專利名稱：離子束增強磁控濺射滲鍍涂層裝置及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明離子束增強磁控濺射滲鍍涂層裝置及工藝屬于金屬材料表面改性的范疇，是把非平衡磁控濺射沉積速度快和離子束注入反沖形成偽擴散層有機的結(jié)合起來實現(xiàn)金屬工件表面快速滲鍍表面改性層的裝置及工藝。
近年來離子注入領(lǐng)域?qū)Ω吣艿谋匾蕴岢鲑|(zhì)疑，有的研究表明氮離子注入時為增加注入反沖的深度，提高束流密度比提高離子的能量更有效，可獲得更深的改性層，非平衡磁控濺射沉積技術(shù)是90年代發(fā)展起來的新技術(shù)，由于非平衡磁場很強，濺射作用也強，濺射粒子的離化離高，所以沉積速率快，鍍膜密度、結(jié)合力較強等優(yōu)點。
本發(fā)明離子束增強磁控濺射滲鍍涂層裝置的結(jié)構(gòu)其特征在于，是在可抽取真空，極限真空度為1×10-3～5×10-3Pa并能充入氣體介質(zhì)，分壓為2×10-2～8×10-1Pa的真空容器1中，設(shè)置陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，非平衡磁控濺射系統(tǒng)、中低能離子源系統(tǒng)、工件預(yù)加熱系統(tǒng)，同時配備有抽氣、供氣系統(tǒng)，其陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由工件托盤9、工件10和轉(zhuǎn)動機構(gòu)6組成，非平衡磁控濺射系統(tǒng)由非平衡磁控濺射靶源3、11和直流電源4、13組成，工件預(yù)加熱系統(tǒng)由加熱器17，加熱電源16組成，供氣系統(tǒng)由供氣瓶12、進氣口14組成，抽氣系統(tǒng)由機械泵8和擴散泵7組成。
工件10置于工件托盤9上，位于真空容器1的中央，非平衡磁控濺射靶源3、11對稱置于真空容器壁兩側(cè)，中低能離子源15置于真空容器壁1的頂部，在陽極容器壁2和磁控濺射源3、11之間分別連接可調(diào)0～1200V直流磁控電源4、13，在陽極容器壁2和工件10之間連接可調(diào)0～1000V的直流電源5，加熱器17兩端加入可調(diào)交流電源16，其特征在于其一，非平衡磁控濺射靶源3、11是由非對稱的強磁鐵和由欲滲金屬及合金或石墨碳制成的磁控靶構(gòu)成，安放在容器壁的兩側(cè)并可向真空容器內(nèi)推進0～50mm，由于非對稱的強磁鐵可以產(chǎn)生非常強的縱向和橫向的磁場，使磁控靶可以濺射出高能量、高密度、高離化率的金屬及合金或碳的粒子流，在工件負偏壓(200～500V)吸引下，快速到達工件表面形成欲滲鍍金屬及合金或碳的滲鍍層。
其二，在真空容器頂部安放的離子源17為中低能3～50kev，大束流10～200mA，在由非平衡磁控濺射靶源3、11向工件滲鍍金屬及合金鍍層的同時，由離子源注入N可在工件表面形成有一定擴散層的金屬或合金的氮化物滲鍍層。注入碳可在工件表面形成金屬碳化物滲鍍層，同時注入碳、氮時可形成金屬碳、氮化合物滲鍍層。
其三，在真空容器1中設(shè)有給工件10預(yù)加熱的加熱源17，可使工件預(yù)升到200～700℃，既不影響基體的性能，又可以增加擴散層的深度，使涂層真正變成滲鍍層，提高結(jié)合強度。
其四，欲滲工件10滲鍍金屬碳氮化合物時，工件的溫度為200～700℃，磁控電源的電壓800～1000V，離子束能量為5～40kev，束流密度為10～150mA，工作氣體為N2氣、碳氫氣、Ar氣，分壓為2×10-2～8×10-1Pa，工件偏壓為200～500V。


附圖為離子束增強磁控濺射滲鍍涂層裝置及工藝示意圖圖中的標號為1.真空容器 2.真空容器壁 3.非平衡磁控濺射源4.磁控電源 5.工件偏壓電源 6.轉(zhuǎn)動機構(gòu)7.擴散泵 8.機械泵 9.工件托盤10.工件 11.非平衡磁控濺射源12.送氣瓶13.磁控電源 14.進氣口 15.中低能離子源16.加熱電源 17.加熱源進行滲鍍金屬氮化物時，首先由抽氣系統(tǒng)的機械泵8和擴散泵7將真空容器1抽到1×10-3～5×10-3Pa極限真空度，而后加熱源17由加熱電源16供電后，給工件預(yù)加熱到200～700℃，由供氣系統(tǒng)12充入Ar氣，分壓在2×10-2～8×10-1Pa，此時給非平衡磁控濺射靶源3供電壓為800～1000V，給工件10加偏壓200～500V，由非平衡磁控濺射靶源3、11發(fā)射出高能量、高密度、高離化率的金屬離子流，在工件負偏壓的吸引下，高速到達工件表面形成金屬和合金的鍍層，在鍍的同時打開離子源15，供能量為5～40kev，束流10～150mA，注入工件表面N離子，由非平衡磁控濺射靶源3、11鍍于工件表面的金屬及合金的離子，依靠氮離子的轟擊與注入在工件表面形成有一定厚度擴散層的金屬氮化物滲鍍層，使膜與基體結(jié)合強度大大提高。
