專利名稱：離子束增強(qiáng)磁控濺射滲鍍涂層裝置及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明離子束增強(qiáng)磁控濺射滲鍍涂層裝置及工藝屬于金屬材料表面改性的范疇，是把非平衡磁控濺射沉積速度快和離子束注入反沖形成偽擴(kuò)散層有機(jī)的結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬工件表面快速滲鍍表面改性層的裝置及工藝。
近年來(lái)離子注入領(lǐng)域?qū)Ω吣艿谋匾蕴岢鲑|(zhì)疑，有的研究表明氮離子注入時(shí)為增加注入反沖的深度，提高束流密度比提高離子的能量更有效，可獲得更深的改性層，非平衡磁控濺射沉積技術(shù)是90年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，由于非平衡磁場(chǎng)很強(qiáng)，濺射作用也強(qiáng)，濺射粒子的離化離高，所以沉積速率快，鍍膜密度、結(jié)合力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明離子束增強(qiáng)磁控濺射滲鍍涂層裝置的結(jié)構(gòu)其特征在于，是在可抽取真空，極限真空度為1×10-3～5×10-3Pa并能充入氣體介質(zhì)，分壓為2×10-2～8×10-1Pa的真空容器1中，設(shè)置陰極轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，非平衡磁控濺射系統(tǒng)、中低能離子源系統(tǒng)、工件預(yù)加熱系統(tǒng)，同時(shí)配備有抽氣、供氣系統(tǒng)，其陰極轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由工件托盤9、工件10和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)6組成，非平衡磁控濺射系統(tǒng)由非平衡磁控濺射靶源3、11和直流電源4、13組成，工件預(yù)加熱系統(tǒng)由加熱器17，加熱電源16組成，供氣系統(tǒng)由供氣瓶12、進(jìn)氣口14組成，抽氣系統(tǒng)由機(jī)械泵8和擴(kuò)散泵7組成。
工件10置于工件托盤9上，位于真空容器1的中央，非平衡磁控濺射靶源3、11對(duì)稱置于真空容器壁兩側(cè)，中低能離子源15置于真空容器壁1的頂部，在陽(yáng)極容器壁2和磁控濺射源3、11之間分別連接可調(diào)0～1200V直流磁控電源4、13，在陽(yáng)極容器壁2和工件10之間連接可調(diào)0～1000V的直流電源5，加熱器17兩端加入可調(diào)交流電源16，其特征在于其一，非平衡磁控濺射靶源3、11是由非對(duì)稱的強(qiáng)磁鐵和由欲滲金屬及合金或石墨碳制成的磁控靶構(gòu)成，安放在容器壁的兩側(cè)并可向真空容器內(nèi)推進(jìn)0～50mm，由于非對(duì)稱的強(qiáng)磁鐵可以產(chǎn)生非常強(qiáng)的縱向和橫向的磁場(chǎng)，使磁控靶可以濺射出高能量、高密度、高離化率的金屬及合金或碳的粒子流，在工件負(fù)偏壓(200～500V)吸引下，快速到達(dá)工件表面形成欲滲鍍金屬及合金或碳的滲鍍層。
其二，在真空容器頂部安放的離子源17為中低能3～50kev，大束流10～200mA，在由非平衡磁控濺射靶源3、11向工件滲鍍金屬及合金鍍層的同時(shí)，由離子源注入N可在工件表面形成有一定擴(kuò)散層的金屬或合金的氮化物滲鍍層。注入碳可在工件表面形成金屬碳化物滲鍍層，同時(shí)注入碳、氮時(shí)可形成金屬碳、氮化合物滲鍍層。
其三，在真空容器1中設(shè)有給工件10預(yù)加熱的加熱源17，可使工件預(yù)升到200～700℃，既不影響基體的性能，又可以增加擴(kuò)散層的深度，使涂層真正變成滲鍍層，提高結(jié)合強(qiáng)度。
其四，欲滲工件10滲鍍金屬碳氮化合物時(shí)，工件的溫度為200～700℃，磁控電源的電壓800～1000V，離子束能量為5～40kev，束流密度為10～150mA，工作氣體為N2氣、碳?xì)錃?、Ar氣，分壓為2×10-2～8×10-1Pa，工件偏壓為200～500V。


附圖為離子束增強(qiáng)磁控濺射滲鍍涂層裝置及工藝示意圖圖中的標(biāo)號(hào)為1.真空容器 2.真空容器壁 3.非平衡磁控濺射源4.磁控電源 5.工件偏壓電源 6.轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)7.擴(kuò)散泵 8.機(jī)械泵 9.工件托盤10.工件 11.非平衡磁控濺射源12.送氣瓶13.磁控電源 14.進(jìn)氣口 15.中低能離子源16.加熱電源 17.加熱源進(jìn)行滲鍍金屬氮化物時(shí)，首先由抽氣系統(tǒng)的機(jī)械泵8和擴(kuò)散泵7將真空容器1抽到1×10-3～5×10-3Pa極限真空度，而后加熱源17由加熱電源16供電后，給工件預(yù)加熱到200～700℃，由供氣系統(tǒng)12充入Ar氣，分壓在2×10-2～8×10-1Pa，此時(shí)給非平衡磁控濺射靶源3供電壓為800～1000V，給工件10加偏壓200～500V，由非平衡磁控濺射靶源3、11發(fā)射出高能量、高密度、高離化率的金屬離子流，在工件負(fù)偏壓的吸引下，高速到達(dá)工件表面形成金屬和合金的鍍層，在鍍的同時(shí)打開(kāi)離子源15，供能量為5～40kev，束流10～150mA，注入工件表面N離子，由非平衡磁控濺射靶源3、11鍍于工件表面的金屬及合金的離子，依靠氮離子的轟擊與注入在工件表面形成有一定厚度擴(kuò)散層的金屬氮化物滲鍍層，使膜與基體結(jié)合強(qiáng)度大大提高。
