一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及薄膜材料【技術(shù)領域】，尤其涉及一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，包括真空室、雙極脈沖磁控濺射靶、矩形的陽極層氣體離子源、高功率脈沖磁控濺射源、偏壓電源、陰極電弧源、工件架和支座，所述雙極脈沖磁控濺射靶、陽極層氣體離子源、高功率脈沖磁控濺射源、偏壓電源和陰極電弧源分別通過五組單獨的開關(guān)控制。本發(fā)明通過以上結(jié)構(gòu)，不僅可以制備純金屬、合金、反應膜層，還可以制備多元、多層納米復合涂層，含氧涂層，以滿足形狀和大小不一的金屬切削刀具，達到高速加工的要求。
【專利說明】—種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機及其使用方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜材料【技術(shù)領域】，尤其涉及一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面涂層技術(shù)已經(jīng)成為切削刀具領域的一項關(guān)鍵技術(shù)，對刀具性能的改善以及加工技術(shù)的進步起到了至關(guān)重要的作用。刀具表面涂層的沉積方法主要包括化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)。CVD技術(shù)生長涂層的溫度較高，并且該方法對環(huán)境有污染。一般情況下，CVD技術(shù)需要溫度超過800°C以促使納米晶粒的生長，但過高的沉積溫度會引起基材的變形和開裂、晶體晶粒長大、尺寸精度下降等問題。PVD技術(shù)主要包括磁控濺射、陰極弧離子鍍、離子束輔助沉積。磁控濺射沉積溫度低，制備的涂層表面光滑，比CVD生長的涂層更能有效地阻止橫向裂紋的擴展，同時降低摩擦系數(shù)，但磁控濺射技術(shù)存在氣體離化率及靶材利用率低的問題。多弧離子鍍可以獲得接近90%的離化率和較快的沉積速率，入射粒子能量高，沉積膜的質(zhì)量和膜機結(jié)合力好，并能夠蒸發(fā)高熔點的難熔材料；但電弧放電會飛濺出微米級液滴從而導致膜層粗糙度增加。同時，氣體離子源的使用越來越受到較多的關(guān)注。氣體離子源具有方向性，在其表面高密度所體的等離子體可以作為離子轟擊工件清洗使用，也可以作為反應氣體的離化源，作輔助沉積使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的 在于克服以上缺陷，提出一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，該裝置具有鍍膜速度快、氣體離化率高、繞射性好、可實現(xiàn)精確氣體控制的特點。
[0004]本發(fā)明的另一個目的在于提出一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機的使用方法。
[0005]為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，包括真空室、雙極脈沖磁控濺射靶、矩形的陽極層氣體離子源、高功率脈沖磁控濺射源、偏壓電源、陰極電弧源、工件架和支座；
所述真空室為密封結(jié)構(gòu)，其上開設有抽氣口，所述雙極脈沖磁控濺射靶、陽極層氣體離子源、高功率脈沖磁控濺射源、陰極電弧源和工件架固定在所述真空室內(nèi)，所述支座與所述工件架連接；
所述工件架為導電材質(zhì)，與所述旋轉(zhuǎn)支架連接，位于所述雙極脈沖磁控濺射靶、陽極層氣體離子源、高功率脈沖磁控濺射源和陰極電弧源之間；所述工件架與所述真空室絕緣，所述真空室接地，所述偏壓電源的陽極連接真空室，陰極連接所述工件架；
所述雙極脈沖磁控濺射靶、陽極層氣體離子源、高功率脈沖磁控濺射源、偏壓電源和陰極電弧源分別通過五組單獨的開關(guān)控制。[0006]進一步，所述真空室內(nèi)設有四個所述陰極電弧源。
