本發(fā)明屬于真空鍍膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種智能源擋板系統(tǒng)及其制備硬質(zhì)涂層的方法。

背景技術(shù)：

影響真空鍍膜性能的因素(從陰極電弧靶源CAE角度考慮)：

(1)氣體的釋放

任何材料表面在空氣中都會(huì)吸附氣體，在真空條件下開始逐步釋放。真空室預(yù)熱高溫可以加速真空室內(nèi)所有表面上吸附氣體的釋放。但是由于靶源都配有增強(qiáng)的水冷條件，靶材溫度較低，吸附的氣體無法加速釋放，從而影響了獲得高的本底真空和低的壓升率，造成真空室內(nèi)殘余氣體(主要是水汽)對(duì)鍍制氮化物涂層的質(zhì)量產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。

(2)CAE靶面的污染

CAE靶面的污染主要體現(xiàn)在2個(gè)工藝過程中:

其一，前一爐鍍膜過程中，靶面的氮化等，和靶面暴露大氣下的水汽吸附及真空預(yù)熱過程中的靶面氧化。開始放電鍍膜時(shí)，如果靶材表面已被污染，污染物首先蒸發(fā)出來，沉積到工件表面，導(dǎo)致膜基結(jié)合強(qiáng)度和涂層性能的降低。

其二，依據(jù)工藝的需求CAE靶源在交替工作中，當(dāng)某靶源處于非工作狀態(tài)時(shí)，其它靶源放電工作會(huì)對(duì)其產(chǎn)生污染。在鍍制多層膜或復(fù)合涂層時(shí)，不同靶源間接式工作方法，則會(huì)造成持續(xù)的靶源間相互污染，也會(huì)嚴(yán)重影響多層或復(fù)合涂層的質(zhì)量和性能。

總之，在開始鍍膜前，靶材表面的純凈程度將直接影響涂層的最終質(zhì)量。

針對(duì)上述問題，通常會(huì)在每套(組)靶源前分別設(shè)計(jì)和安裝源擋板系統(tǒng)。當(dāng)靶源不工作時(shí)，其源擋板關(guān)閉，防止靶面被污染；當(dāng)靶源要啟動(dòng)放電時(shí)，先打開源擋板。通常這樣的源擋板系統(tǒng)存在著一系列嚴(yán)重隱患或問題：

1)多套獨(dú)立開關(guān)的源擋板，需要配置多套源擋板開關(guān)系統(tǒng)。每套源擋板都必須帶一個(gè)或者二個(gè)動(dòng)密封傳動(dòng)軸，增加漏氣隱患；由于是無油真空環(huán)境，同時(shí)又充滿金屬碎屑和灰塵，金屬軸套很容易卡死，降低運(yùn)行可靠性；

2)靶源停止工作時(shí)，源擋板要求關(guān)閉嚴(yán)密。在真空室環(huán)境下幾乎無法實(shí)現(xiàn)，靶源表面仍會(huì)被污染；

3)源擋板關(guān)閉時(shí)，啟動(dòng)靶源放電(清洗靶材表面)，源擋板將接受強(qiáng)烈等離子體放電轟擊和加熱，一般源擋板都無法承受；

4)源擋板打開時(shí)，會(huì)占據(jù)真空室內(nèi)鍍膜區(qū)域，降低了鍍膜機(jī)寶貴的裝載空間和工件裝載量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種構(gòu)思合理，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，能有效降低真空室內(nèi)殘余氣體的含量，改善了氮化物涂層和工件基材表面的結(jié)合強(qiáng)度和氮化物涂層質(zhì)量，避免不同靶源間持續(xù)的相互污染，改善多層或復(fù)合涂層的質(zhì)量和性能的智能源擋板系統(tǒng)及其制備硬質(zhì)涂層的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

