專利名稱:用工業(yè)純原料氣進(jìn)行等離子化學(xué)氣相沉積的涂層方法與設(shè)備的制作方法
本發(fā)明屬于金屬表面處理中制備金屬化合物涂層的方法與設(shè)備。
目前工業(yè)上制備TiN、TiC、Al2O3、Si3N4等金屬化合物涂層的方法和相應(yīng)的設(shè)備，有化學(xué)氣相沉積(CVD)、熔鹽鍍滲(TD)和物理氣相沉積(PVD)，其中PVD包括濺射鍍膜和離子鍍膜等技術(shù)。CVD和TD沉積溫度一般為900～1200℃，對鋼制工模具表面沉積超硬膜來說，沉積溫度過高，需要重新淬火，變形嚴(yán)重。PVD則需10-5mmHg以上的高真空，且一般要使工件在設(shè)備內(nèi)作復(fù)雜的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，或者作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，設(shè)備造價(jià)和使用維護(hù)費(fèi)用昂貴。CVD和TD因受容器高溫剛度的限制，難于沉積大型工件。CVD和PVD還有一個(gè)共同的缺點(diǎn)是對原料氣要求苛刻，必須是99.999%以上的高純氣體，這種高純氣體價(jià)格貴，運(yùn)輸困難。近年來各國正在致力于研究等離子化學(xué)氣相沉積(Plasma CVD)，包括輝光放電作用下的CVD，使用的原料氣也是高純氣。另一方面，目前在工業(yè)上已廣泛應(yīng)用的離子轟擊爐，一般只用于進(jìn)行離子氮化和離子軟氮化等工藝，而未用來制備金屬化合物涂層。
本發(fā)明的目的在于提供一種使用純度較低、運(yùn)輸方便、價(jià)格便宜的工業(yè)純氣體作原料氣，在低溫、低真空、電壓低于1000V、工件不旋轉(zhuǎn)、廢氣排放符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)的條件下制備金屬化合物涂層的方法與設(shè)備。
下面用附圖來說明本發(fā)明所用等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備的組成和工藝流程。如圖所示工業(yè)純NH3由鋼瓶1通過NH3分解爐4和NH3分解氣干燥系統(tǒng)5后，其出口處殘NH3＜0.01%。鋼瓶10、21、31分別為裝工業(yè)純Ar、工業(yè)純H2、工業(yè)純活性反應(yīng)氣體的鋼瓶，氣體凈化系統(tǒng)13、24、34分別為上述三種相應(yīng)的氣體之凈化系統(tǒng)。各氣體凈化系統(tǒng)都是能將水份和殘O2降至0.01%以下的硅膠、分子篩、鈀篩吸附塔組成的系統(tǒng)。清除工業(yè)純活性反應(yīng)氣體和工業(yè)純Ar中殘O2所需的H2由工業(yè)純H2鋼瓶21提供，配入量1～5%。工業(yè)純Ar凈化所需的H2也可由經(jīng)干燥的NH3分解氣來得到，配入量2～7%。上述原料氣處理系統(tǒng)如圖示，用管道相連接，并用氣體流量計(jì)2、6、8、11、14、16、22、25、27、29、32、35和針閥3、7、9、12、15、17、20、23、26、28、30、33、36、37調(diào)節(jié)。原料氣處理系統(tǒng)視需沉積的金屬化合物種類和原料氣來源選定，可以是包括工業(yè)純NH3分解干燥系統(tǒng)、工業(yè)純Ar凈化系統(tǒng)、工業(yè)純H2凈化系統(tǒng)、工業(yè)純活性反應(yīng)氣體凈化系統(tǒng)四者都有的原料氣處理系統(tǒng)，也可以是只有后三者組成的原料氣處理系統(tǒng)，還可以是只有前二者構(gòu)成的原料氣處理系統(tǒng)。金屬鹵化物或其它液體汽化裝置是由汽化瓶18和相應(yīng)的恒溫浴19組成，可有多套，彼此并聯(lián)，以備沉積不同金屬化合物使用。被汽化的金屬鹵化物蒸汽或其它蒸汽由凈化的Ar氣載帶或靠本身的飽和蒸汽壓向真空室38輸送。由真空室38、堿吸收阱43、油封式真空泵45、水環(huán)式真空泵46以及離子電源47等部份組成的離子轟擊爐，實(shí)質(zhì)是經(jīng)過改進(jìn)的離子氮化爐。重要的改進(jìn)是真空室38內(nèi)壁涂以耐熱抗蝕涂料，最好是噴涂氟塑料;兼作陽極的供氣噴咀39均勻包圍工件40和陰極41，以保證工件各部位能不斷獲得新鮮的工作氣體和蒸汽;在排氣管道的真空閥門42和44之間設(shè)置堿吸收阱43，內(nèi)盛NaOH或其它堿性吸收劑，其作用是吸收反應(yīng)副產(chǎn)物和過濾廢氣;水環(huán)式真空泵46是用10%NaOH水溶液作工作液，其作用是提高抽氣能力并使廢氣排放符合中國國家標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明使用工業(yè)純原料氣，包括工業(yè)純Ar、工業(yè)純H2、工業(yè)純活性反應(yīng)氣體以及工業(yè)純NH3，通入本發(fā)明使用的等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備后，即變成符合工藝要求的工作氣體。不論制備哪種金屬化合物，工作氣體中H2占5～45%，Ar占55～95%體積比。采用大配比的Ar目的是穩(wěn)定輝光放電和促進(jìn)鹵素自工件表面解吸?；钚苑磻?yīng)氣體和金屬鹵化物或其它液體的蒸汽輸進(jìn)離子轟擊爐的數(shù)量，最多不超過10%，其配比按需沉積的金屬化合物分子式來決定。本發(fā)明在下列工藝參數(shù)下進(jìn)行PCVD涂層(1)、沉積溫度400～650℃;
(2)、真空度10～10-2mmHg;
(3)、電壓400～1000V;
(4)、工件不旋轉(zhuǎn)，也不作其它形式的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明涂層的沉積速度可很高，但為涂層質(zhì)量計(jì)通?？刂圃?～5μ/h。工藝流程中如工件的除油、濺射清洗等等其它要求與已有技術(shù)相同。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)(1)、解決了涂層沉積技術(shù)應(yīng)用中原料氣純度要求苛刻的難題。
