专利名称：利用材料沉积处理金属的方法及实现该方法的蒸发器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属的热化学处理方法，是将材料沉积于待处理的基底上。
本发明特别涉及一种物理汽相沉积(PVD)法，其中，构成离子轰击处理蒸发器第一电极的靶的物质被汽化，由此得到的粒子沉积于构成第二电极的基底上，第二电极相对第一电极有一电位差。
当然，在这一过程，通过由在蒸发器内部采用加热装置或粒子轰击，甚至两种方法结合使用所产生的热量来把基底加热至处理温度。
至今，这一处理温度均维持在500℃数量级的特定阀值以下，以免超过淬火钢的回火温度并防止被处理部分的机械特性(硬度，抗张强度等)变坏，就如同一旦超过这个温度时所实际看到的那样。再有，必需消除被处理部分变形的危险，而且必需保持在对靶及监视其汽化所用装置来说所允许的温度范围内。
如果用磁控管在靶表面产生磁场以加强蒸发又不融化靶子，这个温度限制就是必不可少的。
很清楚，在这种情况下，蒸发器内产生的处理温度必需尽可能地远离靶的熔点，而且这个温度也不能高到足以损坏磁控管电磁线路的程度。
进而，温度提高到高于所说阀值会抵消由使用磁控管所带来的优点，，由此会降低对基底由受到来自靶的高能电子轰击所进行的加热。
本发明的一个特定目的是要改善上述热化学处理的质量，尤其是关于这种沉积(厚度，不平整度)的均匀性，对基底的附着力和处理时间。另一个目的是控制沉积金属卤化物的处理，这种物质以前使用很困难，或必需和高毒性元素一起使用。本发明进一步是要扩大沉积处理的范围，特别是利用能相互扩散的多层，双层或三层合金的沉积以及淬火所允许的沉积。
为获得这些结果，本发明提出与前面所说的公知常识相反的做法，在800℃到1200℃的范围内的处理温度下沉积材料。
为获得这个结果，本发明提出使用特别设计的蒸汽发生器，以便通过冷却液体的流动使蒸发器中的靶及其辅助部件始终得到冷却，从而使当被处理工件加热到处理温度时，靶材料保持在固态，并且靶的表面通过升华实现汽化。
本发明自然还涉及一种用于实现前面所规定的方法的处理蒸发器，这种蒸发器包括一个或多个靶被冷却的蒸汽发生器，它们装在带有或者不带等离子体辅助设备的真空蒸发器内。
由于靶始终保持固体，所以它能够竖直地或水平地布置在最合适的位置。实际上必需设置蒸汽发生器以便使由多个蒸发器产生的金属蒸汽流有多个方向，而且得到尽可能均匀的沉积分布。
下面参照附图，以非限制性举例的方式描述本发明的实施例。
图1是装有四个蒸汽发生器的热处理蒸发生器纵截面示意图;
图2是装有四个蒸汽发生器的热处理蒸汽发生器的横截面示意图;
图3是实现本发明方法的蒸汽发生器放大的轴截面图;
图4至图10是表示利用本发明方法的不同处理类型的温度-时间函数曲线图。
图1和2所示的蒸发器为常规真空离子轰击的热处理蒸发器。
它有一个可能是单层或双层金属壁的密封外壳1，在后一种情况下，通过水在两壁间的空间内循环进行冷却。
在外壳1里面是由绝热材料制成的箱子2，它限定了蒸发器的“实验区”3。