上述的智能源擋板系統(tǒng)，包括真空室、圓形齒圈、智能源擋板、齒輪減速電機(jī)和磁流體密封傳動(dòng)軸；所述真空室為圓柱體結(jié)構(gòu)，其周向側(cè)壁上設(shè)置有至少一種靶材的陰極電弧靶源；所述圓形齒圈吊裝于所述真空室的頂端內(nèi)側(cè)；所述智能源擋板吊裝于所述圓形齒圈的下方；所述齒輪減速電機(jī)安裝于所述真空室的頂端外側(cè)，其動(dòng)力輸出端裝有傳動(dòng)齒輪；所述磁流體密封傳動(dòng)軸安裝在所述真空室的頂端外側(cè)且上端安裝有外齒輪，所述磁流體密封傳動(dòng)軸的上端通過所述外齒輪與所述齒輪減速電機(jī)動(dòng)力輸出端的所述傳動(dòng)齒輪匹配嚙合；所述磁流體密封傳動(dòng)軸的下端伸入所述真空室內(nèi)部且安裝有內(nèi)齒輪，所述磁流體密封傳動(dòng)軸的下端通過所述內(nèi)齒輪與所述圓形齒圈匹配嚙合；所述齒輪減速電機(jī)通過所述磁流體密封傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)所述圓形齒圈在所述真空室內(nèi)做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)所述智能源擋板在所述真空室內(nèi)做圓周往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以使所述智能源擋板準(zhǔn)確停止在預(yù)設(shè)的擋板位置。

所述智能源擋板系統(tǒng)，其中：所述真空室的前側(cè)設(shè)有前門，后側(cè)設(shè)有抽氣口。

所述智能源擋板系統(tǒng)，其中：所述齒輪減速電機(jī)為帶有旋轉(zhuǎn)編碼器的齒輪減速電機(jī)。

所述智能源擋板系統(tǒng)，其中：所述真空室的周向側(cè)壁上設(shè)有四組陰極電弧靶源，每組所述靶源，由四個(gè)單獨(dú)的靶源組成。

一種智能源擋板系統(tǒng)制備硬質(zhì)涂層的方法，其具體操作流程為：

(1)涂層前的處理

鍍膜前，將高速鋼或硬質(zhì)合金刀具經(jīng)過除油、除銹、噴砂和清洗劑超聲波清洗，再經(jīng)過表面脫水和干燥處理，然后置于鍍膜室內(nèi)；

(2)抽真空

對(duì)真空室抽真空至3.0～0.8x10^-2Pa，進(jìn)行預(yù)加熱，至溫度400～550℃，加熱功率在4～40KW自動(dòng)調(diào)整；

(3)啟動(dòng)氬離子轟擊清洗

將氬氣流量控制在60～300Sccm，真空壓強(qiáng)控制在1.0～3.0Pa，基體偏壓控制在-600～-1200V，進(jìn)行180～1800sec的氬離子轟擊清洗過程；

(4)對(duì)真空室繼續(xù)抽真空，待達(dá)到4.0～9.0x10^-3Pa后進(jìn)行靶源預(yù)放電清潔過程；

(5)對(duì)真空室繼續(xù)抽真空，直到真空度達(dá)到3.0×10^-3Pa以上；

(6)檢測真空室壓升率：

關(guān)閉高真空閥，檢測壓升率，確保壓升率≤3.0×10^-2Pa/min；

(7)主弧金屬離子轟擊和金屬過渡層

(7.1)主弧金屬離子轟擊過程，即通入氬氣或氮?dú)猓髁繛?0～200Sccm，基體偏壓調(diào)至-400～-1200V，弧靶電流設(shè)定為50～100A，依次開啟一組靶源，維持轟擊清洗60～1200sec；

(7.2)金屬過渡層，即通入氬氣或氮?dú)?，流量?0～600Sccm，基體偏壓調(diào)至-200～-600V，弧靶電流設(shè)定為50～120A，維持一組或多組靶源放電，鍍制金屬過渡層60～600sec；

(8)鍍制氮化物涂層

氮?dú)饬髁空{(diào)至480～2000Sccm，基體偏壓調(diào)至-30～-200V，設(shè)定弧靶電流80～150A，同時(shí)開啟2-4組靶源，鍍膜時(shí)間為300～7200sec；

