專利名稱：交變電場(chǎng)真空離子沉積方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空離子沉積技術(shù)，具體地說是涉及在工件上施加交變電壓的真空離子沉積方法及設(shè)備。
已知的真空離子沉積技術(shù)中按使用的離子源的不同而分為多種，如磁控濺射、空心陰極、熱絲弧、真空陰極電弧等方法，其中以真空陰極電弧法的綜合優(yōu)點(diǎn)較多而引人注目。真空陰極電弧離子沉積法的最早的專利是1961年提出的，以后不斷對(duì)之進(jìn)行了改進(jìn)和發(fā)展，典型的如美國(guó)專利NO3836451，都是圍繞對(duì)離子源進(jìn)行改進(jìn)的。這些技術(shù)的發(fā)明與發(fā)展，對(duì)工具上沉積超硬膜、渦輪葉片上獲得高溫抗蝕涂層之類的貴重工件的使用壽命的提高，都起了十分重大的作用。然而為了防止燒毀設(shè)備與工件，已知技術(shù)都是使用配備多重保護(hù)環(huán)節(jié)和高速滅弧電子開關(guān)的大功率電壓連續(xù)可調(diào)的高壓可控整流直流電源，對(duì)工件施加直流負(fù)偏壓，用這種穩(wěn)恒的直流電場(chǎng)來引導(dǎo)離子對(duì)工件進(jìn)行轟擊。這種電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、易損壞、操作和維修要求較高。此外，就已知技術(shù)中目前最引人注目的真空陰極電弧法來說，所用的離子源陰極要么是在靶的外園面上進(jìn)行直接式水冷，要么是在靶的端面上進(jìn)行間接式水冷。前者難于用在需要將各種成份的合金鋼等易銹蝕材料沉積到工件表面的場(chǎng)合;后者則靶材利用率低，且難于實(shí)現(xiàn)靶的工作面位置的連續(xù)調(diào)整。以上諸端弊病，使得已知技術(shù)中的各種真空離子沉積方法和設(shè)備至今未能在工業(yè)生產(chǎn)中大面積推廣，更沒有人將這類技術(shù)用在當(dāng)今世界上最量大面廣的一般鋼鐵材料制造的工件，如齒輪、軸、軸承、建筑裝飾件、日用器具等的表面強(qiáng)化、防蝕及裝飾上。工件表面強(qiáng)化，特別是鋼鐵制造的工件的表面強(qiáng)化，過去人們總是千方百計(jì)地設(shè)法將元素強(qiáng)制滲入，例如滲碳、滲氮、滲金屬等，這種使原子在金屬固體晶格內(nèi)遷移的辦法需要很高的溫度，非常長(zhǎng)的時(shí)間，而且還難于同時(shí)滲入比較多的元素，滲層的化學(xué)成份也很難精確控制;采用電鍍的辦法，通常只能得到與工件表面機(jī)械貼附的膜層，沒有冶金的結(jié)合，易于剝落，而且這種方法往往對(duì)環(huán)境造成污染;因此工件表面合金化，特別是鋼鐵制工件的表面合金化，是人們長(zhǎng)期以來渴望解決而未真正有效解決的一個(gè)技術(shù)難題。
本發(fā)明提出了在工件上施加獨(dú)立的交變電壓以取代穩(wěn)恒直流偏壓的交變電場(chǎng)真空離子沉積方法和設(shè)備。用本發(fā)明的方法和設(shè)備進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。出人意料地在導(dǎo)體和非導(dǎo)體工件的表面獲得了化學(xué)成份與離子源陰極材料完全相同、金相組織更加細(xì)密、與工件結(jié)合力十分理想的沉積層，效果不但與工件不帶電根本不同，而且在晶粒的細(xì)化以及沉積層脫除有害氣體等方面，甚至比直流偏壓法還要好一些。這一發(fā)現(xiàn)消除了人們長(zhǎng)期以來認(rèn)為交變電場(chǎng)在工件處于正半周電位時(shí)會(huì)排斥離子，因而不能用于真空離子沉積作為工件偏壓，并且認(rèn)為工件直流負(fù)偏壓愈穩(wěn)恒愈好的偏見。本發(fā)明的第一個(gè)目的，是用更方便而成本低得多的交變電場(chǎng)法，特別是就用工頻三相交流電提供的交變電場(chǎng)法取代設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本很高的直流偏壓法來獲得質(zhì)地優(yōu)良的沉積層。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是提出一種新結(jié)構(gòu)真空陰極電弧靶離子源本體，使得人們從此可以采用鋼鐵之類的易銹蝕材料作離子源陰極，同時(shí)還能做到連續(xù)進(jìn)給以調(diào)整不斷消耗的離子源陰極的工作面的位置，特別是新舊靶可以反復(fù)接長(zhǎng)，從而可以使離子源陰極材料利用率從已知技術(shù)的不到70%提高到近百分之百。任何真空離子沉積技術(shù)要為工業(yè)大生產(chǎn)所能接受，必須同時(shí)解決上述這些問題。已知技術(shù)至今還沒有哪種能同時(shí)解決上述問題。本發(fā)明的離子源本體同交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備相結(jié)合，卻可達(dá)到這個(gè)目的。