[0007]進一步，所述陰極電弧源電源使用真空電弧直流逆變電源，設有氣動自動引弧系統(tǒng)，手動引弧裝置和實時在線監(jiān)測裝置。
[0008]進一步，所述真空室內(nèi)設有一個高功率脈沖磁控濺射源，其采用非平衡磁場布置，單向柱狀或者平板靶可調(diào)。
[0009]進一步，真空室內(nèi)設有兩塊單向非平衡柱狀所述雙極脈沖磁控濺射靶，所述雙極脈沖磁控濺射靶與所述真空室絕緣，兩塊所述雙極脈沖磁控濺射靶采用孿生對靶設計，互為陰陽極；該孿生對靶采用非平衡磁場布置，單向柱狀或者平板靶可調(diào)。
[0010]進一步，所述陽極層氣體離子源的陰極與所述真空室連接，其陽極與所述真空室絕緣。
[0011]進一步，所述真空室內(nèi)還設有高溫加熱裝置。
[0012]進一步，所述工件架設有工件的公轉(zhuǎn)機構(gòu)和自轉(zhuǎn)機構(gòu)。
[0013]進一步，所述真空室采用閉循環(huán)氣體控制系統(tǒng)。
[0014]使用上述用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機的方法，步驟包括: 將硬質(zhì)合金刀具清洗干凈，裝夾在工件架上，開始抽真空，當真空度高于5X 10_3Pa時，
開始加熱除氣，溫度控制在300-600°C，工件架保持6-10rpm的轉(zhuǎn)速；
當真空度2_5X IO-3Pa時，通入Ar氣，打開所述偏壓電源，對工件進行輝光清洗，真空保持在0.F2Pa,偏壓為500-1000V,占空比60_80%，輝光時間10-30分鐘；
輝光清洗結(jié)束后，真空調(diào)節(jié)為2 X IO-1Pa,打開所述陰極電弧源的Cr靶，對刀具基體轟擊5-30分鐘約50-300納米厚的Cr過渡層，偏壓保持在-400-1000V，占空比30-80% ；在轟擊完畢后，偏壓降到-50-200V，占空比10-80%，斷掉Ar氣，通入N2氣真空調(diào)節(jié)到
1.0-3.0Pa,開始沉積CrN過渡層，沉積5_30分鐘約50-300納米；
CrN過渡層沉積結(jié)束后，開啟所述高功率脈沖磁控濺射源及所述雙極脈沖磁控濺射靶，通過調(diào)節(jié)N2把真空控制在0.F3Pa,偏壓占空比不變，打開所述陰極電弧源，開始制備CrTiAlSiN,沉積時間40-100分鐘，結(jié)束后，自然冷卻，當溫度降到50°C以下時，取出工件。
[0015]本發(fā)明通過以上結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點:動態(tài)電磁驅(qū)動陰極電弧靶或過濾電弧靶可以有效抑制液滴；雙極脈沖及高能脈沖磁控濺射可以有效提高靶材的利用率及氣體離化率，增強繞射性及涂層均勻性；陽極層離子源在鍍膜過程中的轟擊能夠提高膜層的致密性及結(jié)合力，從而可以實現(xiàn)在各種試片和刀具上沉積各種材質(zhì)的復合涂層。本系統(tǒng)具有改進后的電弧鍍和高功率磁控濺射鍍的優(yōu)點，不但降低設備投入的成本，而且提高涂層質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明一種實例的主視剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明一種實例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]其中:1、真空室；2、雙極脈沖磁控濺射靶；3、陽極層氣體離子源；4、高功率脈沖磁控濺射源；5、偏壓電源； 6、陰極電弧源；7、工件架；8、支座；9、抽氣口 ；10、高溫加熱裝置。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。[0020]如圖1、圖2所示，一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，包括真空室1、雙極脈沖磁控濺射靶2、矩形的陽極層氣體離子源3、高功率脈沖磁控濺射源4、偏壓電源5、陰極電弧源6、工件架7和支座8 ；
