CN2910965Y - 纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置，是在已有的热阴极离子镀膜机结构的基础上，在其真空蒸镀室室壁四周设置了2～6个磁控溅射源和与之相连的匹配电源。每个磁控溅射源主要由法兰座、壳体、衬板、磁钢、挡块、冷却底板、硅板、压套、密封绝缘件和冷却水嘴等构成。由于本实用新型将离子蒸发镀与磁控溅射二元技术结合为一体，因而既可发挥离子蒸发镀较高离化率，使薄膜组织的致密性、均匀性及粘结强度提高的特点，又解决了已有热阴极离子镀膜机不能蒸发Si材料的技术难题，且绕镀性好，使之能连续交替形成符合使用要求的TiN、SiNx薄膜，是工模具表面改性的一种新型的、具有工业化价值的纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置。

Description

纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置

一、技术领域

本实用新型属于金属材料工模具表面硬质镀膜装置技术领域，具体涉及一种纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置

二、背景技术

为了使金属材料工模具如切削刀具等获得优良的综合机械性能，提高其使用寿命和机械加工效率，解决思路之一是对工模具表面进行改性，使之覆盖上硬质薄膜材料来获得，因此，硬质薄膜材料及工模具表面改性技术是备受材料界关注的研究领域之一。

随着纳米科学与技术的研究日趋升温，目前在工模具表面覆盖的纳米硬质薄膜可分为两大类，一类纳米复合超硬薄膜，另一类是纳米超硬多层薄膜。纳米复合超硬薄膜是德国慕尼黑工业大学S.Veprek教授在1995年提出的。S.Veprek教授在对Ti-Si-N纳米复合超硬薄膜进行了较***的基础与应用研究后，已于上世纪末，将其在德国、瑞士、捷克等欧洲国家的涂层公司(如SHM、Platit)进行了工业化应用。S.Veprek教授的Ti-Si-N纳米复合超硬薄膜主要是采用真空柱状电弧离子镀及等离子体辅助化学气相沉积技术获得的，且其工业化生产设备是建立在真空柱状电弧离子镀设备基础之上的，并已申请了专利(S.Veprek，S.Reiprich and Li Shizhi，Superhard nanocrystallinecomposit materials：The c-TiN/a-Si3N4 system，Appl.Phys.Lett.，66(1995)2640)。虽然获得的Ti-Si-N纳米复合超硬薄膜较之传统的单一的氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)硬质薄膜，使刀具、模具的加工效率和使用寿命明显得到了提高，但由于该项技术在工业化生产上主要采用的是真空柱状电弧离子镀技术，目前主要适合于硬质合金旋转棒式切削刀具涂层，因而在可转位刀片及大型齿轮刀具等工件镀膜方面，并不具备技术上的优势，且难于在大范围及复杂型面的切削刀具上形成所谓的复合结构膜，另外，由该技术所形成的薄膜表面仍显粗糙，从而影响了其在精密切削领域中的应用。

纳米超硬多层薄膜研究的人员较多，如英国Sheffield Hallam大学的Dieter Munz教授在2000年提出的超晶格薄膜就是一种纳米超硬多层薄膜。该薄膜的提出不仅为Ti-Si-N纳米多层超硬薄膜的研究开辟了空间，同时也引发了各国学者的研究热情。超晶格薄膜的超硬性和力学性主要来自于其组成物(包括氮化物/氮化物、氮化物/碳化物、碳化物/碳化物、氮化物或碳化物/金属、氮化物/氧化物等)的性质及超细显微结构，尽管这些组成物的常规块状材料硬度远没有达到40Gpa，但当膜的显微结构组织达到纳米数量级时，由两种或两种以上这些组成物构成的多层膜系的力学性能会发生极大的变化，得到任何单一组分膜所不具备的硬度和弹性模量(《纳米表面工程》，化学工业出版社，ISBN7-5025-4789-4/TQ·1813，P147)。又如上海交通大学公开的“超硬纳米多层薄膜及其制作工艺”(CN1254032A)制备的也是一种纳米超硬多层薄膜。该工艺是在金属或陶瓷或其他材料的基体上，利用反应溅射沉积法制取NbN层和TaN层多层薄膜，并可根据使用要求交替制取NbN层和TaN层，其制取工艺步骤为：首先将金属或陶瓷或其他材料的基体表面作镜面抛光处理，然后再利用反应溅射沉积法交替制取NbN层和TaN层多层薄膜，各层厚度控制在1.5nm～9.0nm，且厚度比为1，交替沉积多层薄膜总厚度为1μm～3μm。虽然公开的制备纳米多层超硬薄膜的现有技术各有其特点，但制备过程中仍然不同程度地存在以下一些问题：①由于制备Ti-Si-N超硬多层薄膜普遍采用的是离化率低、离子能量低的阴极溅射法，尽管非平衡磁场、辅助离子源技术的建立弥补了该技术上的一些缺陷，但相对离化率仍然偏低、且绕镀性差，因而在一定程度上影响了其在工模具领域的应用，尤其是不利于复杂型面的镀膜；②调制周期的控制难度大、稳定性差，且目前所有的工业应用技术所能达到的调制周期约为100～200纳米，而理论研究的出的数据通常要求低于50纳米，否则超硬效应无法体现；③虽然在实验室中能在抛光试片上可获得纳米多层薄膜，但在工业制备过程中存在薄膜与基材的粘结强度低，易剥落，无法满足使用要求的现象；④Ti-Si-N纳米多层薄膜具有较高的内应力，薄膜易破裂而导致剥落。因而在实际工模具上尚无法制备出符合应用要求的纳米多层超硬薄膜，几乎不存在工业应用价值。