(2)、沉積工藝可在較低溫度下，甚至在高速鋼軟化溫度以下進(jìn)行，擴(kuò)展了金屬涂層技術(shù)的應(yīng)用范圍。
(3)、所用設(shè)備屬低真空設(shè)備，且工件不旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡單，造價(jià)較低。
(4)、由于工件不在爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)水冷爐壁不受高溫剛度的限制，故可制成大型設(shè)備處理大型工件或提高生產(chǎn)率。
(5)、對離子轟擊爐所作的改進(jìn)，成功地防止了設(shè)備腐蝕和廢氣排放的污染問題。
(6)、為已在工業(yè)上廣泛應(yīng)用的離子氮化爐找到了一個(gè)新的用途。
實(shí)施例用工業(yè)純NH3和工業(yè)純Ar作原料氣，經(jīng)本發(fā)明的設(shè)備處理，與TiCl4飽和蒸汽一道送入所述等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備的離子轟擊爐內(nèi)，各氣體的配比為NH3分解氣占10～40%，Ar占60～90%，TiCl4量由恒溫器控制的溫度30～50℃來決定，在總壓5～10-1mmHg范圍內(nèi)、沉積溫度400～550℃、電壓400～1000V、沉積速度為1～3μ/h、工件不旋轉(zhuǎn)也不往復(fù)運(yùn)動(dòng)的條件下，經(jīng)約1～3hr沉積，可在經(jīng)過熱處理硬化的高速鋼車刀表面獲得一層3～7μ厚，Hv0.05≥1700kg/mm2的均勻的金黃色TiN涂層，其切削使用壽命顯著提高。
權(quán)利要求
1.一種輝光放電作用下進(jìn)行化學(xué)氣相沉積制備金屬化合物涂層的方法，其特征在于將工業(yè)純原料氣通入一種等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備，與至少一種金屬鹵化物蒸汽一道輸進(jìn)設(shè)備的離子轟擊爐，在溫度400～650℃、真空度10～10-2mmHg、電壓400～1000V以及工件不旋轉(zhuǎn)的條件下進(jìn)行等離子化學(xué)氣相沉積(PCVD)，在工件表面獲得金屬化合物涂層的方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征為在制備金屬化合物涂層時(shí)，用工業(yè)純H2、工業(yè)純Ar和工業(yè)純的活性反應(yīng)氣體作原料氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于制備金屬氮化物涂層時(shí)，可用工業(yè)純NH3和工業(yè)純Ar作原料氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1、2、3所述的方法，其特征在于輸進(jìn)離子轟擊爐的H2占5～45%，Ar占55～95%。
5.本發(fā)明使用的等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備，其特征在于由原料氣處理系統(tǒng)、金屬鹵化物或其它液體汽化的裝置以及離子轟擊爐各部份所組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備，其特征在于其中原料氣處理系統(tǒng)，視需沉積的金屬化合物種類和原料氣來源，可以包括工業(yè)純NH3分解干燥系統(tǒng)、工業(yè)純Ar凈化系統(tǒng)、工業(yè)純H2凈化系統(tǒng)和工業(yè)純的活性反應(yīng)氣體凈化系統(tǒng)四者都有的系統(tǒng)，也可以是由后三者組合的系統(tǒng)，還可以是只由前二者組合的系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5和6所述的原料氣處理系統(tǒng)，其特征在于其中NH3分解干燥系統(tǒng)是一種可以將殘NH3降至0.01%以下的由NH3分解爐與硅膠分子篩吸附塔組成的系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求
5和6所述的原料氣處理系統(tǒng)，其特征在于其中工業(yè)純Ar、工業(yè)純H2、工業(yè)純活性反應(yīng)氣體凈化系統(tǒng)，是能分別將其水份和殘O2降至0.01%以下的硅膠、分子篩、鈀篩吸附塔組成的系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求
5所述等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備，其特征在于其中金屬鹵化物或其它液體汽化的裝置是至少能將一種金屬鹵化物或其他液體進(jìn)行恒溫汽化的汽化瓶和恒溫浴。
10.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備，其特征在于其中離子轟擊爐是經(jīng)過改進(jìn)的包括真空室、堿吸收阱、油封式真空泵、水環(huán)式真空泵和離子電源所組成的離子氮化爐。
11.根據(jù)權(quán)利要求
5和10所述的等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備，其特征在于真空室內(nèi)壁涂以耐熱抗蝕涂料。
12.根據(jù)權(quán)利要求
5和10所述的等離子化學(xué)氣相沉積設(shè)備，其特征在于真空室內(nèi)設(shè)有包圍工件并兼作陽極的供氣噴咀。
專利摘要
本發(fā)明屬于金屬表面處理中制備金屬化合物涂層的方法和設(shè)備。
文檔編號C23C16/30GK85100378SQ85100378
公開日1986年8月27日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者劉天相, 于錫裘, 何建國 申請人:湖南省機(jī)械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan