專利名稱：一種用于工模具表面強(qiáng)化的納米多層鍍膜裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于工模具表面強(qiáng)化的可沉積納米多層膜的鍍膜裝置。
背景技術(shù)：
物理氣相沉積作為一種先進(jìn)的材料表面改性技術(shù)被大量地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。近二十年來以TiN為主的單層膜在裝飾行業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用。中國制造業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)工具、模具等加工成型工具以及其它機(jī)械零部件在硬度、耐磨性等方面提出了越來越高的要求，而單一成分的膜層往往不能達(dá)到這些要求。由于多層膜包含兩種或兩種以上的材料形成的膜層，因此在硬度、耐磨性、抗沖擊、耐腐蝕等方面往往優(yōu)于單一膜層。專利CN1156598C中公布了一種由150-180微米的滲氮層，2微米的TiN層和1.5微米的TiCN層構(gòu)成的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。專利US6558749B2中公布了由TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中任意兩種成分的膜層以及中間的過渡層構(gòu)成的多層復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，它們的性能均優(yōu)于單一膜層。
納米多層膜是由兩種或兩種以上的材料在納米的尺度上交替生長而成的多層薄膜，且其成分和(或)結(jié)構(gòu)可調(diào)制。通過改變和控制膜層材料、調(diào)制周期及調(diào)制比，即可制備出不同的納米多層膜。在某些納米多層膜結(jié)構(gòu)中，由于不同膜層之間彈性模量、晶格常數(shù)、界面狀況、位錯(cuò)能量等參數(shù)之間的差異，會(huì)出現(xiàn)超硬效應(yīng)(superhardness)。自從Yang等在1977年首先發(fā)現(xiàn)金屬/金屬納米多層結(jié)構(gòu)的超硬效應(yīng)后(W.M.C.Yang，T.Tsakalakos，and J.E.Hilliard.Enhanced elastic modulus in composition-modulated gold-nickel and copper-palladium foils.J.Appl.Phys.48，876-879，1977)，金屬/陶瓷(K.K.Shih and D.B.Dove.Ti/Ti-N Hf/Hf-N andW/W-N multilayer films with high mechanical hardness.Appl.Phys.Lett.61(6)，654-656，1992)、陶瓷/陶瓷(M.L.Wu，W.D.Qian，Y.W.Chung，et al.Superhard coatings of CNx/ZrN multilayersprepared by DC magnetron sputtering.Thin Solid Films.308-309，113-117，1997)納米多層結(jié)構(gòu)的超硬效應(yīng)也被相應(yīng)發(fā)現(xiàn)。
納米超硬效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)給表面工程技術(shù)提供了一個(gè)嶄新的方向。研究表明膜層出現(xiàn)納米超硬效應(yīng)需要具備以下條件首先各膜層之間必須形成清晰尖銳的界面，界面上成分的梯度變化會(huì)使得界面寬度增加，而界面寬度的增加會(huì)嚴(yán)重地降低納米多層膜的力學(xué)性能(X.Chu，S.A.Barnett.Model of superlattice yield stress and hardness enhancements.J.Appl.Phys.77，4403-4411，1995)。其次，納米多層膜的調(diào)制周期必須在一定的范圍內(nèi)。位錯(cuò)理論以及相關(guān)的研究結(jié)果(W.M.C Yang和M.L.Wu)表明，根據(jù)納米多層膜膜系成分、調(diào)制比、界面寬度等方面的不同，一般情況下當(dāng)調(diào)制周期為3-20納米時(shí)多層膜會(huì)出現(xiàn)較為明顯的超硬效應(yīng)。