三、发明内容

本实用新型的目的是针对已有技术存在的问题，提供一种纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置，该装置制备的纳米多层钛硅氮超硬薄膜能符合使用要求，并能达到工业化生产水平。

本实用新型的设计理念来源于热阴极离子镀技术工业化生产的稳定性，且依据物理气相沉积离子镀膜能产生大密度、高能量离子，有助于薄膜组织的致密性、均匀性及粘结强度提高的特点，在现有的Balzers热阴极离子镀膜机的工作原理基础上，增加了磁控溅射蒸发源，从而创新性地建立了一种二元蒸发源离子镀技术，并且根据该技术具体设计了实用性强，并能达到工业化生产水平的纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置。

本实用新型提供的纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置，包括底盘进出机构、底盘、底盘升降机构、坩埚、坩埚升降机构、辅助阳极、工模具夹具、工模具夹具转动机构、真空蒸镀室、支架、磁场线圈、氩气充气口、氮气充气口、大气充气口、真空测量口、热阴极丝、真空抽气管和真空机组，其中底盘进出机构位于真空蒸镀室支架下部，并与支架相连；底盘升降机构位于支架内；底盘由底盘进出机构送入底盘升降机构，再由底盘升降机构提升与安装在支架上的真空蒸镀室相连；坩埚位于底盘中部，安放在固连于底盘的坩埚升降机构上；辅助阳极安装在坩埚旁侧的底盘上；工模具夹具分布固连于坩埚四周的底盘上，并与各自位于底盘下的工模具夹具转动机构相连；真空蒸镀室固定在支架上，室壁一侧开有真空抽气孔，并通过其上连接的真空抽气管与真空机组相连，真空抽气孔相邻一侧的室壁上开有观察孔；磁场线圈为两个，分别包覆在真空蒸镀室上、下端的外壁上；热阴极丝安装在真空蒸镀室顶盖中部，并与坩埚相对；氩气充气口穿过热阴极丝安装在真空蒸镀室顶盖中心线上；氮气充气口、大气充气口和真空测量口位于氩气充气口外侧的真空蒸镀室顶盖上，其特征在于在真空蒸镀室室壁四周还设置有2～6个磁控溅射源和与之相连的匹配电源，该磁控溅射源包括法兰座、壳体、衬板、磁钢、挡块、冷却底板、硅板、压套、密封绝缘件和冷却水嘴，其中法兰座的截面形状呈“π”形，镶嵌焊接在真空蒸镀室室壁匹配的孔中；壳体为一截面形状呈“π”形的盘，由连接件固连在法兰座的外端面上，密封绝缘垫安放其间，壳体盘内的阶梯凹槽中依次安放衬板、磁钢和挡块，挡块分布在磁钢之间，并与磁钢位于同一平面；冷却底板覆盖在壳体的阶梯凹槽外，使磁钢、挡块和冷却底板之间形成一空间作为冷却水道；冷却水嘴穿过壳体、衬板、磁钢和挡块，与冷却水道相通；硅板安放在冷却底板上，并由截面呈“凹”形的压套固定，压套的凹槽底开有通孔；压套、冷却底板通过连接件固连在壳体盘槽的底端面。