本發(fā)明再一個(gè)目的，是提出一種將工件基體的主元素同所需的合金元素一道轉(zhuǎn)移到工件表面，在工件表面進(jìn)行外延式的結(jié)晶生長(zhǎng)，直接獲得表面合金層的材料強(qiáng)化新方法。傳統(tǒng)的化學(xué)熱處理技術(shù)不能獲得任意指定元素種類和成份的表面合金層;即使是它能做到的某些特定的元素的表面合金化，例如滲碳、滲氮、滲金屬，也由于要依靠原子在工件基體的固態(tài)晶格內(nèi)部強(qiáng)制遷移、擴(kuò)散，才能形成一定厚度的表面層，所以需要很高的工藝溫度，很長(zhǎng)的工藝時(shí)間，且會(huì)污染環(huán)境。按本發(fā)明提出的方法，不僅不再需要高溫，而且表面層生長(zhǎng)速度極快，又是同樣晶格類型、相近晶格參數(shù)的外延式結(jié)晶生長(zhǎng)出來的表面層，結(jié)合力強(qiáng)，特別是對(duì)元素的種類和成份不再限制，使得工件表面任意指定元素種類和任意指定成份的表面合金化這樣一個(gè)人們長(zhǎng)期以來就渴望解決而一直未能很好解決的技術(shù)難題，真正有效地獲得解決。
本發(fā)明方法的要點(diǎn)，是采用為實(shí)施本方法而設(shè)計(jì)的交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備，先對(duì)工件進(jìn)行預(yù)清洗、裝夾、抽真空，然后將離子源產(chǎn)生的等離子體中的離子和電子發(fā)射到該設(shè)備中的反射極與工件極，或者當(dāng)工件為非導(dǎo)體時(shí)，發(fā)射到反射極與加速柵極之間的獨(dú)立的交變電場(chǎng)之中，受其作用而交替地轟擊到工件表面。先在200～1000V的電壓下對(duì)工件交替地進(jìn)行離子和電子轟擊加熱、電子轟擊除氣、離子轟擊清洗，待真空度回升，即將交變電場(chǎng)的電壓降低到30～200V，對(duì)工件進(jìn)行離子沉積，最后冷卻取出工件。
當(dāng)所用的交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備以真空陰極電弧靶為離子源陰極時(shí)，提供離子的靶材可以含有欲獲工件表面層任何種類和成份的化學(xué)元素，當(dāng)要求實(shí)現(xiàn)工件表面合金化時(shí)，可用能夠進(jìn)行外延式結(jié)晶生長(zhǎng)的與工件有相同主成份并含有其它所需要的元素的合金靶，或者當(dāng)要求實(shí)現(xiàn)工件表面鍍膜時(shí)，可用與工件基體主成份元素不同的單質(zhì)或合金靶，在這兩種情況下，必要時(shí)都可以用向真空室內(nèi)通入反應(yīng)性氣體的辦法，伴隨著使工件表面沉積層變質(zhì)和改性。
下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明的設(shè)備

圖1是交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備示意圖;
圖2是用于交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備的新舊靶可以反復(fù)接長(zhǎng)和連續(xù)進(jìn)給的間接冷卻式的整體化真空陰極電弧靶離子源本體的示意圖。
圖1所示的交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備主要由主機(jī)、真空獲得系統(tǒng)(未示出)、氣體供給和氣壓測(cè)控系統(tǒng)(未示出)、冷卻水系統(tǒng)(未示出)、離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕、交變電源〔3〕、電氣測(cè)控系統(tǒng)(未示出)、溫度測(cè)控系統(tǒng)(未示出)等組成。