專利US5330853中提供了一種通過控制氮?dú)鈿夥斩纬蒚iAlNx/TiAlNy多層膜，然而其調(diào)制周期為1微米，與通常產(chǎn)生納米多層膜超硬效應(yīng)的調(diào)制周期3-20納米相差甚遠(yuǎn)。專利US5340454和JP2004255285中均采用直線方式傳動(dòng)工件，并用隔板將真空室分隔成若干彼此不受干擾的空間。當(dāng)工件在不同空間內(nèi)傳動(dòng)時(shí)，即可沉積多層膜。但其目的是沉積多層的功能膜層，而不是成分或結(jié)構(gòu)具有周期性交替變化的納米超硬膜層。專利CN1530459A中公布了一種在同一真空室內(nèi)沉積納米多層膜的設(shè)備，其中裝有若干交叉分布的不同成分的靶，通過對(duì)工件回轉(zhuǎn)傳動(dòng)的機(jī)械控制以及不同靶材沉積速率的電氣控制即可生成多層納米復(fù)合膜。然而不同靶材在沉積時(shí)的相互干擾會(huì)使得不同膜層之間無法形成清晰尖銳的界面，而界面寬度的增加會(huì)嚴(yán)重地降低納米多層膜的性能。此外，此專利也只能采用同種反應(yīng)氣氛，無法沉積金屬/陶瓷或需不同反應(yīng)氣氛的陶瓷/陶瓷膜系。專利US5750207中也提供了一種類似的沉積成分可調(diào)制的膜層的方法，但仍舊無法解決不同靶材鍍膜時(shí)的相互干擾問題，且只能通入同種反應(yīng)氣體。專利CN1616707A中公布了一種通過控制脈沖數(shù)的方法控制靶材蒸發(fā)量，當(dāng)交替或順序開啟或關(guān)閉蒸發(fā)源時(shí)而可沉積納米多層膜。然而關(guān)閉蒸發(fā)源后真空室中會(huì)有殘余的金屬離子，這些離子必然會(huì)對(duì)開啟下一個(gè)蒸發(fā)源鍍膜時(shí)造成成分上的污染，從而無法沉積具有清晰界面的多層膜。此外該專利也只能采用同種反應(yīng)氣體。如果為了降低靶材成分相互干擾可以在其中間隙多加一道抽真空工序，但會(huì)極大地降低了生產(chǎn)效率。專利CN1470671A和CN200410053490.8中涉及了兩種超硬納米多層膜的制備工藝，然而并未涉及任何制備裝置的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能制備具有超硬效應(yīng)的納米多層膜的裝置。本裝置能沉積金屬/金屬、金屬/陶瓷以及陶瓷/陶瓷等納米多層膜并能對(duì)膜層成分和厚度進(jìn)行調(diào)制，形成的多層膜中每一膜層成分單一，不同膜層之間能形成清晰尖銳的界面。此外，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)設(shè)計(jì)能徹底擺脫實(shí)驗(yàn)室的局限性，利于規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于工模具領(lǐng)域的納米多層鍍膜裝置，其包括真空室；圓筒形隔板支撐架，設(shè)置于真空室中；至少四個(gè)隔板，安裝于圓筒形隔板支撐架上且將真空室分隔成至少四個(gè)隔離室；中心抽氣管，設(shè)置于所述圓筒形隔板支撐架中；至少兩個(gè)蒸發(fā)裝置，設(shè)置于所述真空室的壁上，任何兩個(gè)蒸發(fā)裝置所在的隔離室不相鄰；離子源，設(shè)置于所述真空室的壁上，不與任何所述蒸發(fā)裝置同處于一個(gè)隔離室中；至少四個(gè)工件架，每個(gè)工件架分別安裝于獨(dú)立的所述隔離室中，所述工件架、所述隔板和所述圓筒形隔板支撐架可繞同一公轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)；磁流體密封同心多軸傳動(dòng)裝置，安裝于所述真空室的頂部或底部，并將動(dòng)力由所述真空室外引入真空室內(nèi)；抽氣口，設(shè)置于與所述磁流體密封同心多軸傳動(dòng)裝置相對(duì)的一側(cè)并與中心抽氣管相連接。
所述圓筒形隔板支撐架上有至少四個(gè)開口。
所述中心抽氣管上有至少兩個(gè)第一開口和兩個(gè)第二開口。其中第一開口與蒸發(fā)裝置相對(duì)應(yīng)，第二開口交錯(cuò)穿插于第一開口之間，且第二開口面積大于第一開口面積。
所述蒸發(fā)裝置包括磁控濺射靶、陰極弧靶等。
每個(gè)所述蒸發(fā)裝置還包括獨(dú)立的供氣系統(tǒng)。
所述離子源可采用點(diǎn)狀或線性的霍爾源、考夫曼源或ICP源等。
所述工件架上安裝有一次自轉(zhuǎn)軸，或按需要還安裝有二次自轉(zhuǎn)軸。