如圖1所示，所述真空室I為密封結(jié)構(gòu)，其上開設有抽氣口 9，所述雙極脈沖磁控濺射靶2、陽極層氣體離子源3、高功率脈沖磁控濺射源4、陰極電弧源6和工件架7固定在所述真空室I內(nèi)，所述支座8與所述工件架7連接；
所述工件架7為導電材質(zhì)，與所述支座8連接，位于所述雙極脈沖磁控濺射靶2、陽極層氣體離子源3、高功率脈沖磁控濺射源4和陰極電弧源6之間；所述工件架7與所述真空室I絕緣，所述真空室I接地，所述偏壓電源5的陽極連接真空室1，陰極連接所述工件架7 ；所述雙極脈沖磁控濺射靶2、陽極層氣體離子源3、高功率脈沖磁控濺射源4、偏壓電源5和陰極電弧源6分別通過五組單獨的開關(guān)控制，可以單獨或協(xié)同工作。
[0021]進一步，如圖2所示，所述真空室I內(nèi)設有四個所述陰極電弧源6。
[0022]進一步，所述陰極電弧源6電源使用真空電弧直流逆變電源，設有氣動自動引弧系統(tǒng)、手動引弧裝置和實時在線監(jiān)測裝置。
[0023]進一步，如圖2所示，所述真空室I內(nèi)設有一個高功率脈沖磁控濺射源4，其采用非平衡磁場布置，單向柱狀或者平板靶可調(diào)。
[0024]進一步，如圖2所示，真空室I內(nèi)設有兩塊單向非平衡柱狀的雙極脈沖磁控濺射靶2，所述雙極脈沖磁控濺射靶2與所述真空室I絕緣，兩塊所述雙極脈沖磁控濺射靶2采用孿生對靶設計，互為陰陽極；該孿生對靶采用非平衡磁場布置，單向柱狀或者平板靶可調(diào)。這種設計可以有效避免出現(xiàn)濺射靶中毒和打火的現(xiàn)象，提高沉積的效率。
`[0025]進一步，所述陽極層氣體離子源3的陰極與所述真空室I連接，其陽極與所述真空室I絕緣。所述陽極層氣體離子源3配合所述雙極脈沖磁控濺射靶2的尺寸，能夠均勻離化反應氣體，并均勻覆蓋被鍍工件。
[0026]進一步,如圖1所不，所述真空室I內(nèi)還設有聞溫加熱裝置10。
[0027]進一步，所述工件架7設有工件的公轉(zhuǎn)機構(gòu)和自轉(zhuǎn)機構(gòu)。
[0028]進一步，所述真空室I采用閉循環(huán)氣體控制系統(tǒng)，可以對工作時的電壓、氣流量進行精確的控制。
[0029]進一步，還包括PLC控制模塊和工控機總線控制模塊，使用鍍膜機專用操作軟件對整個控制流程實行全自動控制和數(shù)據(jù)保存。
[0030]進一步，所述高功率脈沖磁控源4單獨控制一個磁控濺射靶。平均功率5-10KW，峰值電壓1-2KV，峰值功率l-2Mw，峰值電流0.5-lkA，輸出脈沖寬度1-200 μ S。
[0031]采用多功能全自動復合離子鍍膜機制備TiAlCrSiN納米復合涂層的實例:
所述陰極電弧源6包括Ti靶和Cr靶，所述雙極脈沖磁控濺射靶2為Si靶，所述高功率脈沖磁控濺射源4為Al靶。同時，在鍍膜過程中開啟所述陽極層氣體離子源3轟擊基片，以提高膜層致密性及附著力，并增加N2離化率。具體生產(chǎn)工藝過程如下:
首先，將硬質(zhì)合金刀具清洗干凈，裝夾在工件架上，開始抽真空，當真空度高于5X 10?時，開始加熱除氣，溫度控制在300-600°C，工件架保持6_10rpm的轉(zhuǎn)速，當真空度2_5X 10_3Pa時，通入Ar氣，打開所述偏壓電源5，對工件進行輝光清洗，真空保持在
0.r2Pa,偏壓為500-1000V，占空比60_80%，輝光時間10-30分鐘。輝光清洗結(jié)束后，真空調(diào)節(jié)為2X KT1Pa,打開所述陰極電弧源6的Cr靶，對刀具基體轟擊5_30分鐘約50-300納米厚的Cr過渡層(底層)，偏壓保持在-400-1000V，占空比30-80% ;在轟擊完畢后，偏壓降到-50-200V，占空比10-80%，斷掉Ar氣，通入N2氣真空調(diào)節(jié)到1.0-3.0Pa，開始沉積CrN過渡層，沉積5-30分鐘約50-300納米。