環(huán)繞真空室〔14〕的室壁均勻設(shè)置離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕和離子源熱屏〔17〕，離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中的離子源陰極分別用導(dǎo)線〔4〕、〔6〕、〔7〕與真空室外各自的離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的負(fù)輸出端相聯(lián)，離子源熱屏〔17〕則用導(dǎo)線〔5〕與離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的所有正輸出端聯(lián)在一起，離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕提供的電能在離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中的離子源陰極同離子源熱屏〔17〕之間引起真空放電，產(chǎn)生和發(fā)射等離子體，從而構(gòu)成離子源。主機(jī)的真空室〔14〕內(nèi)還設(shè)置反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕和工件極〔16〕，反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分別環(huán)繞離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕設(shè)置。工件極〔16〕則位于真空室〔14〕的中央，工件〔18〕置于工件極〔16〕上，反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分別用導(dǎo)線〔10〕、〔8〕、〔9〕與真空室外的對(duì)電網(wǎng)電隔離且與離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕沒有電聯(lián)系的獨(dú)立的交變電源〔3〕各相的輸出端〔A〕、〔B〕、〔C〕相聯(lián)，工件極〔16〕則用導(dǎo)線〔13〕與交變電源〔3〕輸出端結(jié)點(diǎn)〔0〕相聯(lián);當(dāng)工件〔18〕為非導(dǎo)體時(shí)，在反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕與工件〔16〕，之間附設(shè)一導(dǎo)電的加速柵極〔15〕，加速柵極〔15〕與工件極〔16〕之間用使兩者等電位的導(dǎo)線〔12〕相聯(lián)。交變電源〔3〕在反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕與工件極〔16〕，或者當(dāng)工件〔18〕為非導(dǎo)體時(shí)在反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕與加速柵極〔15〕之間，產(chǎn)生對(duì)離子源發(fā)射的等離子體中的離子和電子起作用，引導(dǎo)其交替地轟擊到工件〔18〕表面的交變電場(chǎng)。離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中各離子源陰極的工作面與離子源熱屏〔17〕及各自周圍的反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕持平或略為凸出。離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕的個(gè)數(shù)以與所用的交變電源〔3〕輸出端的相的數(shù)目相同、或?yàn)橄嗟臄?shù)目的整倍數(shù)為佳。
圖2所示的用于交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備的新舊靶可以反復(fù)接長(zhǎng)和連續(xù)進(jìn)給的間接冷卻式整體化真空陰極電弧靶離子源本體，包括新靶〔22〕、舊靶〔23〕、軸向進(jìn)給裝置〔20〕、由夾緊機(jī)構(gòu)(未示出)和水冷銅夾頭〔24〕、〔27〕構(gòu)成的靶冷卻系統(tǒng)、磁場(chǎng)發(fā)生裝置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕、離子源殼體〔21〕、蓋〔19〕等組成。新靶〔22〕、舊靶〔23〕、軸向進(jìn)給裝置〔20〕、靶的冷卻系統(tǒng)、磁場(chǎng)發(fā)生裝置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕等，均安裝在有蓋〔19〕的離子源殼體〔21〕內(nèi)，構(gòu)成一種整體式的離子源本體。