(9)鍍膜結(jié)束，真空室溫度冷卻至150～250℃后，向真空室充氣，充完氣后開啟真空室門，取出工件。

所述智能源擋板系統(tǒng)制備硬質(zhì)涂層的方法，其中，所述步驟(4)具體過程為：向真空室通入氬氣或氮?dú)?00～300Sccm，基體偏壓調(diào)至-200～-1200V；移動(dòng)智能源擋板，至其中一組靶源前方，設(shè)定弧靶電流80～150A，啟動(dòng)該組靶源放電，持續(xù)放電60～600sec，以實(shí)現(xiàn)對(duì)靶源表面的徹底清潔和除氣，由于靶源蒸發(fā)出來的污物全部收集到智能源擋板上，不會(huì)對(duì)待鍍工件造成污染；依次移動(dòng)智能源擋板分別至余下各列靶源前，完成對(duì)余下各列靶源表面的放電清潔和除氣。

有益效果：

本發(fā)明智能源擋板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、合理，其顯著優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)智能源擋板系統(tǒng)只有一個(gè)磁流體密封傳動(dòng)軸，簡化和大大減少了機(jī)械和密封結(jié)構(gòu)，也減少了運(yùn)行中的漏氣和卡死的可能性，而且磁流體密封傳動(dòng)軸不必占用真空室的中央位置；

(2)智能源擋板在真空室的圓周往復(fù)移動(dòng)，可以用于真空室外側(cè)安裝的各種不同靶源等遮蔽，且擋板位沒有數(shù)量和方位上的限制；

(3)智能源擋板能夠承受大部分靶源的最強(qiáng)放電轟擊和加熱；

(4)在靶源啟動(dòng)鍍膜前，先將智能源擋板移動(dòng)到靶源前，放電清洗靶面；靶源蒸發(fā)出的污染物收集到智能源擋板上，避免污染到被鍍工件上；靶源放電清潔后，將智能源擋板移動(dòng)到其它位置比如主抽氣口位，即刻進(jìn)入鍍膜沉積過程；

(5)智能源擋板不占用寶貴的鍍膜空間，智能源擋板可以足夠大，滿足所有各種不同靶源的遮蔽效果；

(6)源擋板系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)方式下的往復(fù)移動(dòng)和精確定位；會(huì)選擇最短距離，以最快速度移動(dòng)到目標(biāo)靶位；也可根據(jù)鍍膜工藝需要，選擇移動(dòng)智能源擋板的先后順序。

本發(fā)明智能源擋板系統(tǒng)制備硬質(zhì)涂層的方法構(gòu)思合理，操作流程簡單，其采用了智能源擋板系統(tǒng)后，真空室內(nèi)所有表面，包括所有靶源放電表面都可以進(jìn)行快速徹底除氣，縮短抽真空的時(shí)間，提高本底真空度，降低真空室的壓升率，有效降低真空室內(nèi)殘余氣體(主要是水汽)的含量，改善了氮化物涂層和工件基材表面的結(jié)合強(qiáng)度和氮化物涂層質(zhì)量；在進(jìn)行多層膜或復(fù)合膜鍍制時(shí)，也可避免不同靶源間持續(xù)的相互污染，改善多層或復(fù)合涂層的質(zhì)量和性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明智能源擋板系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明智能源擋板系統(tǒng)去掉真空室后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明智能源擋板系統(tǒng)應(yīng)用于真空離子鍍膜機(jī)上的俯視圖。

具體實(shí)施方式

如圖1至3所示，本發(fā)明智能源擋板系統(tǒng)，包括真空室1、圓形齒圈2、智能源擋板3、齒輪減速電機(jī)4、磁流體密封傳動(dòng)軸5和靶源6。

該真空室1整體呈圓柱形，其前側(cè)設(shè)有前門11，后側(cè)設(shè)有主抽氣口12，頂部設(shè)有頂板13；其中，該真空室1的周向側(cè)壁上還設(shè)置有編號(hào)為A、B、C、D的四組同種或不同靶材的陰極電弧靶源(CAE)6，每組靶源6由四個(gè)單獨(dú)的靶源組成。