以滲鍍CrN為例工件溫度300～500℃，處理時間3小時，滲鍍層厚度可達3～5μm，偽擴散層深度可達0.5～1μm左右。
權(quán)利要求
1.一種離子束增強磁控濺射滲鍍涂層裝置其特征在于，是在可以抽取真空，并能充入氣體介質(zhì)的真空容器(1)中，設(shè)置陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，非平衡磁控濺射系統(tǒng)，中低能離子源系統(tǒng)，工件予加熱系統(tǒng)，同時配備有抽氣系統(tǒng)和供氣系統(tǒng)，其陰極轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由工件托盤(9)、工件(10)和轉(zhuǎn)動機構(gòu)(6)組成，非平衡磁控濺射系統(tǒng)由磁控濺射靶源(3)、(11)和真流電源(4)、(13)組成，工件予加熱系統(tǒng)由加熱器(17)加熱電源(16)組成，供氣系統(tǒng)由供氣瓶(12)進氣口(14)組成，抽氣系統(tǒng)由機械泵(8)和擴散泵(7)組成，工件(10)置于工件托盤(9)上，位于真空容器(1)中央，非平衡磁控濺射靶源(3)、(11)對稱置于真空容器壁兩側(cè)，中低能離子源(15)置于容器(1)的頂部，在陽極容器壁(2)和非平衡磁控濺射靶源(3)、(11)之間分別連接可調(diào)0～1200V直流電源(4)、(13)，在陽極容器壁(2)和工件(10)之間連接可調(diào)的0～1000V直流電源(5)，加熱器(17)兩端連接可調(diào)交流電源(16)，其非平衡磁控濺射靶源(3)、(11)是由非對稱的強磁鐵和由欲滲鍍金屬、合金或石墨碳制成的不同形狀的磁控靶構(gòu)成，安放在容器壁(2)的兩側(cè)并可以向真空容器內(nèi)推進0～50mm距離，其真空容器頂部安裝的離子源(15)為中低能、大束流離子源。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種離子束增強磁控濺射滲鍍涂層裝置，其特征是非平衡磁控靶源(3)、(11)是由任何可以導(dǎo)電的金屬合金或石墨碳制成圓形、方形，圓形尺寸φ50～120×20～30mm，方形尺寸200～400mm×20～30mm。
3.采用權(quán)利要求1所述的一種離子束增強磁控濺滲鍍涂層裝置的工藝，其特征在于首先由抽氣系統(tǒng)的機械泵(8)和擴散泵(7)將真空容器(1)抽到1×10-3～5×10-3Pa極限真空度，而后加熱源(17)由加熱電源(16)供電后，給工件預(yù)加熱到200～700℃，由供氣系統(tǒng)(12)充入Ar氣，分壓在2×10-2～8×10-1Pa，此時給非平衡磁控濺射靶源(3)供電壓為800～1000V，給工件(10)加偏壓200～500V，由磁控濺射靶發(fā)射出高能量、高密度、高離化率的金屬離子流，在工件負偏壓的吸引下，高速到達工件表面形成金屬和合金的鍍層，在鍍的同時打開離子源(15)，供能量為5～40kev，束流10～150mA，注入工件表面N離子，由磁控源鍍于工件表面的金屬及合金的離子，依靠氮離子的轟擊與注入在工件表面形成有一定厚度擴散層的金屬氮化物滲鍍層。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種離子束增強磁控濺射滲鍍涂層工藝，其特征在于真空容器(1)的極限真空度為1×10-3～5×10-3Pa，充入的氣體介質(zhì)可以是Ar氣、N2氣和碳氫氣體，工作壓力為2×10-2～8×10-1Pa。
5.按照權(quán)利要求3所述的一種離子束增強磁控濺射滲鍍涂層工藝，其特征在于滲鍍工件(10)溫度為200～700℃，非平衡磁控濺射靶源(3)的電源電壓為700～1000V，離子束能量5～40kev，束流密度為10～150mA，工作氣壓為2×10-2～8×10-2Pa，工作偏壓200～500V。
全文摘要
本發(fā)明離子束增強磁控濺射滲鍍涂層裝置及工藝屬于金屬材料表面改性的范疇。是一種非平衡磁控濺射和離子注入相結(jié)合的技術(shù)，在非平衡磁控濺射鍍膜的裝置中，加入一個中低能束離子源，從磁控濺射源發(fā)射出欲滲鍍的金屬及其合金的高能量、高離化率的金屬離子流，在工件負偏壓下的吸引下，快速沉積于預(yù)加熱的工件表面，然后由中低能離子束注入氮和碳，使其沉積層與工件基體形成一定厚度的擴散層，在較低溫度工件表面快速形成金屬碳、氮化合物的表面改性層。
文檔編號C23C14/35GK1401816SQ0211019
公開日2003年3月12日 申請日期2002年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月20日
發(fā)明者唐賓, 潘俊德, 徐重, 田林海 申請人:太原理工大學(xué)