安裝時(shí)要將舊靶〔23〕的首端，即有陰螺紋的那一端面朝真空室〔26〕的中央，穿過真空室〔26〕的室壁，靠密封圈〔25〕真空密封固定在真空室〔26〕的外壁上。新靶〔22〕和舊靶〔23〕均為園棒形，兩者直徑相等，首端皆有陰螺紋，尾端皆有陽螺紋，陰陽螺紋參數(shù)完全相同，新靶〔22〕同舊靶〔23〕靠上述螺紋連接，構(gòu)成一種可反復(fù)接長(zhǎng)的靶。夾緊機(jī)構(gòu)可以是彈簧夾頭式的或其它任何機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)，通過水冷銅夾頭〔24〕、〔27〕在舊靶〔23〕靠近首端的外園面上沿徑向?qū)⑴f靶〔23〕對(duì)心夾緊，構(gòu)成一種間接冷卻式的靶的冷卻系統(tǒng)。冷卻夾頭數(shù)量可以是2個(gè)或者多個(gè)。進(jìn)給裝置〔20〕可以是絲杠一螺母或其它任何能夠傳遞直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，在其帶動(dòng)下新靶〔22〕和舊靶〔23〕沿軸向朝著真空室〔26〕的中央作周期式的或連續(xù)式的進(jìn)給，調(diào)整不斷消耗的舊靶〔23〕首端工作面的位置。
本發(fā)明所說的離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中的離子源陰極，可以是磁控濺射靶、真空陰極電弧靶等任何一種離子發(fā)射源，但以真空陰極電弧靶為佳，并且特別建議采用本發(fā)明提出的新舊靶可以反復(fù)接長(zhǎng)和連續(xù)進(jìn)給的間接冷卻式的整體化真空陰極電弧靶。
本發(fā)明所說的離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕在采用真空陰極電弧靶離子源本體時(shí)，是輸出電壓為10～100V、輸出電流為30～300A的直流電源或脈沖直流電源。
本發(fā)明所說的交變電源〔3〕，是其輸出電壓能在0～1000V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的至少含有交流成份的交變電源。這里所說的交流成份，是指該電源提供的交變電壓、交變電流的頻率和波形根據(jù)需要可有不同，但最好有周期性的自動(dòng)過零;相的數(shù)目則可以是單相或多相。本發(fā)明特建議采用輸出電壓能在0～1000V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的工頻三相交流電源作為交變電源〔3〕。
本發(fā)明同已知技術(shù)相比，有如下優(yōu)點(diǎn)1.設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本低-本發(fā)明以交變電場(chǎng)取代直流電場(chǎng)，因有周期性的自動(dòng)過零，所以只須在電路中采用簡(jiǎn)單的電抗器、過流繼電器等即可防止燒毀工件;又由于本發(fā)明交變電源輸出端對(duì)電網(wǎng)電隔離且與離子電源沒有電的聯(lián)系，交變電源對(duì)離子電源沒有干擾，也不會(huì)將其擊穿，無須采用復(fù)雜的保護(hù)措施。因此，本發(fā)明的設(shè)備成本比已知技術(shù)低很多。
2.本發(fā)明的新結(jié)構(gòu)真空陰極電弧靶離子源本體有如下特點(diǎn)a、新舊靶可方便地用螺紋首尾相連，反復(fù)接長(zhǎng)，靶材利用率可接近100%;
b、帶有軸向進(jìn)給裝置，可周期式或連續(xù)式調(diào)整不斷消耗的靶的工作面的位置;
C、徑向間接冷卻，靶的材質(zhì)可以擴(kuò)展到易銹蝕的材料領(lǐng)域，靶的毛坯可以是鍛壓、鑄造、粉末冶金，特別是軋制而成的材料，適應(yīng)面大為增加;
d、帶蓋的整體化離子源本體便于新靶的補(bǔ)充和必要時(shí)整體拆裝維修。
3.更節(jié)能-本發(fā)明的設(shè)備中離子源發(fā)射的等離子體中的電子，有部份轟擊到工件上，直接為工件提供熱能，其余的轟擊到離子源熱屏上，使其升溫，反過來對(duì)工件構(gòu)成熱幅射源，不象已知技術(shù)中工件施加直流負(fù)偏壓，真空室壁兼作離子源陽極，電子只被真空室壁吸收，其熱能只由冷卻水帶走而浪費(fèi)掉。