使用时，先将已清洗的、需镀膜的工模具固定在位于底盘的工模具夹具上，放有金属钛的坩埚置于底盘的坩埚升降机构上，开动底盘进出机构和底盘升降机构将底盘送至真空蒸镀室底部并与之连接为一体；然后打开真空机组对真空蒸镀室抽真空，并通过真空测量口测量真空蒸镀室的真空度，以保证整个涂层过程处于真空状态；其后打开氩气充气口，向真空蒸镀室内通入氩气，并同时给热阴极丝和磁场线圈通电，在低电压、大电流的条件下，热阴极丝发射出强电子束，以对由工模具夹具转动机构驱动而连续转动的被镀工模具进行加热及离子刻蚀；再后，由于电子束受坩埚电位及磁场的影响，被引入坩埚，使置于坩埚中的金属钛被加热熔化、蒸发，在坩埚上方形成等离子区，随后打开氮气充气口通入氮气，并开启与磁控溅射源相连的匹配控制电源，使磁控溅射靶源产生辉光放电，并将硅以原子的形式从硅板上溅射出，同时在靶面附近被离化；由于置于工模具夹具上的工模具通过偏压电源被施加以负电压，一方面使离化了的钛离子加速向工模具运动，并与氮离子一起在工模具表面上反应生成TiN薄膜，另一方面，由于磁控溅射源的硅板也在不断地溅射形成硅离子，因而也使其与氮离子一起在工模具表面上反应生成SiN_X薄膜。当被镀工模具某一表面转至正对坩埚时，则在该表面处反应生成TiN膜；当被镀工模具继续转动，使该表面转至正对于磁控溅射靶时，则可在此处反应生成SiN_X膜。由于在整个镀膜过程中，工模具始终处于连续转动之中，从而保证了工模具各表面可连续、交替形成TiN、SiN_X薄膜，达到制备多层Ti-Si-N薄膜的目的。当被镀工模具镀膜达到要求后，先关闭主电源、氩气充气口、氮气充气口，经过一段冷却时间，然后打开大气充气口，使真空蒸镀室内气压与室外大气压一致后，将底盘与真空蒸镀室分离，并由底盘升降机构向下运送至底盘进出机构上，最后由底盘进出机构将其运送至支架外，即可将被镀工模具从工模具夹具取下。

另外，由于坩埚可以通过坩埚升降机构进行升降，故而在镀膜沉积过程中，可以通过控制坩埚位置的变化，在轴线方向实现对薄膜厚度的控制。

本实用新型与已有技术相比，具有以下优点：

1、由于本实用新型是将离子蒸发镀与磁控溅射二元技术结合为一体设计的，因而可取长补短，既可充分发挥离子蒸发镀具有较高离化率，有助于薄膜组织的致密性、均匀性及粘结强度提高的特点，又有效的解决了原Balzers热阴极离子镀膜机不能蒸发Si材料的技术难题，且绕镀性优于磁控溅射法，是工模具表面改性的一种新型的纳米多层钛硅氮超硬薄膜涂层装置。

2、由于本实用新型可以使连续转动的工模具在整个镀膜过程中，始终保持在同一时间里至少有两个表面在被镀中，因而与传统的单一方法相比，本实用新型可保证工模具各表面薄膜生长过程的连续性，使之能交替形成TiN、SiN_X薄膜，达到制备纳米多层Ti-Si-N薄膜的目的，并可通过控制蒸发源与待涂工模具的转动时间、空间关系，可以调节各膜层恰当的生长速度，使纳米层调制周期能得到精准的控制。

3、由于用本实用新型获得的涂层都是以离子结合方式形成的膜层，因此特别利于纳米尺度膜层的形成及控制，并可使获得的Ti-Si-N纳米多层超硬薄膜与传统的TiN薄膜相比硬度可提高50％以上，达到Hv3000以上；而高温抗氧化温度也由500℃提高到700℃。

4、由于用本实用新型可以通过电流分别控制两个蒸发源的蒸发速率，实现对TiN/SiN_X膜层结构的调整，获得达到10Kg以上的理想粘结强度，并将薄膜内应力控制在合理的范围内，因而解决了要使Ti-Si-N超硬薄膜达到应用水平，而必须解决的薄膜内应力的控制及与基材的粘结强度的提高这两个关键技术。

5、由于用本实用新型的设计理念来源于热阴极离子镀技术工业化生产的稳定性，因而赋予了其极具工业化生产的功能，并通过应用试验验证了本实用新型可广泛应用于各类高速钢、硬质合金切削刀具的涂层加工，且已达到工业化生产水平，使获得的各类切削刀具涂层的寿命比TiN涂层刀具可提高200％，对于高速钢刀具而言，与目前国际水平的TiAlN涂层刀具寿命相当，而硬质合金Ti-Si-N涂层刀具寿命较TiAlN涂层刀具可提高50％～100％。