在这个实验区3内，被处理工件4放在导电材料支撑物5上，通过电流导线通道(current lead-through)6给支承物加上偏压(例如，几百伏的脉动直流电压)，通道6封入外壳1的开口中并与外壳电绝缘。
在所有真空热处理蒸发器中，外壳1的内部与产生相对真空(如8×10-3毫巴至10-1毫巴)的外部泵站7和中性或活性气体源8相通。
在这个例子中，通过例如装有箱子2内壁上的石墨制电阻加热元件9使这些工件加热到在400℃和1300℃之间的处理温度。它们由在处理结束时注入蒸发器中的气体循环来冷却。这个气体通过涡轮10在蒸发器内循环，尽可能通过热交换器。这种循环被设计成有利于实现压缩气体冷却。
在这个例子中，蒸发器装有六个蒸汽发生器G1至G6，即-两个水平靶发生器G1，G2，装在外壳1的顶部表面上;
-四个竖直靶发生器G3，G4，G5，G6，装在外壳1的两个相对的竖直壁上。
当然，每个发生器都要穿过外壳1和箱子2，以便靶在实验区中靠近被处理的工件4。
通向蒸发器内部的入口由一个密封绝热前门11提供，该门也构成箱子2的门。
如前所述，蒸汽发生器G1至G6，特别是竖直靶发生器，必须设计成通过构成靶的金属的直接升华生成汽相。
最后，这些发生器可设计成通过移过靶表面的电弧实现电弧汽化过程，产生金属蒸汽，而且金属蒸汽与给定的活性气体任意组合，在基底上合成一薄层的金属，合金或氮化物，碳化物或氧化物型的混合物。
如图3所示，发生器G可包括-一个圆柱形靶12，它由被蒸发并沉积在被处理工件4上的材料制成(必须知道的是，用于同一蒸发器中的靶的种类可以不同，以便产生包含一种以上元素，例如一种以上金属的沉积);
-一个支承结构，包括一个套筒13，套筒13在与靶12同轴安装的一个端部14是封闭的，而在其另一端装有一个凸缘15，它插入，固定并密封在蒸发器的外壳1的小孔中，与蒸发器电气绝缘;
-一个电绝缘材料块16，在凸缘15处封闭套筒13，导电棒17穿过它同轴地伸入套筒13里面，与靶12电连接，棒17有一个穿过块16的外端18，其上装有与电路相连的装置19;棒17在靠近靶12的一端有一同轴通道20;
-一个挑起的衬管21，将管状套筒13与棒17之间的容积分成两个腔22和22′;
-一个电磁线圈23，在腔22中，靠近靶12绕在棒17上，以在靶12附近产生磁场;
-一个绝热管24，与棒17同轴地伸入在块16和衬管21之间的腔22′中，该管和棒17限定一个中间容积，该容积通过形成在棒17上的小孔25与通道20相通;
-一个电弧放电激磁装置，包括一个由耐熔金属或者合金(例如象钼这样的)制成的激磁电极27，电极27在管状套筒13的外面并与套筒13的轴平行，电极27有一个朝着靶12弯曲的端部;
-一个操纵激磁电极27的装置，包括装在蒸发器外面的驱动部件(致动器28)和固定有电极27的致动棒29，棒29滑动地或转动地装在密封轴承30中，轴承30穿过凸缘15(由密封的波纹管30′提供密封);
-一个由石墨做成的漂移电位护栅31，例如，其形状为可在靶12上滑动的圆环并通过与管状套筒13同轴的管状支承套筒32来安装，而且能够在上面滑动;和-一个冷却液回路，其中有一个与在块16中的注入通道33相连的注入管，并将液体注入棒17与绝热管24之间的中间容积内，一个磨进棒17中的轴向槽34在轴向通道20和腔22之间提供一个连通，在衬套21中的孔35在腔22和22′之间提供一个连通，和一个回液管与在块体16中的回液通道36相连。