4.沉積層更均勻-本發(fā)明提出使用工頻三相交流電取代穩(wěn)恒直流負(fù)偏壓，不僅利于電網(wǎng)平衡，而且每一瞬間總有一個(gè)反射極相對(duì)于工件處于正電位，使工件相對(duì)于這個(gè)反射極的一側(cè)受到離子的轟擊，工件上相對(duì)的另一側(cè)則受電子的轟擊。由于反射極在空間上是均勻設(shè)置的，與反射極分別相聯(lián)的工頻三相交流電源各相間位相差為120°所以工件上受到離子轟擊的部位，或者工件上受到電子轟擊的相對(duì)的部位，是依相序按工頻不斷旋轉(zhuǎn)著的，好似在工件表面有一旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，帶動(dòng)等離子體繞工件旋轉(zhuǎn)。這無疑有助于獲得更均勻的沉積層。
5.沉積層質(zhì)量更好-這是因?yàn)閍、已知技術(shù)中使用穩(wěn)恒直流負(fù)偏壓，工件只受離子轟擊，不但不能很好地除氣，有時(shí)還會(huì)將真空室內(nèi)殘存的有害氣體夾帶和埋葬進(jìn)沉積層，而本發(fā)明的方法在交變電場(chǎng)正半周時(shí)，會(huì)有電子轟擊工件，為有害氣體自工件表面解析提供能量和機(jī)會(huì)，有利于獲得較高韌性的沉積層;
b、直流負(fù)偏壓下工件對(duì)離子不管其能量大小如何一律吸引，而本發(fā)明的方法在交變電場(chǎng)的正半周時(shí)有部份離子能量比較低被排斥而偏轉(zhuǎn)，不沉積到工件上，故沉積層強(qiáng)度會(huì)較高;
C、在相同的有效值下，交變電壓的峰值比穩(wěn)恒直流電壓高1.414倍，這一較高的偏壓有助于沉積時(shí)形成較多的結(jié)晶核心;另一方面，交變電場(chǎng)作用下離子以脈沖方式轟擊到工件上，已經(jīng)形成的核心來不及長(zhǎng)大又會(huì)形成新的結(jié)晶核心;總的效果是，交變電場(chǎng)作用下，沉積層晶粒比直流電場(chǎng)作用下更細(xì)小均勻。
6.可實(shí)現(xiàn)工件表面任意指定元素種類及成份的表面合金化-由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化和成本的大幅度降低，以及本發(fā)明提出的用于交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備的新舊靶可以反復(fù)接長(zhǎng)和連續(xù)進(jìn)給的間接冷卻式的整體化真空陰極電弧靶離子源本體的一系列特點(diǎn)，使得工件表面合金化，特別是量大面廣的鋼鐵材料工件任意指定元素種類和成份的表面合金化這一理想，有了在工業(yè)大生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)的可能。因?yàn)楸景l(fā)明的表面合金化方法不再需要高溫(一般不必高于560℃)，沉積速度極高(0.1～0.5mm/h)，沉積層化學(xué)成份與靶材精確相同，金相組織更加細(xì)小均勻，所以用本發(fā)明的方法和設(shè)備進(jìn)行鋼鐵制工件表面任意指定化學(xué)元素種類與成份的表面合金化，將可成功地取代滲碳、滲氮，以及Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Al等任何元素的一元或多元共滲之類的高溫、高能耗、長(zhǎng)時(shí)間并對(duì)環(huán)境有一定污染的傳統(tǒng)的化學(xué)熱處理技術(shù)，部份取代鍍Cr等高能耗、嚴(yán)重污染環(huán)境的電鍍技術(shù)。
實(shí)施例1.用工頻交變電場(chǎng)真空離子沉積法實(shí)現(xiàn)碳素鋼45＃表面Cr、Mo、Al三元合金化。
靶材38CrMoAl。
工件45＃鋼。
表面合金化溫度400℃。
表面合金化有效時(shí)間40min。
結(jié)果a、化學(xué)成份分析C Cr Mo Al0.35 1.35 0.15 0.70靶材(YB6-71) ～0.42 ～1.65 ～0.25 ～1.10工件表面合金層 0.40 1.63 0.16 0.89b、金相組織靶材原始組織為鐵素體和片狀珠光體，所獲表面合金層為鐵素體基體上均勻分布的細(xì)粒狀滲碳體(粒狀珠光體)。
C、結(jié)合力所獲表面合金層無法用高速鋼刀具從45＃鋼工件表面剝離。
d、厚度所獲表面合金層厚度0.30mm。
2.用工頻交變電場(chǎng)真空離子沉積法使45＃鋼表面獲得高硬度。
靶材38CrMoAlA。
反應(yīng)氣體NH3分解氣。
工件45＃鋼。
表面合金化伴隨硬化溫度450℃。
時(shí)間1h。
結(jié)果a、實(shí)現(xiàn)了Cr、Mo、Al、N四元共滲式的表面合金化。
b、表面顯微硬度Hm＝1050kg/mm2
C、厚度0.30mm3.在玻璃上工頻交變電場(chǎng)真空離子鍍膜靶材38CrMoAlA。
工件試鏡玻璃。
溫度300℃時(shí)間1h。
結(jié)果膜層與玻璃基體結(jié)合牢固，剝離時(shí)只能連同玻璃一道撕開。