CrN過渡層沉積結(jié)束后，開啟所述高功率脈沖磁控濺射源4 (Al靶)及所述雙極脈沖磁控濺射靶2 (Si靶)，通過調(diào)節(jié)N2把真空控制在0.F3Pa,偏壓占空比不變，打開所述陰極電弧源6 (Ti和Cr多弧靶)開始制備CrTiAlSiN，沉積時間40-100分鐘，結(jié)束后，自然冷卻，當溫度降到50°C以下時，取出工件。[0032]本發(fā)明使用動態(tài)電磁場驅(qū)動電弧源，可以有效抑制電弧離子鍍蒸鍍過程中產(chǎn)生的微液滴。由于傳統(tǒng)的磁控濺射存在沉積速率低，靶面刻蝕不均勻和靶材的利用率低等缺點，通過改進磁路布置、改變磁場的施加方式，優(yōu)化等離子體分布，可以改善此問題。為改善膜層的沉積質(zhì)量，研發(fā)出了非平衡磁控濺射技術(shù)；采用孿生對靶的雙極脈沖磁控濺射設計，可以避免出現(xiàn)濺射靶中毒和打火的現(xiàn)象，提高沉積的效率。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)(HIPIMS)是近年來發(fā)展起來的一種高離化率PVD技術(shù)，該技術(shù)是利用較高的脈沖峰值功率來實現(xiàn)產(chǎn)生高金屬離化率(>50%)。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)綜合了磁控濺射表面光滑、無顆粒缺陷和電弧離子鍍離化率高、膜基結(jié)合力強、涂層致密的優(yōu)點，且離子束流不含大顆粒，在控制涂層微結(jié)構(gòu)的同時獲得優(yōu)異的膜基結(jié)合力，在降低涂層內(nèi)應力，以及提高涂層致密性、均勻性，尤其是對復雜幾何形狀工件沉積材料到不同區(qū)域的導向等都具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。
[0033]本發(fā)明充分利用了多弧離子鍍、高能脈沖磁控濺射及離子源轟擊的優(yōu)點:(1)動態(tài)電磁驅(qū)動陰極電弧可以有效抑制液滴，(2)雙極脈沖及高能脈沖磁控濺射可以有效提高靶材的利用率及氣體離化率，增強繞射性及涂層均勻性，(3)陽極層離子源在鍍膜過程中的轟擊能夠提高膜層的致密性及結(jié)合力。同時采用閉循環(huán)氣體控制系統(tǒng)，對反應時的電壓、氣流量進行精確的控制。此外，多元納米復合涂層的制備對設備的要求越來越高，納米復合結(jié)構(gòu)的多元涂層通過添加不同金屬或非金屬元素，優(yōu)化涂層成分、結(jié)構(gòu)，可以獲得高硬度、良好的韌性以及優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性等。采用多弧離子鍍、雙極脈沖和高功率脈沖濺射的綜合技術(shù)，可以使涂層材料的選擇更為廣泛。本發(fā)明可以實現(xiàn)在各種基片和刀具上沉積各種多種材質(zhì)的納米復合、多層薄膜。
[0034]本發(fā)明通過以上結(jié)構(gòu)，不僅可以制備純金屬、合金、反應膜層，還可以制備多元、多層納米復合涂層，含氧涂層，以滿足形狀和大小不一的金屬切削刀具，達到高速加工的要求。
[0035]以上結(jié)合具體實施例描述了本發(fā)明的技術(shù)原理。這些描述只是為了解釋本發(fā)明的原理，而不能以任何方式解釋為對本發(fā)明保護范圍的限制?；诖颂幍慕忉?，本領域的技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可聯(lián)想到本發(fā)明的其它【具體實施方式】，這些方式都將落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，其特征在于:包括真空室、雙極脈沖磁控濺射靶、矩形的陽極層氣體離子源、高功率脈沖磁控濺射源、偏壓電源、陰極電弧源、工件架和支座； 所述真空室為密封結(jié)構(gòu)，其上開設有抽氣口，所述雙極脈沖磁控濺射靶、陽極層氣體離子源、高功率脈沖磁控濺射源、陰極電弧源和工件架固定在所述真空室內(nèi)，所述支座與所述工件架連接； 