[发明专利]一种硬质涂层的快速沉积装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于表面工程领域，具体涉及一种硬质涂层的快速沉积装置及方法。

背景技术

在刀具、模具领域上应用硬质涂层，主要是提高其服役性能和延长使用寿命。目前，该领域的沉积方法主要有非平衡磁控溅射技术和阴极弧蒸发离子镀技术，以及两种技术相结合。主要的涂层种类包括TiN、CrN、TiCN、TiAlN等，磁控溅射技术沉积速度一般不超过1μm/h，阴极弧离子镀由于工艺参数的不同其沉积速度大约为1～4μm/h。

评估硬质涂层的主要参数有厚度、硬度、结合强度、摩擦系数、磨损率等，其中足够的结合强度是判断涂层能否使用的最基本参数，硬度的高低主要取决于晶格结构、晶粒尺寸、厚度等，摩擦系数的大小取决于涂层材料种类和表面粗糙度，磨损率则是对硬质涂层服役状况的综合评估。据此，在确定涂层种类的前提下，增加涂层厚度势必会优化性能并延长寿命。大幅提高沉积速度则会极大节约生产成本，提高生产效率。但传统的真空镀膜沉积速度较慢，沉积涂层的成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沉积速度快、成本低的硬质涂层的快速沉积装置及方法。

为了达到上述目的，本发明硬质涂层的快速沉积装置包括阴极弧源以及开设有进气口的真空腔体；所述的真空腔体与真空系统相连，真空腔体与阴极弧源之间设有用于为阴极弧源发出的等离子体提供聚束磁场的聚束腔体；聚束腔体与真空腔体相连通，且聚束腔体内设置有待测样，待测样与阴极弧源之间设有靶材，阴极弧源的电源正极分别与真空腔体和为待测样提供负偏压的偏压电源的正极相连，阴极弧源的电源正极、真空腔体、偏压电源的正极分别接地。

所述的聚束腔体的直径大于靶材，聚束腔体是由第一、二、三磁感线圈组成的，第一、二、三磁感线圈沿等离子体发射方向依次布置，且第三磁感线圈接地，第一、二、三磁感线圈的电源为电压电流可调电源。

所述的真空腔体内设置有样品架，待测样通过样品架与偏压电源的负极相连。

所述的靶材为Ti、Cr或Zr。

一种基于所述的快速沉积装置的硬质涂层沉积方法包括以下步骤：

1)将待测样置于聚束腔体内，并与偏压电源的负极相连，然后利用真空系统对真空腔体抽真空，使真空度达到3.0×10^-3Pa以下，再通过进气口向真空腔体内通入氩气和反应气体清洗真空腔体以除去残余空气；

2)真空腔体清洗完成后，从进气口向真空腔体内持续通入氩气，保持真空腔体(1)内的气压保持在2-3Pa；然后打开聚束腔体的电源使聚束腔体产生磁场，同时打开偏压电源使真空腔体和聚束腔体产生辉光，对待测样表面进行辉光清洗；

3)测样表面辉光清洗结束后，通过调节通入的氩气流量使真空腔体内的气压保持在0.8-1.2Pa，然后打开阴极弧源的电源，向待测样上沉积过渡金属层；

4)过渡金属层沉积完成后，从进气口向真空腔体内通入氩气和反应气体，然后向已经沉积了过渡金属层的待测样上沉积涂层，即在待测样上沉积了硬质涂层。

所述的步骤1)中清洗真空腔体时，真空腔体内的气压小于5Pa。

所述的反应气为N₂、CH₄或C₂H₂。

所述的步骤2)中通入氩气的气流量为13sccm；聚束腔体的电流为0.2～1A，电压为5～20V；偏压电源的偏压为800V，占空比为60％，对待测样表面进行辉光清洗的时间为15min。

所述的步骤3)中通入氩气的气流量为63sccm，在打开阴极弧源前，调节偏压电源的偏压为100-200V，占空比为30-50％，向待测样上沉积过渡金属层时的蒸发功率为800～1000W，沉积时间为2min。

所述的步骤4)中氩气的气流量为3～5sccm，反应气的气流量为40～60sccm，沉积时间为15min。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明以多弧离子镀镀膜系统为基础，在多弧离子镀镀膜系统的真空腔体与阴极弧源之间增设了聚束腔体，将待测样置于聚束腔体内沉积硬质薄膜，由于在本发明装置中采用了聚束腔体，聚束腔体能够使得原本杂乱无章的等离子体在磁场约束下定向运动，因此，本发明装置沉积硬质薄膜的速率大大提高；另外，由于本发明装置在沉积硬质薄膜时并不需要特别设定阴极弧源的蒸发功率，因此，本发明在提高了沉积速率的同时节约了靶材更节约能源。