一種高附著力高硬度低摩擦系數(shù)類金剛石膜的涂層設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可實現(xiàn)高附著力、高硬度、低摩擦系數(shù)類金剛石膜的涂層設備，它包括涂層室、行星旋轉工件架、磁過濾弧源、分子泵。本發(fā)明采用磁過濾功能與高真空多弧靶結構，采用本發(fā)明制作的類金剛石膜涂層具有結構致密、附著力強、硬度高、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點。
【專利說明】一種高附著力高硬度低摩擦系數(shù)類金剛石膜的涂層設備
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種類金剛石膜涂層設備。
【背景技術】
[0002]類金剛石膜涂層(Diamond-like Carbon)簡稱DLC涂層。類金剛石(DLC)薄膜是一種含有一定量金剛石鍵(sp2和sp3)的非晶碳的亞穩(wěn)類的薄膜。薄膜的主要成分是碳，因為碳能以三種不同的雜化方式sp3、sp2和spl存在，所以碳可以形成不同晶體的和無序的結構。這也使得對碳基薄膜的研究變得復雜化。在sp3雜化結構中，一個碳原子的四個價電子被分配到具有四面體結構的定向的sp3軌道中，碳原子與相鄰的原子形成很強的古鍵，這種鍵合方式我們通常也稱之為金剛石鍵。在sp2雜化結構中，碳的四個價電子中的三個進入三角形的定向的sp2軌道中，并在一個平面上形成?鍵，第四個電子位于同古鍵一個平面的P π軌道。π軌道同一個或多個相鄰的原子形成弱的π鍵。而在spl結構中，四個價電子中的兩個進入η軌道后各自在沿著X軸的方向上形成?鍵，而另外兩個價電子則進入y軸和ζ軸的P π軌道形成π鍵。DLC碳膜可以被摻雜不同的元素得到摻雜的DLC(N-DLC)薄膜。它們中的C都是以sp3、sp2和spl的鍵合方式而存在，因而有諸多與金剛石膜相似的性能。
[0003]類金剛石(DLC)膜具有許多與金剛石相似或相近的優(yōu)良性能，如硬度高、彈性模量高、摩擦系數(shù)低、生物相溶性好、聲學性能好、電學性能佳等。DLC薄膜發(fā)展到今天，已經(jīng)為越來越多的研究者和工業(yè)界所熟知和關注，在工業(yè)各領域都有極大的應用前景。目前DLC薄膜已經(jīng)在航空航天、精 密機械、微電子機械裝置、磁盤存儲器、汽車零部件、光學器材和生物醫(yī)學等多個領域有廣泛的應用，是具有重要應用前景的高性能的無機非金屬薄膜材料。
[0004]美國已經(jīng)將類金剛石薄膜材料作為21世紀的戰(zhàn)略材料之一。目前類金剛石膜的研究、開發(fā)、制備及應用正向深度和廣度推進。類金剛石制備的方法很多:如離子束輔助沉積、磁控濺射、真空陰極電弧沉積、等離子體增強化學氣相沉積、離子注入法等。但不同的制備方法，DLC膜的成分、結構和性能有很大的差別。要實現(xiàn)大批量、大面積、質優(yōu)的DLC膜的應用，還存在不少問題。如:目前大多數(shù)沉積設備或裝置都屬于實驗室使用原理型的設備，制備成本高、單爐次產量小、不能連續(xù)生產。不能作工業(yè)企業(yè)大批量生產，實現(xiàn)產業(yè)化的設備。
[0005]目前傳統(tǒng)設備或者裝置制備的涂層質量不穩(wěn)定，涂層附著力差，膜層厚度極其微薄(I μ m左右)等。不能滿足實際應用特別是在高運動付，高頻率摩擦的狹窄工件表面涂層DLC的質量要求。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種可規(guī)模化生產、實現(xiàn)產業(yè)化而且可實現(xiàn)高附著力、高硬度、低摩擦系數(shù)的類金剛石膜的涂層設備。