CN108277456A - 一种通过外加磁场提高pvd管筒状工件镀膜深径比的方法 - Google Patents

一种通过外加磁场提高pvd管筒状工件镀膜深径比的方法 Download PDF

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Abstract

一种通过外加磁场提高PVD管筒状工件镀膜深径比的方法。本发明通过对管筒状通孔工件外端装夹磁场部件，为管筒状工件内部提供磁场，使在PVD多弧离子镀技术下的通孔工件内孔镀膜深径比提高至2倍。在一定程度上增加了工件孔内通镀的可能性，能够有效的提高以内表面为工作面的工件的工作效率及使用寿命，降低因内壁磨损、腐蚀等形式遭到的破坏。打破了多弧离子镀技术在小孔径工件运用时，镀膜深径比为1:1的局限。

Description

一种通过外加磁场提高PVD管筒状工件镀膜深径比的方法
技术领域
本发明涉及PVD多弧离子镀表面处理技术领域，具体涉及一种通过外加磁场提高PVD管筒状工件镀膜深径比的方法。
背景技术
PVD多弧离子镀是目前机械加工应用最为广泛的表面处理技术之一。其高离化率的特点，使得此技术在现今的工业生产中仍具有不可替代的地位。PVD多弧离子镀技术采用弧光放电，将阴极靶作为蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电使靶材蒸发，在真空条件下通入工作气体，从而在空间内形成等离子体，对基体工件沉积薄膜。
现如今，PVD多弧离子镀在工件外表面的薄膜沉积技术已经在工业生产中得到了广泛应用,如刀具、冲压工具、钻孔工具、模具等。不但节约了生产成本，降低了原材料的损耗及环境污染，并且取得了巨大的经济效益。但是,在工业生产中以内表面为工作面的工件也同样拥有镀膜需求,如发动机缸筒、内孔模具、轴套和凹模等。此类工件以内表面为服役工作面，经常因内壁磨损、腐蚀等形式遭到破坏,降低了其工作效率和使用寿命。但受多弧离子镀技术自身的局限，通常小孔径工件通孔的镀膜深径比仅为1:1。因此在小孔径工件内壁沉积结合力良好、硬度高、使用寿命长的功能性薄膜是一项尚需发展的技术手段。目前关于PVD内壁沉积薄膜的相关技术报道十分罕见,与内表面服役工件的大量需求相比技术贮备严重短缺,因此发展内壁薄膜沉积技术具有迫在眉睫的现实意义。
发明内容
目前关于PVD技术运用于内表面服役的工件由于镀膜深径比的局限，使得此技术在通镀工件内壁时具有很多的困难性。本发明通过给工件内壁施加磁场，提高镀膜深径比，在一定程度上增加了工件内孔通镀的可能性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种通过外加磁场提高PVD管筒状工件镀膜深径比的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将工件内外表面清洗干净，去除油污，脱去氧化膜；根据工件尺寸合理装夹磁场部件，检测磁场无误后放入工作腔体内，工件内孔正对靶位，靶基距28-30mm；抽真空，升温；
(2)生成基础膜层：本底真空抽至8.0×10-3Pa以下，腔室温度升至200℃。通入Ar，直流偏压设定为200V；启动Cr弧靶，在工件内外表面沉积Cr基础膜层，沉积时间30s；
(3)生成功能膜层：关闭Ar和Cr弧靶，通入N2(流量为500sccm)，其中，脉冲偏压设定为40～80V，启动CrAl合金靶，在工件内外工作面沉积CrAlN功能膜层，沉积时间25min；
(4)薄膜沉积完成后，依次关闭弧靶、电源，逐步降温升压至腔室温度100℃以下，取出工件。
进一步地，所述工件基材选取不锈钢和硬质合金。
所述的磁场部件要使孔内磁场强度最小值大于10mT，磁场方向平行内孔表面且S极指向靶位；根据工件尺寸可选取不同的磁体尺寸及磁场强度。
所述的磁场部件的制作方式及构造如下：选取尺寸相同的小圆柱Sm2Co17磁体，根据工件轴向长度需求，将小圆柱Sm2Co17磁体N极与S极首尾相连呈长条柱状；再将足够数量的长条柱状磁体强制紧密覆盖在管筒状工件外表面，构成管筒状磁体。
所述的磁场部件，通过强制连接同极磁极在孔内形成近似平行于内壁的管筒状磁场区域。
与现有技术相比，本发明的有益效果原理如下：
1.本发明采用多弧离子镀技术，弧靶产生的带正电离子与带负电电子在腔室内形成等离子体，带电粒子在离开靶面时获得能量以一定的初速度在等离子体中扩散。利用经过设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体的特性，使孔内更深的地方形成等离子体密集区。
2、带电粒子在电场中受到洛仑磁力围绕磁感线做拉莫尔运动，拉莫尔回旋半径与磁感应强度成反比，与粒子质量成正比。电子受影响敏感，牵制带正电粒子。其次永磁体产生的磁场为非均匀梯度场，带电粒子又受到非均匀梯度电场力，等离子体的改变将是一个复杂的整体效应。
3、工件孔内电子受磁场影响会先向曲率半径最小区域聚集，从而牵制带正电离子形成等离子体密集区。磁极处为曲率半径最小区域，应避免磁极周围密集的磁场处于孔内产生等离子体的严重非均匀区域，以更均匀的趋势向孔内延伸，提高镀膜深径比。
附图说明
图1为本发明的磁体部件构造结构示意图；