上述蒸汽发生器以如下方式工作利用电弧焊所用的电源将低压(低于100V)大直流电流(10到400A)施加给棒17并由此加给靶12。
电极27产生电弧放电，依告隔离部件31的漂移电位将放电限制在靶12的表面上。
同时，通过穿过孔35′的导体23′激励线圈23，以向靶12施加一个磁场。
这个磁场约束等离子体并控制电弧放电在靶12上方移动。
靶12构成等离子体发生器的阴极，其中蒸发器的外壳1或者甚至电阻加热元件9构成阳极。
在利用数百伏脉动直流电压沉积期间，被处理工件4被负偏压。
依靠上述装置，整个发生器(特别是靶12和电磁线圈23)通过冷却液的循环被冷却。其结果是，靶表面的温度可以很高，甚至可以接近靶材料的熔点，而发生器的其余部分则保持相对低的温度。
因此在靶上发生三方面过程;
-由于阴极电位及电场，异常发光放电在靶12上产生等离子体;
-由电极27产生电弧放电;
-向靶12施加磁场以便增强离子轰击强度，并获得弧光点的高速同心运动。
由于这三种效应，作为电离气体离子冲击及弧光放电的结果，靶12的表面被强烈加热，它的材料通过升华从其上逸出。
主要通过电离气体的气相传输机制，将从靶12上逸出的材料被送入蒸发器的中性或活性气氛中，根据发生器(可能优先选择侧面放置的发生器G3到G6)与被处理工件之间的距离而在它们之间建立的电场的作用对此也产生了影响。
通过待处理工件4与阳极之间的电位差，在待处理工件4上产生第二次异常发光放电，它促进了材料沉积的重新组织及其附着(依靠通过离子轰击所加速的基底/沉积界面处的扩散或者相互扩散现象以及凝结现象)。
我们发现，在本发明方法的温度范围内，特别是在800℃到1300℃之间，这些现象被明显地加强。
在沉积阶段之前和/或之后对工件4进行表面处理当然更好，特别是获得一个表现硬度逐渐变化的基底/沉积结合区，以限制界面区域的机械应力并获得出色的基底/沉积附着。
各种不同的予处理和后续处理过程有a)、钢工件表面的碳浓缩的浓度达到0.8%的浓度。这是一种借助任选的等离子辅助设备进行渗透处理。
b)、生成一个超浓缩碳的表面层，以形成精细和球状的硬质合金，其表面碳浓度在0.8%至2%之间。这是一种过碳化处理，通常用于含有硬质合金生成的合金元素(Cr，Mo，W，V，Nb，等)的钢。与a)处理相似，以相同循环，在高温沉积和加压气体马氏体淬火硬化渗碳内层之后进行这种处理。
c)、例如，在氮化钛之后是高温下的离子氮化钛合金。
d)、为了获得在基底元素和镀层元素之间的相互扩散，在高温沉积后，进行高温扩散热处理是有好处的。
图4至图9表示的是采用本发明的方法的处理的例子。
例1(图4)这个例子涉及离子渗氮与氮化钛高温沉积相结合的混合处理过程，它包括以下各阶段;
-第一阶段a1，在真空条件下加热到500℃，-在500℃条件下的均化作用阶段b1，-从500℃到850℃的第二加热阶段c1，-在850℃条件下的离子渗氮阶段d1，从850℃到900℃的加热阶段e1，-在900℃温度下的氮化钛沉积阶段f1，
-冷却阶段g1.