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術方案予以實現(xiàn)的:一種高附著力高硬度低摩擦系數(shù)類金剛石膜的涂層設備，它包括涂層室、行星旋轉工件架、磁過濾弧源、分子泵、真空系統(tǒng)，所述涂層室為立式圓柱形，整體雙層水冷式結構，所述涂層室前部設有進料門，所述涂層室的頂部設有管狀加熱器、熱電偶接口，所述涂層室的底部設有進氣口和行星旋轉工件架，所述行星旋轉工件架底部連接有驅動系統(tǒng)，所述涂層室的側壁安裝有磁過濾弧源，所述涂層室的后部安裝有分子泵和真空系統(tǒng)。
[0008]進一步的，所述磁過濾弧源由引弧電極、陰極支架、靶材、推弧電磁線圈、聚焦電磁線圈、彎頭組成，所述靶材安裝在陰極支架上，所述引弧電極和所述陰極支架外接引弧電源，所述推弧電磁線圈和所述聚焦電磁線圈安裝在所述引弧電極和陰極支架產生電弧處的外圍。
[0009]進一步的，所述彎頭為錐度2°彎曲弧度為100°的錐度彎頭，所述錐度彎頭的外表面安裝有多個彎曲弧電磁線圈，在錐度彎頭內形成強度為O~20 mT的彎曲磁場。
[0010]本發(fā)明的工作原理:磁過濾弧源內的引弧電極和陰極支架外接引弧電源，聚焦電磁線圈產生的推動力將電弧推向前方，適當調節(jié)推弧電磁線圈和聚焦電磁線圈的線圈電流，還可以控制陰極斑點在陰極表面運動的范圍，使陰極進行均勻刻蝕，得到一個穩(wěn)定燃燒的冷等離子體電弧。錐度彎頭為等離子體通過的管道，彎曲弧電磁線圈可以產生強度為O~20 mT的彎曲磁場，起到彎曲電弧過濾中性粒子等宏觀粒子團的作用。最后，陰極材料離子通過錐度彎頭出口進入涂層室。在涂層室內，根據(jù)工藝要求設置好加熱溫度、真空度，再充入N、C、H、O2、CH4等氣體，磁過濾后的離子在工件表面進行鍍膜。
[0011]本發(fā)明具有以下技術效果:
(I)本發(fā)明采用磁過濾功能與高真空多弧靶另加強大的離子源組合涂層法，多束弧源使其多方位觸發(fā)電極和石墨陰極之間產生真空電弧放電，激發(fā)出高離化率的碳等離子體，采用磁過濾線圈過濾掉弧源產生的大顆粒和中性原子，可使到達襯底的幾乎全部是碳離子，用較高的沉積速率制備出高質量，致密的無氫膜。
[0012](2)本發(fā)明設置多個磁過濾弧`源用于沉積DLC涂層，多個磁過濾弧源分列均布于真空室側壁及大門，各靶位具有互換性，方便功能擴展及沉積工藝調整；本設備真空系統(tǒng)配置分子泵為主抽泵，避免真空泵油在鍍膜過程中的污染現(xiàn)象；本發(fā)明采用PLC+工控機手、自動一體的控制方式，人機界面觸摸屏操作模式。
[0013](3)本發(fā)明的特點是采用錐度彎頭(錐2°彎100° )可以克服靶材引出的直角阻力，可以充分發(fā)揮引弧的吸力和推弧的作用，將靶材順利的引入涂層室沉積在工件上。本發(fā)明的靶材利用率達到60%以上。
[0014]本發(fā)明涂層設備生產質量穩(wěn)定可靠、可應用于大批量生產，有利于降低生產成本，實現(xiàn)產業(yè)化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的俯視圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的左視圖。
[0017]圖3為磁過濾弧源的結構示意圖。
[0018]圖4為采用本發(fā)明設備制備的類金剛石膜涂層的表面形貌圖。
[0019]圖5為采用本發(fā)明設備制備的類金剛石膜涂層的拉曼光譜圖。[0020]圖6為采用本發(fā)明設備制備的類金剛石膜涂層的摩擦系數(shù)檢測圖。
[0021]圖7為采用本發(fā)明設備制備的類金剛石膜涂層的截面形貌圖。