在所述真空室外安裝有多臺(tái)轉(zhuǎn)速可調(diào)電機(jī)，所述電機(jī)的動(dòng)力通過所述磁流體密封同心多軸傳動(dòng)裝置引入所述真空室內(nèi)并通過齒輪、軸承等傳遞至所述公轉(zhuǎn)軸、一次自轉(zhuǎn)軸和二次自轉(zhuǎn)軸。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的鍍膜裝置的真空室俯視圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的鍍膜裝置的真空室俯視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1如圖1所示，真空室壁16上安裝有真空室門17、離子源9、第一蒸發(fā)裝置4和第二蒸發(fā)裝置14。其中每一個(gè)蒸發(fā)裝置上均配有獨(dú)立的供氣系統(tǒng)。真空室內(nèi)裝有圓筒形隔板支撐架3和多個(gè)隔板7，圓筒形隔板支撐架3和隔板7將真空室分為四個(gè)隔離室10。圓筒形隔板支撐架3上有四個(gè)開口6。圓筒形隔板支撐架3中設(shè)置有中心抽氣管2，中心抽氣管2上有兩個(gè)第一開口15和兩個(gè)第二開口11。其中第一開口15與蒸發(fā)裝置相對(duì)應(yīng)，第二開口11交錯(cuò)穿插于第一開口15之間，且第二開口11面積大于第一開口15面積。每個(gè)隔離室10中分別安裝有工件架5。工件架5、隔板7和圓筒形隔板支撐架3可繞同一公轉(zhuǎn)軸12旋轉(zhuǎn)，工件架5上裝有一次自轉(zhuǎn)軸1，一次自轉(zhuǎn)軸1上可安裝工件。真空室頂部安裝有磁流體密封同心雙軸傳動(dòng)裝置8，該裝置位于真空室外的部分與兩臺(tái)轉(zhuǎn)速可調(diào)電機(jī)相連接，該裝置位于真空室內(nèi)的部分通過齒輪、軸承等傳動(dòng)構(gòu)件將動(dòng)力傳遞至公轉(zhuǎn)軸12和一次自轉(zhuǎn)軸1，并且兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)速可以通過兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的組合進(jìn)行獨(dú)立控制。中心抽氣管2位于真空室頂部一端封閉，位于真空室底部一端接抽氣口13。
鍍膜時(shí)操作方法如下(以沉積TiN/SiC納米多層膜為例)在第一蒸發(fā)裝置4上安裝Ti靶，且在第二蒸發(fā)裝置14上安裝Si靶。
打開真空室門17，裝載工件。關(guān)閉真空室門17，抽至所需真空度。開啟離子源9對(duì)工件架5上工件進(jìn)行清洗，在清洗過程中可根據(jù)工件的具體形狀保持工件架5的一定的一次自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。清洗完畢后將未清洗過的其它工件架5旋轉(zhuǎn)至離子源9對(duì)應(yīng)位置并清洗該工件架上的工件。重復(fù)該操作至所有工件清洗完畢。然后，由第一蒸發(fā)裝置4的供氣系統(tǒng)通入N2，由第二蒸發(fā)裝置14的供氣系統(tǒng)通入C2H2，同時(shí)開啟兩個(gè)蒸發(fā)裝置開始鍍膜。鍍膜過程中可根據(jù)工件的具體情況保持工件架5一定的一次自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。同時(shí)可通過控制各自的蒸發(fā)裝置及其供氣系統(tǒng)的參數(shù)，獨(dú)立地控制膜層的厚度。在鍍膜期間，通過抽氣口13保持對(duì)所有隔離室抽氣。當(dāng)?shù)谝粚幽ず穸冗_(dá)到所需值時(shí)，將兩個(gè)未經(jīng)鍍膜的其它工件架旋轉(zhuǎn)至兩個(gè)蒸發(fā)裝置對(duì)應(yīng)位置，重復(fù)該操作直到工件上的納米多層膜厚度達(dá)到所需值。
本實(shí)施例的鍍膜裝置中安裝有兩個(gè)配有獨(dú)立供氣系統(tǒng)的蒸發(fā)裝置和四個(gè)在獨(dú)立的隔離室10中的工件架。兩個(gè)蒸發(fā)裝置所在的隔離室不相鄰，因此工件架上的工件在沉積TiN和SiC膜之間在不與蒸發(fā)裝置對(duì)應(yīng)的隔離室中經(jīng)歷一個(gè)抽空過程，能有效地排出上一個(gè)鍍膜周期中隔離室內(nèi)殘余的金屬蒸氣和反應(yīng)氣體，從而極大程度地減少了上一個(gè)鍍膜過程對(duì)下一個(gè)鍍膜過程的影響。此外，由于第二開口11面積大于第一開口15面積，抽空過程造成的更低的氣壓還能有效地減少同時(shí)進(jìn)行的兩個(gè)不同鍍膜過程的金屬蒸氣以及反應(yīng)氣體的相互干擾。本實(shí)施例鍍膜效率高，適合于鍍膜面取向較為單一的模具、大型工具、大型零部件的規(guī)?；{米多層表面強(qiáng)化。