4.在高速鋼鉆頭上工頻交變電場(chǎng)反應(yīng)離子鍍TiN膜。
靶材純Ti。
反應(yīng)氣體NH3分解氣體。
溫度450℃時(shí)間30min。
結(jié)果a、獲得表面層顏色為金黃，光亮。
b、顯微硬度Hm＝1700kg/mm2。
C、厚度4μ。
d、使用壽命提高一倍。
權(quán)利要求
1.一種交變電場(chǎng)真空離子沉積方法，包括工件的預(yù)清洗，裝夾、抽真空、離子源等離子體發(fā)射，離子和電子對(duì)工件的轟擊所致加熱、電子轟擊除氣、離子轟擊清洗、離子的沉積、以及最后的冷卻等，其特征在于采用為實(shí)施本方法而設(shè)計(jì)的設(shè)備，將離子源所產(chǎn)生的等離子體中的離子和電子，發(fā)射到反射極與工件極，當(dāng)工件為非導(dǎo)體時(shí)發(fā)射到反射極與加速柵極之間的獨(dú)立的交變電場(chǎng)中，受其作用而交替地轟擊到工件表面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于被發(fā)射到獨(dú)立的交變電場(chǎng)中的離子和電子，先在200～1000V的電壓下對(duì)工件交替地進(jìn)行轟擊加熱、電子轟擊除氣、離子轟擊清洗，待真空度回升，即將交變電場(chǎng)的電壓降至30～200V，對(duì)工件進(jìn)行離子沉積。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的方法，其特征在于離子源陰極采用真空陰極電弧靶時(shí)，靶材可以含有欲獲工件表面層任何元素，當(dāng)要求實(shí)現(xiàn)工件表面合金化時(shí)，可用能夠進(jìn)行外延式結(jié)晶生長(zhǎng)的與工件有相同主成份元素并含有其它所需元素的合金靶，當(dāng)要求實(shí)現(xiàn)工件表面鍍膜時(shí)，可用與工件基體主成份元素不同的單質(zhì)或合金靶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3所述的方法，其特征在于進(jìn)行交變電場(chǎng)真空離子沉積時(shí)，可向真空室內(nèi)通入反應(yīng)性氣體，伴隨使工件表面沉積層變質(zhì)和改性。
5.一種交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備，包括主機(jī)、真空獲得系統(tǒng)、氣體供給和氣壓測(cè)控系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕、交變電源〔3〕、電氣測(cè)控系統(tǒng)、溫度測(cè)控系統(tǒng)等，其特征在于a、環(huán)繞主機(jī)的真空室〔14〕壁均勻分布設(shè)置離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕和離子源熱屏〔17〕，離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中各自的離子源陰極分別用導(dǎo)線〔4〕、〔6〕、〔7〕與真空室外各自的離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的負(fù)輸出端相聯(lián)，離子源熱屏〔17〕用導(dǎo)線〔5〕與離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕的所有正輸出端聯(lián)在一起，離子源熱屏〔17〕分別與離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕中各離子源陰極構(gòu)成產(chǎn)生和發(fā)射等離子體的各個(gè)離子源;b、主機(jī)的真空室〔14〕內(nèi)還設(shè)置產(chǎn)生交變電場(chǎng)的反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕和工件極〔16〕，反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分別環(huán)繞離子源本體〔1A〕、〔1B〕、〔1C〕設(shè)置，工件極〔16〕位于真空室〔14〕的中央，工件〔18〕置于工件極〔16〕上，反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕分別用導(dǎo)線〔10〕、〔8〕、〔9〕與真空室外的對(duì)電網(wǎng)電隔離且與離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕沒有電聯(lián)系的獨(dú)立的交變電源〔3〕各相的輸出端〔A〕、〔B〕、〔C〕相聯(lián)，工件極〔16〕則用導(dǎo)線〔13〕與交變電源〔3〕輸出端的結(jié)點(diǎn)〔O〕相聯(lián)，當(dāng)工件為非導(dǎo)體時(shí)，在反射極〔11A〕、〔11B〕、〔11C〕與工件極〔16〕之間附設(shè)一導(dǎo)電加速柵極〔15〕，加速柵極〔15〕與工件極〔16〕之間用使兩者等電位的導(dǎo)線〔12〕相聯(lián)。
