一種等離子體增強(qiáng)制備精密涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種制備精密涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備.
【背景技術(shù)】
[0002]目前，電弧離子鍍膜技術(shù)以其高離化率、高沉積速率而廣泛應(yīng)用于制備硬質(zhì)防護(hù)膜層，特別是電弧離子鍍膜技術(shù)在高速鋼以及硬質(zhì)合金基體上制備TiC、TiN、TiAlN和TiCN等硬質(zhì)膜早已得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過鍍膜處理后的刀具具有優(yōu)良的耐磨性能而延長使用壽命，這是因?yàn)楣┴洜顟B(tài)下的基體材料本身的硬度(500-900HV)足夠高到能夠承載硬度很高(1500-2500HV)的硬質(zhì)薄膜使得膜基體系能夠有很好的結(jié)合力而表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。然而對(duì)于基材硬度偏低的模具鋼、結(jié)構(gòu)鋼特別是不銹鋼等材料，直接在其表面制備硬質(zhì)薄膜，會(huì)因膜基間存在較大的硬度差而出現(xiàn)“蛋殼效應(yīng)”，基體表面的硬質(zhì)膜在服役過程中容易產(chǎn)生脫落和剝離現(xiàn)象。
[0003]在化學(xué)熱處理與鍍膜復(fù)合技術(shù)中，滲氮與PVD復(fù)合技術(shù)在提高工件表面硬度和改善膜基結(jié)合力等方面都具有很大的潛力，采用鍍膜前先進(jìn)行離子滲氮，不僅可使膜層的抗變形能力提高，而且由于膜層下形成了一個(gè)較平穩(wěn)的硬度過渡區(qū)，可使膜層到基體的應(yīng)力分布連續(xù)性較好，因此相對(duì)于未滲氮工件可以提高膜基結(jié)合力和膜層的力學(xué)抗力。
[0004]然而，采用普通離子滲氮與鍍膜技術(shù)復(fù)合處理，需要分別在兩個(gè)裝置中進(jìn)行，因?yàn)槠胀x子滲氮的工作氣壓為133Pa?1330Pa，而鍍膜工藝多在0.1?1Pa氣壓條件下進(jìn)行，很難連續(xù)處理，也不利于提高膜基結(jié)合力。
[0005]另外，目前一般的電弧離子鍍?cè)O(shè)備采用直接電弧發(fā)熱激發(fā)陰極靶材產(chǎn)生等離子體，該過程中將伴隨著電弧離子鍍特有的液滴，即大顆粒，這些大顆粒與等離子體一起噴發(fā)出來，嚴(yán)重影響膜層的致密度和粗糙度，微觀上凹凸不平，膜層反復(fù)沉積于粗糙的表面后，膜層間的結(jié)合力較弱，鍍膜的表面質(zhì)量和膜層力學(xué)抗力都較差。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種離子滲氮及電弧離子鍍膜的表面復(fù)合改性設(shè)備，該設(shè)備通過熱絲裝置的熱絲通電后發(fā)熱，從而激發(fā)出電子，增加放電空間的電子數(shù)目，從而增加了電子與氣體分子的碰撞幾率，促進(jìn)氣體的離化和活性基團(tuán)的產(chǎn)生，使得氣體能在真空度為0.1-1OPa的數(shù)量級(jí)上維持穩(wěn)定的輝光放電，在同一設(shè)備同一數(shù)量級(jí)氣壓條件下連續(xù)進(jìn)行離子滲氮及電弧離子鍍膜的工藝，該方法能夠獲得平穩(wěn)的硬度過渡區(qū)，提高層間結(jié)合力。
[0007]同時(shí)，本發(fā)明專利中采用雙級(jí)磁場(chǎng)線圈結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)過濾陰極弧源，可以濾掉大部分的電弧離子鍍大顆粒，降低表面粗糙度，而且，通過熱絲激發(fā)的電子增加Ar離子的電離密度，使用高密度的Ar離子轟擊硬質(zhì)薄膜層，進(jìn)一步磨平薄膜中的粗糙顆粒，提高層間結(jié)合力和致密度。
[0008]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種等離子體增強(qiáng)制備精密涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，包括真空腔室，其特征在于，所述真空腔室底部活動(dòng)安裝有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上放置工件，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與工件偏壓電源負(fù)極相連，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與真空腔室絕緣，工件偏壓電源正極與真空腔室相連；所述真空腔室壁上固定安裝有熱絲裝置，熱絲裝置的負(fù)極與熱絲偏壓電源負(fù)極相連，熱絲偏壓電源正極與真空腔室相連，熱絲裝置與真空腔室絕緣；所述真空腔室上固定安裝有增強(qiáng)過濾陰極弧源；所述真空腔室上安裝有真空系統(tǒng)，所述真空腔室壁上還設(shè)置有腔室進(jìn)氣孔。
[0009]所述熱絲裝置采用熱絲連接于直流電源兩端電極之上，熱絲位于真空腔室內(nèi)部，所述熱絲為直徑0.5-1.5mm的鎢、鉬或鉭絲，熱絲裝置的電路中設(shè)置有熱絲裝置開關(guān)。
[0010]所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與真空腔室之間安裝有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)絕緣套，所述熱絲裝置與真空腔室之間安裝有熱絲裝置絕緣套，所述真空腔室內(nèi)壁上還安裝有加熱器。
[0011]所述增強(qiáng)過濾陰極弧源采用弧源法蘭固定于真空腔室壁之上，二級(jí)磁場(chǎng)線圈固定于弧源法蘭之上，一級(jí)磁場(chǎng)線圈固定于二級(jí)磁場(chǎng)線圈末端，陰極革G固定于一級(jí)磁場(chǎng)線圈中心；所述一級(jí)磁場(chǎng)線圈內(nèi)部設(shè)置一級(jí)線圈支撐圓筒，且一級(jí)線圈支撐圓筒內(nèi)徑為Φ 120-250mm，長度為40_100mm，一級(jí)磁場(chǎng)線圈的纏繞密度為8_30膽/mm，一級(jí)磁場(chǎng)線圈的銅線直徑為0.5-2mm;所述二級(jí)磁場(chǎng)線圈內(nèi)部設(shè)置二級(jí)線圈支撐圓筒，且二級(jí)線圈支撐圓筒內(nèi)徑為Φ 150-300mm,長度為200_400mm，二級(jí)磁場(chǎng)線圈纏繞密度為5_20 I? /mm, 二級(jí)磁場(chǎng)線圈銅線直徑為0.5-1.5mm。
[0012]本發(fā)明的裝置具有如下的有益效果:
[0013](I)本發(fā)明所提供的等離子體增強(qiáng)制備精密涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，在一個(gè)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了離子滲氮后等離子鍍膜的工藝，設(shè)備連續(xù)性較高，使用方便，生產(chǎn)效率高；在離子滲氮階段，通入N2電離的同時(shí)加入了一定量的H2, 4的加入可以降低產(chǎn)生活性氮原子的激活能，增加活性氮原子的數(shù)量，提高滲氮的效率，在工件表面形成了平穩(wěn)的硬度過渡區(qū)，提高膜基結(jié)合力和膜層的力學(xué)抗力，硬質(zhì)薄膜層不易脫落或剝離；
[0014](2)本發(fā)明設(shè)備中采用雙級(jí)磁場(chǎng)線圈結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)過濾陰極弧源，可以濾掉70%以上的電弧離子鍍大顆粒，降低表面粗糙度，大幅度提高致密度和表面質(zhì)量；
[0015](3)本發(fā)明的方法中，通過熱絲裝置激發(fā)的電子增加Ar離子的電離密度，使得Ar離子的密度從107cm3提高到10 ic^lO1Vcm3,使用高密度的Ar離子轟擊硬質(zhì)薄膜層，進(jìn)一步磨平薄膜中的粗糙顆粒，并在薄膜中形成斷鍵，更易與新的薄膜原子結(jié)合，從而進(jìn)一步提高結(jié)合力和致密度；
[0016](4)應(yīng)用該設(shè)備方法制備得到的工件表面的硬度得到明顯提高，與直接電弧離子鍍膜相比，硬度提高了 50% -65%。
【附圖說明】
[0017]圖1是一種等離子體增強(qiáng)制備精密涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖中:I熱絲偏壓電源，2熱絲裝置，21熱絲裝置開關(guān)，22熱絲裝置絕緣套，3增強(qiáng)過濾陰極弧源，31 —級(jí)磁場(chǎng)線圈，32陰極靶，33 二級(jí)磁場(chǎng)線圈，34弧源法蘭，4真空系統(tǒng)，5工件偏壓電源，6偏壓電源開關(guān)，7旋轉(zhuǎn)平臺(tái)絕緣套，8旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，9真空腔室，10腔室進(jìn)氣孔，11工件，12加熱器
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于具體實(shí)施例。
[0020]實(shí)施例1