實(shí)施例2如圖2所示，真空室壁35上安裝有兩個(gè)真空室門28、兩個(gè)離子源22、第一蒸發(fā)裝置19、第二蒸發(fā)裝置24、第三蒸發(fā)裝置29和第四蒸發(fā)裝置36。其中每一個(gè)蒸發(fā)裝置上均配有獨(dú)立的供氣系統(tǒng)。真空室內(nèi)裝有圓筒形隔板支撐架25和多個(gè)隔板23，圓筒形隔板支撐架25和隔板23將真空室分為八個(gè)隔離室21。圓筒形隔板支撐架25上有多個(gè)開口27。圓筒形隔板支撐架25中設(shè)置有中心抽氣管33，中心抽氣管33上有四個(gè)第一開口30和四個(gè)中心抽氣管第二開口32。其中第一開口30與蒸發(fā)裝置相對(duì)應(yīng)，第二開口32交錯(cuò)穿插于第一開口30之間，且第二開口32面積大于第一開口面積30。每個(gè)隔離室21中分別安裝有工件架34。工件架34、隔板23和圓筒形隔板支撐架25可繞同一公轉(zhuǎn)軸20旋轉(zhuǎn)，工件架34上裝有一次自轉(zhuǎn)軸18和二次自轉(zhuǎn)軸37，二次自轉(zhuǎn)軸37上可安裝工件。真空室頂部安裝有磁流體密封同心三軸傳動(dòng)裝置26，該裝置位于真空室外的部分與三臺(tái)轉(zhuǎn)速可調(diào)電機(jī)相連接，該裝置位于真空室內(nèi)的部分通過齒輪、軸承等傳動(dòng)構(gòu)件將動(dòng)力傳遞至公轉(zhuǎn)軸20，一次自轉(zhuǎn)軸18和二次自轉(zhuǎn)軸37，并且三個(gè)軸的轉(zhuǎn)速可以通過三臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的組合進(jìn)行獨(dú)立控制。中心抽氣管33位于真空室頂部一端封閉，位于真空室底部一端接抽氣口31。
鍍膜時(shí)操作方法如下(以沉積TiN/SiC納米多層膜為例)第一蒸發(fā)裝置19和第三蒸發(fā)裝置29上安裝Ti靶，第二蒸發(fā)裝置24和第四蒸發(fā)裝置36上安裝Si靶。
打開真空室門28，裝載工件。關(guān)閉真空室門28，將真空室通過抽氣口31抽至所需真空度。開啟離子源22對(duì)兩個(gè)工件架34上的工件進(jìn)行清洗，清洗過程中保持工件架34一定的一次自轉(zhuǎn)和二次自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。清洗完畢后將未清洗過的其它工件架34旋轉(zhuǎn)至離子源22對(duì)應(yīng)位置并清洗其上的工件。重復(fù)操作至所有工件清洗完畢。然后由第一蒸發(fā)裝置19和第三蒸發(fā)裝置29的供氣系統(tǒng)通入N2，由第二蒸發(fā)裝置24和第四蒸發(fā)裝置36的供氣系統(tǒng)通入C2H2，同時(shí)開啟四個(gè)蒸發(fā)裝置開始鍍膜。鍍膜過程中可根據(jù)工件鍍膜的需要保持工件架34一定的一次自轉(zhuǎn)和二次自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，同時(shí)可通過控制各自的蒸發(fā)裝置及其供氣系統(tǒng)的參數(shù)，獨(dú)立地控制膜層的厚度。在鍍膜期間，通過抽氣口31保持對(duì)所有隔離室抽氣。當(dāng)?shù)谝粚幽ず穸冗_(dá)到所需值時(shí)，將四個(gè)未經(jīng)鍍膜的其它工件架旋轉(zhuǎn)至四個(gè)蒸發(fā)裝置的對(duì)應(yīng)位置，重復(fù)該操作直到工件上的納米多層膜厚度達(dá)到所需值。
本實(shí)施例的鍍膜裝置中安裝有四個(gè)配有獨(dú)立供氣系統(tǒng)的蒸發(fā)裝置和八個(gè)在獨(dú)立的隔離室21中的工件架。任意兩個(gè)蒸發(fā)裝置所在的隔離室不相鄰，因此工件架上的工件在沉積TiN和SiC膜之間在不與蒸發(fā)裝置對(duì)應(yīng)的隔離室中經(jīng)歷一個(gè)抽空過程，能有效地排出上一個(gè)鍍膜周期中隔離室內(nèi)殘余的金屬蒸氣和反應(yīng)氣體，從而極大程度地減少了上一個(gè)鍍膜過程對(duì)下一個(gè)鍍膜過程的影響。此外，由于第二開口32面積大于第一開口面積30，抽空過程造成的更低的氣壓還能有效地減少同時(shí)進(jìn)行的兩個(gè)不同鍍膜過程的金屬蒸氣以及反應(yīng)氣體的相互干擾。本實(shí)施例鍍膜效率高，適合于鍍膜面取向較為單一的模具、大型工具、大型零部件的規(guī)?；{米多層表面強(qiáng)化。
權(quán)利要求