图2为本发明的磁场部件内部局部磁场分布示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图，本发明提供的一种实施例：一种通过外加磁场提高PVD管筒状工件镀膜深径比的方法，包括如下步骤：
(1)预处理：将工件内外表面清洗干净，去除油污，脱去氧化膜；根据工件尺寸合理装夹磁场部件，检测磁场无误后放入工作腔体内，工件内孔正对靶位，靶基距28-30mm；抽真空，升温；
(2)生成基础膜层：本底真空抽至8.0×10-3Pa以下，腔室温度升至200℃。通入Ar，直流偏压设定为200V；启动Cr弧靶，在工件内外表面沉积Cr基础膜层，沉积时间30s；
(3)生成功能膜层：关闭Ar和Cr弧靶，通入N2(流量为500sccm)，其中，脉冲偏压设定为40～80V启动CrAl合金靶，在工件内外工作面沉积CrAlN功能膜层，沉积时间25min；
(4)薄膜沉积完成后，依次关闭弧靶、电源，逐步降温升压至腔室温度100℃以下，取出工件。
实施案例一：
选取Φ8×3尺寸的圆柱Sm2Co17磁体，将圆柱Sm2Co17磁体N极与S极首尾相连呈长条柱状；再将足够数量的长条柱状磁体强制紧密覆盖在尺寸为Φ38×Φ31.5×77的管筒状不锈钢工件外表面，构成管筒状磁体。通过强制连接同极磁极，在孔内形成近似平行于内壁的管筒状磁场区域。S极全部朝向靶位方向，磁感线贯通内孔，磁体距离工件前端36mm，磁体环宽度34mm，磁体环表面距离孔内壁7mm，贯穿的磁感线磁场强度为10～40mT，工件前端距离靶位300mm。按照前述实施步骤进行镀膜。
结果：磁体距离孔内壁7mm，孔内磁场屏蔽了与孔内壁磁感线近似垂直的磁场分布区域，孔内完全镀膜深度达到48.3mm，与未加磁体部件的工件27mm相比,镀膜深径比约提高了21.3mm。
实施案例二：
选取Φ5×3尺寸的圆柱Sm2Co17磁体，将圆柱Sm2Co17磁体N极与S极首尾相连呈长条柱状；再将足够数量的长条柱状磁体强制紧密覆盖在尺寸为Φ38×Φ31.5×77的管筒状硬质合金工件外表面，构成管筒状磁体。通过强制连接同极磁极，在孔内形成近似平行于内壁的管筒状磁场区域。S极全部朝向靶位方向，磁感线贯通内孔，磁体距离工件前端25mm，磁体环宽度64mm，磁体环表面距离孔内壁10mm，贯穿的磁感线磁场强度为10～40mT，工件前端距离靶位300mm。按照前述实施步骤进行镀膜。
结果：孔内完全镀膜深度达到53mm，与未加磁体部件的工件27mm相比,镀膜深径比约提高了26mm。
其中，所述工件基材选取不锈钢和硬质合金。
其中，所述的磁场部件要使孔内磁场强度最小值大于10mT，磁场方向平行内孔表面且S极指向靶位；根据工件尺寸可选取不同的磁体尺寸及磁场强度。
其中，所述的磁场部件的制作方式及构造如下：选取尺寸相同的小圆柱Sm2Co17磁体，根据工件轴向长度需求，将小圆柱Sm2Co17磁体N极与S极首尾相连呈长条柱状；再将足够数量的长条柱状磁体强制紧密覆盖在管筒状工件外表面，构成管筒状磁体。
其中，所述的磁场部件，通过强制连接同极磁极在孔内形成近似平行于内壁的管筒状磁场区域。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种通过外加磁场提高PVD管筒状工件镀膜深径比的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)预处理：将工件内外表面清洗干净，去除油污，脱去氧化膜；根据工件尺寸合理装夹磁场部件，检测磁场无误后放入工作腔体内，工件内孔正对靶位，靶基距28-30mm；抽真空，升温；
2)生成基础膜层：本底真空抽至8.0×10-3Pa以下，腔室温度升至200℃。通入Ar，直流偏压设定为200V；启动Cr弧靶，在工件内外表面沉积Cr基础膜层，沉积时间30s；
3)生成功能膜层：关闭Ar和Cr弧靶，通入N2(流量为500sccm)，其中，脉冲偏压设定为40～80V；启动CrAl合金靶，在工件内外工作面沉积CrAlN功能膜层，沉积时间25min；
4)薄膜沉积完成后，依次关闭弧靶、电源，逐步降温升压至腔室温度100℃以下，取出工件。
2.根据权利要求1所述一种通过外加磁场提高PVD管筒状工件镀膜深径比的方法，其特征在于：所述工件基材选取不锈钢和硬质合金。
3.根据权利要求1所述的一种通过外加磁场提高PVD管筒状工件镀膜深径比的方法，其特征在于：所述的磁场部件要使孔内磁场强度最小值大于10mT，磁场方向平行内孔表面且S极指向靶位；根据工件尺寸可选取不同的磁体尺寸及磁场强度。
4.根据权利要求1所述的一种通过外加磁场提高PVD管筒状工件镀膜深径比的方法，其特征在于：所述的磁场部件的制作方式及构造如下：选取尺寸相同的小圆柱Sm2Co17磁体，根据工件轴向长度需求，将小圆柱Sm2Co17磁体N极与S极首尾相连呈长条柱状；再将足够数量的长条柱状磁体强制紧密覆盖在管筒状工件外表面，构成管筒状磁体。
5.权利要求4所述的一种通过外加磁场提高PVD管筒状工件镀膜深径比的方法，其特征在于：所述的磁场部件，通过强制连接同极磁极在孔内形成近似平行于内壁的管筒状磁场区域。
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