四、附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型真空蒸镀室的俯视结构示意图；

图3为本实用新型磁控溅射源的剖视结构示意图；

图4为本实用新型实施例的磁钢和挡块排布的半剖结构示意图。

五、具体实施方式

下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实用新型包括主要由底盘进出机构1、底盘4、底盘升降机构3、坩埚5、坩埚升降机构19、辅助阳极6、工模具夹具7、工模具夹具转动机构2、真空蒸镀室9、支架18、磁场线圈17、氩气充气口22、氮气充气口20、大气充气口14、真空测量口21、热阴极丝10、真空抽气管15、真空机组16构成的热阴极离子镀膜机、磁控溅射源8和与之相连的匹配电源37。

热阴极离子镀膜机本实施例选用由成都工具研究所制造的CTI-830热阴极离子镀膜机。该机中底盘进出机构1位于真空蒸镀室9下部，并与支架18相连，底盘升降机构3位于支架18内，底盘4由底盘进出机构1送入底盘升降机构3，再由底盘升降机构3提升与安装在支架18上的真空蒸镀室9相连为一体。坩埚5位于底盘4中部，安放在固连于底盘的坩埚升降机构19上，可由其上升或下降来控制坩埚5在真空蒸镀室9中的位置，以在轴线方向实现对薄膜厚度的控制。辅助阳极6与坩埚5同心，安装在坩埚5旁，以通过产生的正电场来引导电子束离化坩埚5中的金属钛。工模具夹具7分布固连于坩埚四周的底盘4上，并与各自位于底盘下的工模具夹具转动机构2相连。工模具夹具7的结构需与镀膜工模具12的结构相匹配，这些都是本领域的普通技术人员熟知的知识。本实施例图1中显示的镀膜工模具12为一滚刀。真空蒸镀室9固定在支架18上，室壁一侧开有真空抽气孔13，并通过其上连接的真空抽气管15与真空机组16相连，观察孔11开在真空抽气孔13相邻一侧的室壁上。磁场线圈17为两个，分别包覆在真空蒸镀室9上、下端的外壁上，与电源相连，并可通过电源控制产生的磁场大小。热阴极丝10安装在真空蒸镀室9顶盖中部，并与坩埚5相对。氩气充气口22穿过热阴极丝10安装在真空蒸镀室9顶盖中心线上，氮气充气口20、大气充气口14和真空测量口21位于氩气充气口22外侧的真空蒸镀室9顶盖上，见图2。

磁控溅射源8设置在真空蒸镀室9室壁四周，可设置2～6个，本实施例设置了4个，见图2。整个磁控溅射源8的形状可设计为矩形或圆形，本实施例为矩形，见图4。每个磁控溅射源8主要包括法兰座23、壳体24、衬板31、磁钢25、挡块28、冷却底板29、硅板32、压套34、密封绝缘件35和冷却水嘴30，如图3所示。其中法兰座23的截面形状呈“π”形，镶嵌焊接在真空蒸镀室9室壁匹配的孔中。壳体24为一截面形状呈“π”形的盘，由连接件36即螺钉固连在法兰座23的外端面上，密封绝缘件35安放其间，壳体24盘内的阶梯凹槽中依次安放衬板31、磁钢25和挡块28。挡块28分布在磁钢25之间，并与磁钢25位于同一平面，见图4，且磁钢25的排布应使产生的磁场呈封闭磁场。冷却底板29覆盖在壳体24的阶梯凹槽外，以使磁钢25、挡块28和冷却底板29之间形成一空间作为冷却水道。冷却水嘴30穿过壳体24、衬板31、磁钢25和挡块28，与冷却水道相通，以对硅板32进行冷却。硅板32安放在冷却底板29上，并由截面呈“凹”形的压套34固定，压套34的凹槽底开有通孔。压套34、冷却底板29通过连接件36即螺钉固连在壳体24盘槽的底端面。为了防止磁控溅射源的硅板32被其它的磁控溅射源8溅射的离子污染和屏蔽真空蒸镀室9的磁场对硅板32的影响，在每个磁控溅射源8中还设置了一个防护罩33，该防护罩33为一平板，中部开有通孔，由连接件36固连在位于真空蒸镀室9室壁内的法兰座23底端面。

另外，在每个磁控溅射源8中还设置了一个压板26和一个绝缘板27，它们依次固连在壳体24外侧，以固定壳体24和防止磁控溅射源8的电场对人体产生的影响。

与磁控溅射源8相连的匹配电源37为中频电源，与磁控溅射源的压板26连接。

实施例2

本实施例纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置与实施例1不同之处在于磁控溅射源8为3个，形状为圆形，其余部件的结构、形状和连接关系因同实施例1完全相同，故略去不述。