[0022]附圖中:I一磁過濾弧源，2—涂層室，3—真空系統(tǒng)，4一機架，5—分子泵，6—行星旋轉工件架，7—進料門，8—熱電偶接口，9一管狀加熱器，10—驅動系統(tǒng)，11一進氣口，12—陰極支架，13—引弧電極，14 一推弧電磁線圈，15—靶材，16—彎頭，17—彎曲弧電磁線圈，18—聚焦電磁線圈。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖，對本發(fā)明進一步詳細闡述。
[0024]如圖1、圖2所示，一種高附著力高硬度低摩擦系數(shù)類金剛石膜的涂層設備，包括涂層室2、行星旋轉工件架6、磁過濾弧源1、分子泵5、機架4。
[0025]涂層室2固定安裝在機架4上，涂層室2采用立式圓柱形結構Φ900 X 900mm，不銹鋼材質，整體雙層水冷式結構，前開門結構，便于更換樣品、靶材15及日常維護。真空室整體焊接后進行熱處理消除焊接應力防止焊后變形。涂層室2前部開有進料門7和觀察窗，涂層室2的頂部設有管狀加熱器9、熱電偶接口 8、充氣閥及預留CF35法蘭接口。所述涂層室2的后部安裝有分子泵5和真空系統(tǒng)3。
[0026]涂層室2的底部設有進氣口 11和行星旋轉工件架6，所述行星旋轉工件架6底部連接有驅動系統(tǒng)10，所述行星旋轉工件架6是由直流電機將旋轉動力傳遞給行星齒輪機構(行星齒輪機構由太陽齒輪、行星齒輪和內齒輪組成)，驅動與行星齒輪連接的工件掛架作自轉，同時又驅動與內齒輪連接的大圓盤作公轉，從而實現(xiàn)工件在沉積過程中“自轉”和“公轉”保證工件全方位，均勻的沉積DLC膜層。行星旋轉工件架6是專為大批量、產業(yè)化生產設計的，工位多，基片裝載范圍大，旋轉速度為O~20RPM可調，裝載量:以Φ 130件計算，可裝2000件/爐。
[0027]涂層室2的側壁安裝有多個磁過濾弧源1，如圖3所示，所述磁過濾弧源I由引弧電極13、陰極支架12、靶材15、推弧電磁線圈14、聚焦電磁線圈18、彎頭16組成。所述靶材15安裝在陰極支架12上，所述引弧電極13和所述陰極支架12外接引弧電源，該引弧電源具有能夠識別電弧的燃燒或熄滅狀態(tài)環(huán)節(jié)，根據(jù)需要而發(fā)出引弧脈沖，進行啟動時的自動引弧和熄弧后自動再引弧。所述推弧電磁線圈14和所述聚焦電磁線圈18安裝在所述引弧電極13和陰極支架12產生電弧處的外圍。推弧電磁線圈14可以使電弧引燃后迅速過渡到陰極的表面，也可以防止電弧引燃后向水冷陰極支架12根部燃燒。聚焦電磁線圈18產生的推動力將電弧推向前方，適當調節(jié)推弧電磁線圈14和聚焦電磁線圈18的線圈電流，還可以控制陰極斑點在陰極表面運動的范圍，使陰極進行均勻刻蝕，得到一個穩(wěn)定燃燒的冷等離子體電弧。兩線圈均可產生O~40 mT的電磁場。
[0028]如圖3所示，所述彎頭16為錐度2°彎曲弧度為100°的錐度彎頭16，所述錐度彎頭16，所述錐度彎頭16的外表面安裝有多個彎曲弧電磁線圈17，在錐度彎頭16內形成強度為O~20 mT的彎曲磁場，起到彎曲電弧過濾中性粒子等宏觀粒子團的作用。系統(tǒng)采用的弧鍍電源空載電壓為65 V，額定電流為25~300 A0陰極通過陰極支架12接弧鍍電源的負極性端，弧鍍電源的陽極接地。整個裝置中不采用專門的陽極，陽極由接地的錐度彎頭16組成，簡化了彎曲弧磁過濾器的結構。高真空多弧離子涂層是一種離化率最高(70%~100%)、高離子能量(40~100 eV) [I]、高速度、高效率的新型涂層技術。它是以被涂層材料為陰極，在真空中產生弧光放電，利用等離子體進行沉積鍍膜的一種技術。