6.一種用于交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備的新舊靶可以反復(fù)接長(zhǎng)和連續(xù)進(jìn)給的間接冷卻式的整體化真空陰極電弧靶離子源本體，包括新靶〔22〕、舊靶〔23〕、軸向進(jìn)給裝置〔20〕、靶冷卻系統(tǒng)、磁場(chǎng)發(fā)生裝置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕、離子源殼體〔21〕、蓋〔19〕等，其特征在于a、新靶〔22〕和舊靶〔23〕均為園棒形，直徑相等，首端皆有陰螺紋，尾端皆有陽螺紋，陰陽螺紋參數(shù)完全相同，新靶〔22〕和舊靶〔23〕以上述螺紋連接，構(gòu)成可反復(fù)接長(zhǎng)的靶;b、依靠進(jìn)給裝置〔20〕帶動(dòng)新靶〔22〕和舊靶〔23〕沿軸向作周期式的或連續(xù)式的進(jìn)給，以調(diào)整舊靶〔23〕首端不斷消耗的工作面的位置;C、間接冷卻式的靶冷卻系統(tǒng)由夾緊機(jī)構(gòu)和水冷銅夾頭〔24〕、〔27〕構(gòu)成，夾緊機(jī)構(gòu)通過水冷銅夾頭〔24〕、〔27〕在舊靶〔23〕靠近工作面的首端的外園面上沿徑向?qū)袑?duì)心夾緊。d、新靶〔22〕、舊靶〔23〕、軸向進(jìn)給裝置〔20〕、靶冷卻系統(tǒng)、磁場(chǎng)發(fā)生裝置〔28〕、防爬弧屏蔽〔29〕等，均安裝在帶有用在補(bǔ)裝新靶〔22〕時(shí)便于開啟的蓋〔19〕的離子源殼體〔21〕內(nèi)，構(gòu)成整體化離子源本體，由真空室外穿過真空室〔26〕壁通過密封圈〔25〕真空密封固定在真空室〔26〕的外壁上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5和6所述的設(shè)備，其特征在于交變電場(chǎng)真空離子沉積設(shè)備的離子源本體可以采用磁控濺射靶，也可以采用真空陰極電弧靶離子源本體，以采用新舊靶可以反復(fù)接長(zhǎng)和連續(xù)進(jìn)給的間接冷卻式的整體化真空陰極電弧靶離子源本體為佳。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于設(shè)備采用真空陰極電弧靶離子源本體時(shí)，離子電源〔2A〕、〔2B〕、〔2C〕是輸出電壓為10～100V、輸出電流為30～300A的直流電源或脈沖直流電源。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于交變電源〔3〕是其輸出電壓能在0～1000V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的至少含有交流成份的交變電源。
10.根據(jù)權(quán)利要求5和9所述的設(shè)備，其特征在于交變電源〔3〕是輸出電壓能在0～1000V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的工頻三相交流電源。
全文摘要
一種交變電場(chǎng)真空離子沉積方法及設(shè)備，在工件上施加交變電場(chǎng)取代已知技術(shù)中的直流負(fù)偏壓，使設(shè)備制造成本大幅度地降低，運(yùn)行更穩(wěn)定，沉積層質(zhì)量更優(yōu)良。設(shè)備中配備新結(jié)構(gòu)真空陰極電弧靶，可使靶材利用率提高到近100％，且可進(jìn)行任意指定元素種類和成分的高速(0.1～0.5mm/h)。低溫(≤560℃)離子表面合金化及離子鍍膜，在工業(yè)大生產(chǎn)規(guī)模上取代滲碳、滲氮、多元共滲等化學(xué)熱處理以及鍍鉻之類的某些電鍍及鍍氮化鈦之類的真空離子鍍膜。
文檔編號(hào)C23C14/34GK1064508SQ91106640
公開日1992年9月16日 申請(qǐng)日期1991年2月28日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月28日
發(fā)明者劉天相, 歐陽章西, 于錫裘 申請(qǐng)人:湖南省機(jī)械研究所