該圓形齒圈2吊裝于該真空室1的頂端內(nèi)側(cè)。

該智能源擋板3吊裝于該圓形齒圈2的下方。

該齒輪減速電機(jī)4安裝于該真空室1的頂板13外側(cè)，其為帶有旋轉(zhuǎn)編碼器的齒輪減速電機(jī)且動(dòng)力輸出端裝有傳動(dòng)齒輪。

該磁流體密封傳動(dòng)軸5安裝在真空室1的頂板13外側(cè)，其上端安裝有外齒輪51并通過外齒輪51與齒輪減速電機(jī)4動(dòng)力輸出端的傳動(dòng)齒輪匹配嚙合；該磁流體密封傳動(dòng)軸5下端穿過真空室1的頂板13并伸入真空室1內(nèi)部，該磁流體密封傳動(dòng)軸5伸入真空室1內(nèi)部的下端安裝有內(nèi)齒輪52并通過內(nèi)齒輪52與圓形齒圈2匹配嚙合。

其中，齒輪減速電機(jī)4通過磁流體密封傳動(dòng)軸5驅(qū)動(dòng)圓形齒圈2在真空室1內(nèi)做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)智能源擋板3在真空室1內(nèi)做圓周往復(fù)運(yùn)動(dòng)；智能源擋板3可以準(zhǔn)確停止在任意預(yù)設(shè)的擋板位置。

如圖3所示，智能源擋板3位置編號(hào)①位對(duì)應(yīng)后抽氣口12，②位對(duì)應(yīng)D組靶源，③位對(duì)應(yīng)B組靶源，④位對(duì)應(yīng)前門11，⑤位對(duì)應(yīng)A組靶源，⑥位對(duì)應(yīng)C組靶源。

本發(fā)明智能源擋板系統(tǒng)可以通過手動(dòng)或者自動(dòng)控制，將智能源擋板3準(zhǔn)確停止在上述任意一個(gè)擋板位置上。根據(jù)所有各種不同靶源6、主抽氣口12、前門11等在真空室1外側(cè)的空間布置，可預(yù)設(shè)擋板停止位置，而且擋板位也沒有數(shù)量和方位上的限制。

同時(shí)，在開啟A組靶源之前，先將智能源擋板3移動(dòng)并停在擋板⑤位，然后開啟A組靶源放電；這時(shí)A組靶材表面的污染物蒸發(fā)出來，全部收集到智能源擋板3上，不會(huì)污染到被鍍工件7的表面上；靶材露出新鮮表面后，再將智能源擋板3移開，純凈的靶材材料涂覆到工件7表面上；通過這種方式，可以保證每組靶源在鍍膜時(shí)，都不會(huì)有異物污染到被鍍產(chǎn)品上，保證產(chǎn)品的鍍膜質(zhì)量。

本發(fā)明智能源擋板系統(tǒng)制備硬質(zhì)涂層的方法，具體操作流程為：

S010、涂層前的處理

鍍膜前，將高速鋼或硬質(zhì)合金刀具經(jīng)過除油、除銹、噴砂和清洗劑超聲波清洗，再經(jīng)過表面脫水和干燥處理，然后工件置于鍍膜室內(nèi)；

S020、抽真空

對(duì)真空室抽真空至3.0～0.8x10^-2Pa，并進(jìn)行預(yù)加熱，溫度400～550℃，加熱功率在4～40KW自動(dòng)調(diào)整；

S030、啟動(dòng)氬離子轟擊清洗

氬氣流量控制在60～300Sccm，真空壓強(qiáng)控制在1.0～3.0Pa，工件偏壓控制在-600～-1200V，進(jìn)行180～1800sec的氬離子轟擊清洗過程；

