空室1的顶端内侧。

该智能源挡板3吊装于该圆形齿圈2的下方。

该齿轮减速电机4安装于该真空室1的顶板13外侧，其为带有旋转编码器的齿轮减速电机且动力输出端装有传动齿轮。

该磁流体密封传动轴5安装在真空室1的顶板13外侧，其上端安装有外齿轮51并通过外齿轮51与齿轮减速电机4动力输出端的传动齿轮匹配啮合；该磁流体密封传动轴5下端穿过真空室1的顶板13并伸入真空室1内部，该磁流体密封传动轴5伸入真空室1内部的下端安装有内齿轮52并通过内齿轮52与圆形齿圈2匹配啮合。

其中，齿轮减速电机4通过磁流体密封传动轴5驱动圆形齿圈2在真空室1内做圆周转动，从而带动智能源挡板3在真空室1内做圆周往复运动；智能源挡板3可以准确停止在任意预设的挡板位置。

如图3所示，智能源挡板3位置编号①位对应后抽气口12，②位对应D组靶源，③位对应B组靶源，④位对应前门11，⑤位对应A组靶源，⑥位对应C组靶源。

本发明智能源挡板系统可以通过手动或者自动控制，将智能源挡板3准确停止在上述任意一个挡板位置上。根据所有各种不同靶源6、主抽气口12、前门11等在真空室1外侧的空间布置，可预设挡板停止位置，而且挡板位也没有数量和方位上的限制。

同时，在开启A组靶源之前，先将智能源挡板3移动并停在挡板⑤位，然后开启A组靶源放电；这时A组靶材表面的污染物蒸发出来，全部收集到智能源挡板3上，不会污染到被镀工件7的表面上；靶材露出新鲜表面后，再将智能源挡板3移开，纯净的靶材材料涂覆到工件7表面上；通过这种方式，可以保证每组靶源在镀膜时，都不会有异物污染到被镀产品上，保证产品的镀膜质量。

本发明智能源挡板系统制备硬质涂层的方法，具体操作流程为：

S010、涂层前的处理

镀膜前，将高速钢或硬质合金刀具经过除油、除锈、喷砂和清洗剂超声波清洗，再经过表面脱水和干燥处理，然后工件置于镀膜室内；

S020、抽真空

对真空室抽真空至3.0～0.8x10^-2Pa，并进行预加热，温度400～550℃，加热功率在4～40KW自动调整；

S030、启动氩离子轰击清洗

氩气流量控制在60～300Sccm，真空压强控制在1.0～3.0Pa，工件偏压控制在-600～-1200V，进行180～1800sec的氩离子轰击清洗过程；

S040、对真空室继续抽高真空，待达到4.0～9.0x10^-3Pa后，进行靶源预放电清洁过程：具体过程为：向真空室通入氮气100～300Sccm，工件偏压调至-200～-1000V；移动智能源挡板到5位，即A组CAE靶源前方，设定弧靶电流50～150A，启动CAE-A靶源的放电，持续放电60～600sec，以实现靶源表面的彻底清洁和除气，同时由靶源蒸发出来的污物全部收集到智能源挡板上，不污染待镀工件；移动智能源挡板分别至⑥、②、③位，依次完成对CAE-C、D和B组靶源等靶面的放电清洁和除气；

S050、对真空室继续抽高真空，直到真空度达到3.0×10^-3Pa以上；(由于经过真空室预加热和所有靶源的预放电清洗和除气，本底真空会更快达到，缩短抽真空的总时间)；

S060、检测真空室漏率

关闭高真空阀(V3)，检测压升率，确保压升率≤3.0×10^-2Pa/min；(真空室压升率达标，表明真空室内已经足够清洁，残余气体已控制在低水平，可以开始镀膜过程。如果真空室压升率不能达标，说明本底真空度设定还不够高，需要调整)；

S070、主弧金属(Ti或Cr、Zr、TiAl、AlTi、AlCr等)离子轰击和金属过渡层

S071、主弧金属(Ti或Cr、Zr、TiAl、AlTi、AlCr等)轰击过程

通入氩气或氮气，流量为60～200Sccm，偏压调至-400～-1200V，弧靶电流设定为50～100A，依次开启A组CAE-Ti(或Cr、Zr、TiAl、AlTi、AlCr等)靶源，维持轰击清洗60～1200sec；

S072、金属过渡层

通入氩气或氮气，流量为60～600Sccm，偏压调至-200～-600V，弧靶电流设定为50～120A，维持CAE-Ti(或Cr、Zr、TiAl、AlTi、AlCr等)靶源放电，镀制Ti过渡层60～600sec；

S080、镀制氮化物涂层

氮气流量调至480～2000Sccm，偏压调至-30～-200V，设定弧靶电流80～150A，同时开启2-4组CAE-Ti或Cr、Zr、TiAl、AlTi、AlCr等靶源，镀膜时间为300～7200sec；

S090、镀膜结束，真空室温度冷却至150～250℃后，向真空室充气，充完气后开启真空室门，取出工件。

本发明智能源挡板系统的机械密封结构简单，运行可靠稳定，一套系统可应用于真空室内所有不同的靶源、主抽气口、前门等，挡板位没有数量和外围方位上的限制，智能源挡板能够承受最强放电轰击和加热，保证镀膜前所有靶源靶面的彻底清洁，靶源蒸发出的污染物收集到智能源挡板上，也可实现所有靶源的预放电清洗，智能源挡板实现智能移动和精确定位。

本发明智能源挡板系统制备硬质涂层的方法构思合理，操作简单，其采用智能源挡板系统后，真空室内所有表面，包括靶源放电表面都可以进行快速彻底除气，缩短抽真空的时间，提高本底真空度，降低真空室的压升率，有效降低真空室内残余气体(主要是水汽)的含量，改善硬质涂层和工件基材表面的结合强度和硬质涂层质量；在进行多层膜或复合膜镀制时，也可避免不同靶源间持续的相互污染，改善多层或复合涂层的质量和性能。