所述工件架為導電材質(zhì)，與所述旋轉(zhuǎn)支架連接，位于所述雙極脈沖磁控濺射靶、陽極層氣體離子源、高功率脈沖磁控濺射源和陰極電弧源之間；所述工件架與所述真空室絕緣，所述真空室接地，所述偏壓電源的陽極連接真空室，陰極連接所述工件架； 所述雙極脈沖磁控濺射靶、陽極層氣體離子源、高功率脈沖磁控濺射源、偏壓電源和陰極電弧源分別通過五組單獨的開關(guān)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，其特征在于:所述真空室內(nèi)設有四個所述陰極電弧源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，其特征在于:所述陰極電弧源電源使用真空電弧直流逆變電源，設有氣動自動引弧系統(tǒng)，手動引弧裝置和實時在線監(jiān)測裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，其特征在于:所述真空室內(nèi)設有一個高功率脈沖磁控濺射源，其采用非平衡磁場布置，單向柱狀或者平板靶可調(diào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，其特征在于:真空室內(nèi)設有兩塊單向非平衡柱狀所述雙極脈沖磁控濺射靶，所述雙極脈沖磁控濺射靶與所述真空室絕緣，兩`塊所述雙極脈沖磁控濺射靶采用孿生對靶設計，互為陰陽極；該孿生對靶采用非平衡磁場布置，單向柱狀或者平板靶可調(diào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，其特征在于:所述陽極層氣體離子源的陰極與所述真空室連接，其陽極與所述真空室絕緣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，其特征在于:所述真空室內(nèi)還設有高溫加熱裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，其特征在于:所述工件架設有工件的公轉(zhuǎn)機構(gòu)和自轉(zhuǎn)機構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機，其特征在于:所述真空室采用閉循環(huán)氣體控制系統(tǒng)。
10.使用如權(quán)利要求1-9任意一項所述的用于刀具涂層沉積的多功能全自動離子鍍膜機的方法，其特征在于:步驟包括: 將硬質(zhì)合金刀具清洗干凈，裝夾在工件架上，開始抽真空，當真空度高于5X 10_3Pa時，開始加熱除氣，溫度控制在300-600°C，工件架保持6-10rpm的轉(zhuǎn)速； 當真空度2_5X IO-3Pa時，通入Ar氣，打開所述偏壓電源，對工件進行輝光清洗，真空保持在0.F2Pa,偏壓為500-1000V,占空比60_80%，輝光時間10-30分鐘； 輝光清洗結(jié)束后，真空調(diào)節(jié)為2 X IO-1Pa,打開所述陰極電弧源的Cr靶，對刀具基體轟擊5-30分鐘約50-300納米厚的Cr過渡層，偏壓保持在-400-1000V，占空比30-80% ；在轟擊完畢后，偏壓降到-50-200V，占空比10-80%，斷掉Ar氣，通入N2氣真空調(diào)節(jié)到·1.0-3.0Pa,開始沉積CrN過渡層，沉積5_30分鐘約50-300納米； CrN過渡層沉積結(jié)束后，開啟所述高功率脈沖磁控濺射源及所述雙極脈沖磁控濺射靶，通過調(diào)節(jié)N2把真空控制在0.r3Pa，偏壓占空比不變，打開所述陰極電弧源，開始制備CrTiAlSiN,沉 積時間40-100分鐘，結(jié)束后，自然冷卻，當溫度降到50°C以下時，取出工件。
【文檔編號】C23C14/46GK103695858SQ201310729628
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】王啟民, 王成勇, 伍尚華, 鄒長偉 申請人:廣東工業(yè)大學