以滲鍍CrN為例工件溫度300～500℃，處理時(shí)間3小時(shí)，滲鍍層厚度可達(dá)3～5μm，偽擴(kuò)散層深度可達(dá)0.5～1μm左右。
權(quán)利要求
1.一種離子束增強(qiáng)磁控濺射滲鍍涂層裝置其特征在于，是在可以抽取真空，并能充入氣體介質(zhì)的真空容器(1)中，設(shè)置陰極轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，非平衡磁控濺射系統(tǒng)，中低能離子源系統(tǒng)，工件予加熱系統(tǒng)，同時(shí)配備有抽氣系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)，其陰極轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由工件托盤(9)、工件(10)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(6)組成，非平衡磁控濺射系統(tǒng)由磁控濺射靶源(3)、(11)和真流電源(4)、(13)組成，工件予加熱系統(tǒng)由加熱器(17)加熱電源(16)組成，供氣系統(tǒng)由供氣瓶(12)進(jìn)氣口(14)組成，抽氣系統(tǒng)由機(jī)械泵(8)和擴(kuò)散泵(7)組成，工件(10)置于工件托盤(9)上，位于真空容器(1)中央，非平衡磁控濺射靶源(3)、(11)對(duì)稱置于真空容器壁兩側(cè)，中低能離子源(15)置于容器(1)的頂部，在陽(yáng)極容器壁(2)和非平衡磁控濺射靶源(3)、(11)之間分別連接可調(diào)0～1200V直流電源(4)、(13)，在陽(yáng)極容器壁(2)和工件(10)之間連接可調(diào)的0～1000V直流電源(5)，加熱器(17)兩端連接可調(diào)交流電源(16)，其非平衡磁控濺射靶源(3)、(11)是由非對(duì)稱的強(qiáng)磁鐵和由欲滲鍍金屬、合金或石墨碳制成的不同形狀的磁控靶構(gòu)成，安放在容器壁(2)的兩側(cè)并可以向真空容器內(nèi)推進(jìn)0～50mm距離，其真空容器頂部安裝的離子源(15)為中低能、大束流離子源。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種離子束增強(qiáng)磁控濺射滲鍍涂層裝置，其特征是非平衡磁控靶源(3)、(11)是由任何可以導(dǎo)電的金屬合金或石墨碳制成圓形、方形，圓形尺寸φ50～120×20～30mm，方形尺寸200～400mm×20～30mm。
3.采用權(quán)利要求1所述的一種離子束增強(qiáng)磁控濺滲鍍涂層裝置的工藝，其特征在于首先由抽氣系統(tǒng)的機(jī)械泵(8)和擴(kuò)散泵(7)將真空容器(1)抽到1×10-3～5×10-3Pa極限真空度，而后加熱源(17)由加熱電源(16)供電后，給工件預(yù)加熱到200～700℃，由供氣系統(tǒng)(12)充入Ar氣，分壓在2×10-2～8×10-1Pa，此時(shí)給非平衡磁控濺射靶源(3)供電壓為800～1000V，給工件(10)加偏壓200～500V，由磁控濺射靶發(fā)射出高能量、高密度、高離化率的金屬離子流，在工件負(fù)偏壓的吸引下，高速到達(dá)工件表面形成金屬和合金的鍍層，在鍍的同時(shí)打開(kāi)離子源(15)，供能量為5～40kev，束流10～150mA，注入工件表面N離子，由磁控源鍍于工件表面的金屬及合金的離子，依靠氮離子的轟擊與注入在工件表面形成有一定厚度擴(kuò)散層的金屬氮化物滲鍍層。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種離子束增強(qiáng)磁控濺射滲鍍涂層工藝，其特征在于真空容器(1)的極限真空度為1×10-3～5×10-3Pa，充入的氣體介質(zhì)可以是Ar氣、N2氣和碳?xì)錃怏w，工作壓力為2×10-2～8×10-1Pa。
5.按照權(quán)利要求3所述的一種離子束增強(qiáng)磁控濺射滲鍍涂層工藝，其特征在于滲鍍工件(10)溫度為200～700℃，非平衡磁控濺射靶源(3)的電源電壓為700～1000V，離子束能量5～40kev，束流密度為10～150mA，工作氣壓為2×10-2～8×10-2Pa，工作偏壓200～500V。
全文摘要
本發(fā)明離子束增強(qiáng)磁控濺射滲鍍涂層裝置及工藝屬于金屬材料表面改性的范疇。是一種非平衡磁控濺射和離子注入相結(jié)合的技術(shù)，在非平衡磁控濺射鍍膜的裝置中，加入一個(gè)中低能束離子源，從磁控濺射源發(fā)射出欲滲鍍的金屬及其合金的高能量、高離化率的金屬離子流，在工件負(fù)偏壓下的吸引下，快速沉積于預(yù)加熱的工件表面，然后由中低能離子束注入氮和碳，使其沉積層與工件基體形成一定厚度的擴(kuò)散層，在較低溫度工件表面快速形成金屬碳、氮化合物的表面改性層。
文檔編號(hào)C23C14/35GK1401816SQ0211019
公開(kāi)日2003年3月12日 申請(qǐng)日期2002年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月20日
發(fā)明者唐賓, 潘俊德, 徐重, 田林海 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)