S040、對(duì)真空室繼續(xù)抽高真空，待達(dá)到4.0～9.0x10^-3Pa后，進(jìn)行靶源預(yù)放電清潔過程：具體過程為：向真空室通入氮?dú)?00～300Sccm，工件偏壓調(diào)至-200～-1000V；移動(dòng)智能源擋板到5位，即A組CAE靶源前方，設(shè)定弧靶電流50～150A，啟動(dòng)CAE-A靶源的放電，持續(xù)放電60～600sec，以實(shí)現(xiàn)靶源表面的徹底清潔和除氣，同時(shí)由靶源蒸發(fā)出來的污物全部收集到智能源擋板上，不污染待鍍工件；移動(dòng)智能源擋板分別至⑥、②、③位，依次完成對(duì)CAE-C、D和B組靶源等靶面的放電清潔和除氣；

S050、對(duì)真空室繼續(xù)抽高真空，直到真空度達(dá)到3.0×10^-3Pa以上；(由于經(jīng)過真空室預(yù)加熱和所有靶源的預(yù)放電清洗和除氣，本底真空會(huì)更快達(dá)到，縮短抽真空的總時(shí)間)；

S060、檢測真空室漏率

關(guān)閉高真空閥(V3)，檢測壓升率，確保壓升率≤3.0×10^-2Pa/min；(真空室壓升率達(dá)標(biāo)，表明真空室內(nèi)已經(jīng)足夠清潔，殘余氣體已控制在低水平，可以開始鍍膜過程。如果真空室壓升率不能達(dá)標(biāo)，說明本底真空度設(shè)定還不夠高，需要調(diào)整)；

S070、主弧金屬(Ti或Cr、Zr、TiAl、AlTi、AlCr等)離子轟擊和金屬過渡層

S071、主弧金屬(Ti或Cr、Zr、TiAl、AlTi、AlCr等)轟擊過程

通入氬氣或氮?dú)猓髁繛?0～200Sccm，偏壓調(diào)至-400～-1200V，弧靶電流設(shè)定為50～100A，依次開啟A組CAE-Ti(或Cr、Zr、TiAl、AlTi、AlCr等)靶源，維持轟擊清洗60～1200sec；

S072、金屬過渡層

通入氬氣或氮?dú)?，流量?0～600Sccm，偏壓調(diào)至-200～-600V，弧靶電流設(shè)定為50～120A，維持CAE-Ti(或Cr、Zr、TiAl、AlTi、AlCr等)靶源放電，鍍制Ti過渡層60～600sec；

S080、鍍制氮化物涂層

氮?dú)饬髁空{(diào)至480～2000Sccm，偏壓調(diào)至-30～-200V，設(shè)定弧靶電流80～150A，同時(shí)開啟2-4組CAE-Ti或Cr、Zr、TiAl、AlTi、AlCr等靶源，鍍膜時(shí)間為300～7200sec；

S090、鍍膜結(jié)束，真空室溫度冷卻至150～250℃后，向真空室充氣，充完氣后開啟真空室門，取出工件。

本發(fā)明智能源擋板系統(tǒng)的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，一套系統(tǒng)可應(yīng)用于真空室內(nèi)所有不同的靶源、主抽氣口、前門等，擋板位沒有數(shù)量和外圍方位上的限制，智能源擋板能夠承受最強(qiáng)放電轟擊和加熱，保證鍍膜前所有靶源靶面的徹底清潔，靶源蒸發(fā)出的污染物收集到智能源擋板上，也可實(shí)現(xiàn)所有靶源的預(yù)放電清洗，智能源擋板實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)和精確定位。

本發(fā)明智能源擋板系統(tǒng)制備硬質(zhì)涂層的方法構(gòu)思合理，操作簡單，其采用智能源擋板系統(tǒng)后，真空室內(nèi)所有表面，包括靶源放電表面都可以進(jìn)行快速徹底除氣，縮短抽真空的時(shí)間，提高本底真空度，降低真空室的壓升率，有效降低真空室內(nèi)殘余氣體(主要是水汽)的含量，改善硬質(zhì)涂層和工件基材表面的結(jié)合強(qiáng)度和硬質(zhì)涂層質(zhì)量；在進(jìn)行多層膜或復(fù)合膜鍍制時(shí)，也可避免不同靶源間持續(xù)的相互污染，改善多層或復(fù)合涂層的質(zhì)量和性能。