[0021]如圖1所述的一種等離子體增強(qiáng)制備精密涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備，包括真空腔室9，真空腔室底部活動(dòng)安裝有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)8，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上放置工件11，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與工件偏壓電源5負(fù)極相連，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與真空腔室之間安裝有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)絕緣套，以達(dá)到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與真空腔室絕緣的目的，偏壓電源正極與真空腔室相連；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)采用金屬材料制成，使得工件11的電勢(shì)與偏壓電源負(fù)極電勢(shì)相等，而真空腔室外壁接地，電勢(shì)為O。
[0022]真空腔室上固定安裝有增強(qiáng)過濾陰極弧源3，增強(qiáng)過濾陰極弧源3采用弧源法蘭34固定于真空腔室壁之上，二級(jí)磁場(chǎng)線圈33固定于弧源法蘭之上，一級(jí)磁場(chǎng)線圈31固定于二級(jí)磁場(chǎng)線圈33末端，陰極革E132固定于一級(jí)磁場(chǎng)線圈中心；一級(jí)磁場(chǎng)線圈內(nèi)部設(shè)置一級(jí)線圈支撐圓筒，且一級(jí)線圈支撐圓筒內(nèi)徑為Φ 120mm,長度為40mm，一級(jí)磁場(chǎng)線圈的纏繞密度為30膽/mm, 一級(jí)磁場(chǎng)線圈的銅線直徑為0.5mm ;二級(jí)磁場(chǎng)線圈內(nèi)部設(shè)置二級(jí)線圈支撐圓筒，且二級(jí)線圈支撐圓筒內(nèi)徑為Φ 150mm，長度為200mm，二級(jí)磁場(chǎng)線圈纏繞密度為20匝/mm, 二級(jí)磁場(chǎng)線圈銅線直徑為0.5mm。
[0023]增強(qiáng)過濾陰極弧源與真空腔室電勢(shì)相等，均為零，而工件11的電勢(shì)與偏壓電源負(fù)極電勢(shì)相等，為負(fù)電勢(shì)，因此在增強(qiáng)過濾陰極弧源與工件11之間形成一個(gè)正的電動(dòng)勢(shì)，加速等離子體源沉積或轟擊于工件11之上。
[0024]真空腔室壁上固定安裝有熱絲裝置2，熱絲裝置的負(fù)極與熱絲偏壓電源I負(fù)極相連，熱絲偏壓電源I正極與真空腔室相連，熱絲裝置與真空腔室絕緣；熱絲裝置2采用熱絲連接于直流電源兩端電極之上，熱絲位于真空腔室內(nèi)部，熱絲為直徑0.5mm的鉬絲，熱絲裝置的電路中設(shè)置有熱絲裝置開關(guān)21，熱絲裝置與真空腔室之間安裝有熱絲裝置絕緣套22，以達(dá)到熱絲裝置與真空腔室絕緣的目的，真空腔室外壁接地，電勢(shì)為0，而熱絲裝置電勢(shì)為負(fù)，這樣在熱絲裝置與真空腔室之間形成負(fù)的電動(dòng)勢(shì)，熱絲材料為高熔點(diǎn)的金屬鉬，熱絲通電后激發(fā)出的電子在負(fù)電勢(shì)的作用下離開熱絲向真空室移動(dòng)，增加電子與隊(duì)或!12分子的碰撞幾率，促進(jìn)了隊(duì)的離化和H2S性離子的產(chǎn)生，同時(shí)利于電子的進(jìn)一步激發(fā)和產(chǎn)生，提高離化的效率。
[0025]真空腔室上安裝有真空系統(tǒng)4，真空系統(tǒng)4采用分子泵安裝于真空腔室外壁之上，機(jī)械泵連接于分子泵之上。
[0026]真空腔室內(nèi)壁上安裝有加熱器12，加熱器采用電阻加熱。
[0027]真空腔室壁上還設(shè)置有腔室進(jìn)氣孔10，以便通入隊(duì)和/或H 2，或反應(yīng)氣體。
[0028]實(shí)施例2
[0029]該實(shí)施例與實(shí)施例1中一種等離子體增強(qiáng)制備精密涂層的電弧離子鍍?cè)O(shè)備基本結(jié)構(gòu)相同，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:
[0030](I) 一級(jí)線圈支撐圓筒內(nèi)徑為Φ 180mm，長度為65mm，一級(jí)磁場(chǎng)線圈的纏繞密度為20膽/mm, 一級(jí)磁場(chǎng)線圈的銅線直徑為Imm ;二級(jí)磁場(chǎng)線圈內(nèi)部設(shè)置二級(jí)線圈支撐圓筒，且二級(jí)線圈支撐圓筒內(nèi)徑為Φ220_，長度為300_，二級(jí)