1.一種用于工模具領(lǐng)域的納米多層鍍膜裝置，其特征在于，包含真空室；圓筒形隔板支撐架，設(shè)置于真空室中；至少四個(gè)隔板，安裝于圓筒形隔板支撐架上且將真空室分隔成至少四個(gè)隔離室；中心抽氣管，設(shè)置于所述圓筒形隔板支撐架中；至少兩個(gè)蒸發(fā)裝置，設(shè)置于所述真空室的壁上，任何兩個(gè)蒸發(fā)裝置所在的隔離室不相鄰；離子源，設(shè)置于所述真空室的壁上，不與任何所述蒸發(fā)裝置同處于一個(gè)隔離室中；至少四個(gè)工件架，每個(gè)工件架分別安裝于獨(dú)立的所述隔離室中，所述工件架、所述隔板和所述圓筒形隔板支撐架可繞同一公轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)；磁流體密封同心多軸傳動(dòng)裝置，安裝于所述真空室的頂部或底部，并將動(dòng)力由所述真空室外引入真空室內(nèi)；抽氣口，設(shè)置于與所述磁流體密封同心多軸傳動(dòng)裝置相對(duì)的一側(cè)并與中心抽氣管相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍍膜裝置，其特征在于，所述圓筒形隔板支撐架上有至少四個(gè)開口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍍膜裝置，其特征在于，所述中心抽氣管上有至少兩個(gè)第一開口和兩個(gè)第二開口。其中第一開口與蒸發(fā)裝置相對(duì)應(yīng)，第二開口交錯(cuò)穿插于第一開口之間，且第二開口面積大于第一開口面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍍膜裝置，其特征在于，所述蒸發(fā)裝置包括磁控濺射靶、陰極弧靶等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍍膜裝置，其特征在于，每個(gè)所述蒸發(fā)裝置還包括獨(dú)立的供氣系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍍膜裝置，其特征在于，所述離子源可采用點(diǎn)狀或線性的霍爾源、考夫曼源或ICP源等。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍍膜裝置，其特征在于，所述工件架上安裝有一次自轉(zhuǎn)軸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鍍膜裝置，其特征在于，所述工件架上還安裝有二次自轉(zhuǎn)軸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鍍膜裝置，其特征在于，在所述真空室外安裝有多臺(tái)轉(zhuǎn)速可調(diào)電機(jī)，所述電機(jī)的動(dòng)力通過所述磁流體密封同心多軸傳動(dòng)裝置引入所述真空室內(nèi)并通過傳動(dòng)構(gòu)件傳遞至所述公轉(zhuǎn)軸、一次自轉(zhuǎn)軸和二次自轉(zhuǎn)軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鍍膜裝置，其特征在于，所述傳動(dòng)裝置包括齒輪、軸承。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于工模具領(lǐng)域的納米多層鍍膜裝置，其包括真空室；圓筒形隔板支撐架，設(shè)有開口；至少四個(gè)隔板，安裝于圓筒形隔板支撐架上且將真空室分隔成至少四個(gè)隔離室；中心抽氣管，設(shè)有開口，設(shè)置于所述圓筒形隔板支撐架中；至少兩個(gè)蒸發(fā)裝置與至少一個(gè)離子源，設(shè)置于所述真空室的壁上；至少四個(gè)工件架，每個(gè)工件架分別安裝于獨(dú)立的所述隔離室中，所述工件架、圓筒形隔板支撐架和隔板可繞同一公轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)；磁流體密封同心多軸傳動(dòng)裝置；抽氣口。本裝置能沉積納米多層膜并能對(duì)膜層成分和厚度進(jìn)行調(diào)制，形成的多層膜中每一膜層成分單一，不同膜層之間能形成清晰尖銳的界面。本發(fā)明用于工模具及其他零部件的表面強(qiáng)化。
文檔編號(hào)C23C14/50GK1778983SQ200510083078
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者徐健, 程云立, 張?jiān)讫?申請(qǐng)人:北京東方新材科技有限公司