例2(图5)这个例子涉及一种混合处理，包括离子或低压过渗碳，随后是氮化铬高温沉积，例如，借助奥氏体化和加压气体马氏体淬火。这种处理适合于Z38CDV5热处理钢(例如热锻模具钢)，它包括以下各阶段;
-在真空条件下加热到600℃的第一阶段a2，保持这个温度一段时间之后再加热到1000℃，-在1000℃温度下过渗碳的第二阶段b2，-在900℃温度下的沉积阶段c2(例如氮化铬沉积)，-在1010℃温度下的奥氏体化阶段d2，-加压气体淬火阶段e2。
例3(图6)这个实施例涉及一种离子过渗碳与硼的高温沉积相结合的混合处理，随后是扩散阶段。这种处理除了在阶段c3期间，在900℃温度下硼被沉积，和在下一个阶段d3，在1000℃温度下，通过碳移至硼形成碳化硼的扩散阶段外，其余阶段与上面所述相类似。
例4(图7)这个例子涉及一种结合有铬的高温沉积的混合处理，其后是真空扩散阶段。它包括-在真空条件下，在600℃恒温期间的情况下，加热到1000℃的阶段a3，-在1000℃温度下铬沉积的恒温阶段b3，-在980℃温度下真空扩散阶段c3，
-加压气体淬火阶段d3。
这一处理产生一层高硬度(≈2000HV)的Cr23C6和Cr7C3型的碳化铬。
例5(图8)这个例子涉及一种用于沉积硼的混合处理，除了在温度在900℃量极的情况下进行硼沉积阶段b4和真空扩散阶段c4以外，其余相似。
这个处理产生高强度(2000HV)FeB和Fe2B型硼化铁。
例6(图9)这个例子涉及一种混合处理，离子渗氮和随后的扩散铬的沉积相结合。这个处理包括-一个在真空条件下加热到580℃的阶段a5，-一个在580℃温度下进行离子渗氮，接着加热到900℃的阶段b5，-在900℃温度下铬沉积阶段c5，-在900℃温度下的扩散阶段d5，和-加压气体淬火。
这个处理产生一个非常坚硬的铬层。
例7(图10)这个例子涉及一种渗碳或过渗碳处理，它通过汽化或升华石墨靶对碳工具钢在高温下进行处理，随后可以进行扩散阶段和加压气体淬火。
如图10所示，这个处理包括-一个根据钢的特性，在真空条件下加热到900℃到1200℃的阶段a6，-一个和为使钢碳化(用不带烃类气体介质)
进行碳扩散同时进行的汽化或升华阶段b6，-一个加压气体淬火阶段c6。
当然，本发明不局限于这些例子，并可以获得许多其它的沉积。
为此，构成待汽化靶的材料一般可包括-纯金属，如钛，铪，铬，镍，硼或钨，-固体碳(高密度石墨，玻璃体或热解碳)，-二元合金(如Ti-Al，Cr-Al，Cr-Ni，Cr-Ti，Fe-Si等-多元合金(MCrAlY，NiCoCrAlYTa，Ti-HF-Al等)。
同样，在沉积阶段期间，可以向蒸发器中注入象氩，氦，氢这样的中性气体或其它气体以稳定电弧放电，从而促进离子化或获得精确的工作压力。在沉积期间，活性气体可以注入活性气体以和金属蒸汽结合并形成金属氮化物，氧化物或碳化物类型的组分，或者这些气体组合在一起注入以获得混合的碳-氮化物，氧-氮化物等组分。
权利要求
1.金属热化学处理的物理汽相沉积法，其中靶构成处理蒸发器的第一电极，靶物质通过由电弧放电任选的促进的离子轰击而被汽化，而且以这种方式汽化形成的粒子沉积在处于第二电极电位的基底上，第二电极的电位不同于第一电极的电位，在这个沉积期间，该基底被加热至超过600℃的处理温度，而且最好在800℃和1200℃之间，在蒸发器中，所说的靶和其辅助部件通过冷却液的流动而被连续冷却，以便当达到处理温度时，靶材料保持固态，并通过升华的作用在靶的表面上产生汽化。
2.如权利要求1所述的方法，其中靶材料为纯金属，如钛，铪，铬，镍，硼或锡。
3.如权利要求1所述的方法，其中靶材料为碳，如高密度石墨，玻璃态碳或热解碳。
4.如权利要求1所述的方法，其中靶材料为二元合金，如Ti-Al，Cr-Al，Cr-Ni，Cr-Ti或Fe-Si。