实施例3

本实施例纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置与实施例1不同之处在于磁控溅射源8为5个，其余部件的结构、形状和连接关系因同实施例1完全相同，故略去不述。

Claims (7)

1、一种纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置，包括底盘进出机构(1)、底盘(4)、底盘升降机构(3)、坩埚(5)、坩埚升降机构(19)、辅助阳极(6)、工模具夹具(7)、工模具夹具转动机构(2)、真空蒸镀室(9)、支架(18)、磁场线圈(17)、氩气充气口(22)、氮气充气口(20)、大气充气口(14)、真空测量口(21)、热阴极丝(10)、真空抽气管(15)和真空机组(16)，其中底盘进出机构(1)位于真空蒸镀室支架(18)下部，并与支架(18)相连；底盘升降机构(3)位于支架(18)内；底盘(4)由底盘进出机构(1)送入底盘升降机构(3)，再由底盘升降机构(3)提升与安装在支架上的真空蒸镀室(9)相连；坩埚(5)位于底盘(4)中部，安放在固连于底盘的坩埚升降机构(19)上；辅助阳极(6)安装在坩埚(5)旁；工模具夹具(7)分布固连于坩埚四周的底盘(4)上，并与各自位于底盘下的工模具夹具转动机构(2)相连；真空蒸镀室(9)固定在支架(18)上，室壁一侧开有真空抽气孔(13)，并通过其上连接的真空抽气管(15)与真空机组(16)相连，真空抽气孔(13)相邻一侧的室壁上开有观察孔(11)；磁场线圈(17)为两个，分别包覆在真空蒸镀室(9)上、下端的外壁上；热阴极丝(10)安装在真空蒸镀室(9)顶盖中部，并与坩埚(5)相对；氩气充气口(22)穿过热阴极丝(10)安装在真空蒸镀室(9)顶盖中心线上；氮气充气口(20)、大气充气口(14)和真空测量口(21)位于氩气充气口(22)外侧的真空蒸镀室(9)顶盖上，其特征在于在真空蒸镀室(9)室壁四周还设置有2～6个磁控溅射源(8)和与之相连的匹配电源(37)，该磁控溅射源(8)包括法兰座(23)、壳体(24)、衬板(31)、磁钢(25)、挡块(28)、冷却底板(29)、硅板(32)、压套(34)、密封绝缘件(35)和冷却水嘴(30)，其中法兰座(23)的截面形状呈“π”形，镶嵌焊接在真空蒸镀室(9)室壁匹配的孔中；壳体(24)为一截面形状呈“π”形的盘，由连接件(36)固连在法兰座(23)的外端面上，密封绝缘件(35)安放其间，壳体(24)盘内的阶梯凹槽中依次安放衬板(31)、磁钢(25)和挡块(28)，挡块(28)分布在磁钢(25)之间，并与磁钢(25)位于同一平面；冷却底板(29)覆盖在壳体(24)的阶梯凹槽外，使磁钢(25)、挡块(28)和冷却底板(29)之间形成一空间作为冷却水道；冷却水嘴(30)穿过壳体(24)、衬板(31)、磁钢(25)和挡块(28)，与冷却水道相通；硅板(32)安放在冷却底板(29)上，并由截面呈“凹”形的压套(34)固定，压套(34)的凹槽底开有通孔；压套(34)、冷却底板(29)通过连接件(36)固连在壳体(24)盘槽的底端面。

2、根据权利要求1所述的纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置，其特征在于在每个磁控溅射源(8)中还包括一个防护罩(33)，该防护罩(33)为一平板，中部开有通孔，由连接件(36)固连在位于真空蒸镀室(9)室壁内的法兰座(23)底端面。

3、根据权利要求1或2所述的纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置，其特征在于在每个磁控溅射源(8)中还包括一个压板(26)和一个绝缘板(27)，它们依次固连在壳体(24)外侧。

4、根据权利要求3所述的纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置，其特征在于与磁控溅射源(8)相连的匹配电源(37)为中频电源，与磁控溅射源的压板(26)连接。

5、根据权利要求1或2所述的纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置，其特征在于通过在真空蒸镀室(9)室壁四周设置的磁控溅射源(8)为4个，形状为矩形。

6、根据权利要求3所述的纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置，其特征在于在真空蒸镀室(9)室壁四周设置的磁控溅射源(8)为4个，形状为矩形。

7、根据权利要求4所述的纳米多层钛硅氮超硬薄膜工模具涂层装置，其特征在于在真空蒸镀室(9)室壁四周设置的磁控溅射源(8)为4个，形状为矩形。

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