[0029]在放電過程中，由于電弧在陰極斑點處具有很高的電流密度，高達106~108 A/cm2 [2，3]，因而，在陰極斑點處仍然具有很高的溫度。如果這個溫度遠遠高于陰極的熔點，陰極表面出現(xiàn)單個或多個小的熔池(I~20 ym [1，4])，蒸發(fā)出陰極材料蒸氣，氣壓陡增。這樣，在陰極斑點處產生與周圍真空的壓力梯度，在該壓力梯度的作用下，可以使熔化的金屬斑點爆發(fā)出包含有金屬離子、金屬蒸氣、宏觀粒子團等組成的電弧流。這種宏觀粒子團如果到達涂層工件表面，就可能附著在上面，既造成工件表面粗糙，又可能在膜使用過程中首先剝落掉，形成膜破裂的引發(fā)源。另外，在高熔點陰極材料的電弧中(如石墨等燒結而成的陰極材料)，夾雜著大量的塊狀顆粒。這些顆粒到達膜的表面后脫落或附著，附著顆粒被隨后生長的膜所覆蓋，造成膜的夾雜物，成為膜的缺陷，降低膜的質量。因而，對真空陰極弧離子鍍的弧源進行改進，以消除粗顆粒的粒子團。除了采用幾何擋板外，利用磁場對帶電粒子的洛倫茲力，改變等離子體到達工件表面的路徑，達到對電弧過濾的目的，來獲得高質量的薄膜。本發(fā)明采用100°錐度彎頭16式磁過濾器的方法，采用無輔助陽極的結構，獲得了很好的效果。
[0030]本發(fā)明采用磁過濾功能與高真空多弧靶另加強大的離子源組合涂層法，多束弧源使其多方位觸發(fā)電極和石墨陰極之間產生真空電弧放電，激發(fā)出高離化率的碳等離子體，采用磁過濾線圈過濾掉弧源產生的大顆粒和中性原子，可使到達襯底的幾乎全部是碳離子，用較高的沉積速率制備出高質量，致密的無氫膜。
[0031]采用本發(fā)明制作的類金剛石膜涂層的實際效果如下:
圖4為檢測樣品表面在場發(fā)射電子掃描電鏡下放大5000倍的形貌圖。從檢測結果可以看出，樣品表面沉積了一層致密的薄膜。
[0032]圖5為檢測樣品表面的拉曼光譜圖，從檢測結果可以看出，所檢測的兩個位置的涂層均顯示出出類金剛石的兩個特征峰，即1350cm-l附近的無定形碳D峰及1580cm-l附近的石墨G峰。涂層為典型的類金剛石，涂層質量好。
[0033]圖6為檢測涂層在無潤滑條件下與氮化硅陶瓷球對磨時的摩擦曲線圖，由圖可看出其平均摩擦系數(shù)約為0.13。
[0034]如圖7所示，從檢測結果可以看出，涂層與基底之間有明顯的分界線，所檢測的兩個位置的涂層厚度均約為10微米，傳統(tǒng)的鍍膜裝置和設備是很難達到這個厚度的，同時圖7也顯示出涂層在不同位置上厚度較為均勻。
【權利要求】
1.一種高附著力高硬度低摩擦系數(shù)類金剛石膜的涂層設備，其特征在于:它包括涂層室、行星旋轉工件架、磁過濾弧源、分子泵、真空系統(tǒng)，所述涂層室為立式圓柱形，整體雙層水冷式結構，所述涂層室前部設有進料門，所述涂層室的頂部設有管狀加熱器、熱電偶接口，所述涂層室的底部設有進氣口和行星旋轉工件架，所述行星旋轉工件架底部連接有驅動系統(tǒng)，所述涂層室的側壁安裝有磁過濾弧源，所述涂層室的后部安裝有分子泵和真空系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高附著力高硬度低摩擦系數(shù)類金剛石膜的涂層設備，其特征在于:所述磁過濾弧源由引弧電極、陰極支架、靶材、推弧電磁線圈、聚焦電磁線圈、彎頭組成，所述靶材安裝在陰極支架上，所述引弧電極和所述陰極支架外接引弧電源，所述推弧電磁線圈和所述聚焦電磁線圈安裝在所述引弧電極和陰極支架產生電弧處的外圍。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種高附著力高硬度低摩擦系數(shù)類金剛石膜的涂層設備，其特征在于:所述彎頭為錐度2°彎曲弧度為100°的錐度彎頭，所述錐度彎頭的外表面安裝有多個彎曲弧電磁線圈，在錐度彎頭`內形成強度為O~20 mT的彎曲磁場。
【文檔編號】C23C14/06GK103668061SQ201310725837
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月25日 優(yōu)先權日:2013年12月25日
【發(fā)明者】陳遠達, 王勝云, 何靜 申請人:湖南中航超強金剛石膜高科技有限公司