5.如权利要求1所述的方法，其中在沉积阶段期间向蒸发器中输入中性气体。
6.如权利要求1所述的方法，其中在沉积阶段期间向蒸发器中输入活性气体或活性气体的混合气体。
7.如权利要求1所述的方法，其中表面处理阶段在沉积阶段之前。
8.如权利要求7所述的方法，其中表面处理致使基底表面碳浓缩。
9.如权利要求8所述的方法，其中通过由任选的等离子体辅助的渗碳处理获得所说的浓缩。
10.如权利要求7所述的方法，其中表面处理产生碳的过浓缩表面层。
11.如权利要求7所述的方法，其中表面处理是离子氮化。
12.如权利要求1所述的方法，包括在沉积阶段之后的高温扩散热处理。
13.如权利要求1所述的方法，包括一个加压气体淬火阶段。
14.实现金属热化学的处理的物理汽相沉积法的蒸发器，其中靶构成处理蒸发器的第一电极，靶物质通过由电弧放电任选的促进的离子轰击而被汽化，而且以这种方式汽化形成的粒子沉积在处于第二电极电位的基底上，第二电极的电位不同于第一电极的电位，在这个沉积期间，基底被加热至超过600℃的处理温度，而且最好是在800℃和1200℃之间，而且在蒸发器中所说的靶及其辅助部件通过冷却液体的流动而被连续冷却，以便当达到处理温度时，靶材料保持固态，并通过升华对发生在靶表面的汽化施加影响，所说的蒸发器包括一个密封外壳，壳内有一个绝热材料的箱子，箱子限定一个实验区，在实验区中，待处理工件放在导电材料的支承物上，支承物被加以偏压，外壳的内部容积与一个真空泵站和一个回路相通，该回路用于分配中性气体或活性气体，气体依靠涡轮在蒸发器内部循环，工件通过箱子内部的电加热元件加热，所说的蒸发器至少装有一个蒸汽发生器，发生器的靶装在箱内靠近待处理工件的地方，所说的蒸汽发生器包括-一个支承结构，其形式为一个管状套筒，在其装有靶的一端是封闭的，而在其另端装有一个凸缘，该凸缘插入，固定和密封在蒸发器的外壳上的小孔中，并与蒸发器电气绝缘;-一个绝缘材料块阻塞管状套筒，导电棒穿过它同轴地伸到套筒里面，并与靶电连接，所说的棒与一个电路相连而且包括一个轴向通道-所说的棒上在靠近所说的靶的地方绕有一个电磁线圈;和-一个冷却回路，包括一个穿过所说块的冷却液体注入管并与所说的轴向通道相通，在所说的棒靠近所说的靶的地方有一个小孔以在所说的轴向通道与在管状套筒和所说棒之间的中间容积之间提供连通，和一个穿过所说块的回液管，并流注所说的中间容积。
15.如权利要求14所述的蒸发器，其中所说的发生器还包括一个绝热管，它与所说的棒同轴并放置在所说的块和一个衬管之间，和一个在所说的管和所说的棒之间的容积，它通过在所说的棒上的孔与所说的注入管和所说的轴向通道相通。
16.如权利要求14所述的蒸发器，还包括一个可活动电极，它适合在所说的靶上激发电弧放电。
17.如权利要求14所述的蒸发器，其中所说的发生器包括一个处于漂移电位的护栅，其形式为环绕并在靶上移动的环。
全文摘要
在金属热化学处理的物理汽相沉积法中，构成处理蒸发器第一电极的靶的材料，通过由电弧放电任选促进的离子轰击而被汽化。以这种方式汽化形成的粒子沉积到处于第二电极电位的基底上，其电位不同于第一电极的电位。在这个沉积期间，该基底被加热至超过600℃的处理温度，而且最好是在800℃和1200℃之间。在蒸发器中，靶及其辅助部件通过冷却液的流动而被连续冷却，以便在达到处理温度时，靶材料保持固态，并且通过升华对在靶表面发生的汽化施加影响。结果是改善了沉积均匀度，对基底的附着力和处理时间。
文档编号H05H1/48GK1063128SQ91112798
公开日1992年7月29日 申请日期1991年12月6日 优先权日1990年12月6日
发明者达蒙·艾里克, 德尔翁·格奥尔格, 雅库特·帕特里克 申请人:英诺万蒂公司