工业生产型PCVD法工模具表面强化设备及其应用

工京航空航天大学 陶冶 张凌云 王吉吉 刘培英
[ 摘要] 介绍了一种新型的用于工业生产的 P CV D 法工模具表面强化设备。设备的有效容积为 480m m×800m m, 装载量可以达到300kg 以上。其中自行设计的内热式加热系统, 采用了高压脉冲 等离子电源和多路蒸发系统。用该设备可以制备 T iN 系薄膜和 T iSiN 、T iA l N 等三元系薄膜, 批量 处理各类金属切削刀具和模具, 并且显著提高工模具的使用寿命。还介绍了有关的工艺技术和设备 技术。
关键词: PCV D 设备 表面强化 切削刀具和模具 [ A bst ract ] A new m ass -product ion-t y pe PCV D equipment f or s ur face s t rengt hening o f t oo ls and / o r dies is int roduced in t his paper . T he eff ect ive capacit y of t he equipm ent is of 480m m × 800mm , and t he loading capacit y can be m ore t han 300kg. T here are adv anced design of t he inner heat ing s ys tem w hich uses t he hig h v olt age and puls ed plas ma pow er and mult iple pat h vapo rizatio n sy st em. N o t o nly can T iN t ype coat ing but poly bas ic co at ings of T iSiN , T iA lN be pr epared w ith t he equipment. A l so various cutt ing t ools and dies can be surface s t rengt hened in bat ches and t he service life of t ools and dies can be markedly pr olonged. Keywords: P CV D equipm ent Surface st rengt hening Cutt ing to ols and dies
80年代末期, 发展了脉冲直流 P CV D 技术。脉冲 直流等离子场是一种非平衡等离子场, 它比直流的 平衡等离子场有更高的离化率。在脉冲频率较高时, 断电周期短于离子寿命, 即在断电周期内离子仍保 持离化状态; 脉冲直流等离子场中 T iCl4的离化率可 达到10% ～15% 。国外用脉冲直流 P CV D 法制备的 T iN 系薄膜的性能已优于 PV D 法薄膜。使用脉冲直 流电源在镀膜过程中导通时间仅为20% ～40% ( 即 断电时间80% ～60% ) 即可, 因此, 离子轰击附加的 热效应可以大大减少, 有利于工艺过程的精确控温。 脉冲直流等离子场对于狭缝、深孔的均镀能力也显 著优于直流等离子场, 且灭弧能力优于直流场, 使得 工艺过程更为平稳。
真空室的前开门式结构, 而外炉罩式结构无法实现 这一点。
由于有以上优点, 内热式加热系统耗能低, 加热 速度快。加热系统总功率仅为12kW, 若为外热式加 热, 至少需要30kW。当设备装载量为100kg 时, 1. 5h 以内就可以从室温加热到773K 以上, 而用外热式加 热系 统时, 30kW 功率, 100kg 装载 量, 至少 需要3h 以上才能加热到773K 。
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合膜的硬度、结合力和微观结构均优于单层膜。
3 工业生产型 PCV D 法工模具表面强化设备
1. PCVD 设备技术发展概况 PCV D 表面强化技术是在80年代中期发展起来
的。早期 的设备主要 为“冷壁”的直流 电源型。所谓 “冷壁”是指工件依靠离子轰击加热, 没有外热式加 热源, 与离子氮化的加热方式相近。“冷壁”P CV D 设 备结构简单, 但因真空室内空间温度较低, 等离子化 学反应不充分, 沉积的薄膜含氯离子量高, 薄膜缺陷 多, 因此性能较差。炉壁上吸附大量 T iCl4 不完全分 解产物, 清洁度很差。这种结构很快为“热壁”结构所 取代。热壁结构是采用专门的外热源来对工件和真 空室内的空间进行加热, 使空间环境温度与工件温 度基本接近, 可以促进等离子化学反应, 降低薄膜中 的氯离子含量, 薄膜缺陷减少, 炉壁也很清洁。外热 源一般是在真空室外套一个加热炉罩, 目前国外的 工业用 PCV D 表面强化设备均采用这种结构。这种 结构的缺点是加热速度较慢、耗能高。
图1 脉冲直流 PCVD 设备 ( 1) 真空系统 真空室外形尺寸为 800m m ×1300mm , 有效容 积( 有效工作区尺寸) 480mm ×800mm, 配机械泵, 极限真空度为5×10-1P a。装载量300kg 。真空室为前 开门式结构, 这种结构省去了提升机构, 便于工件的 装卸, 工艺操作简便。国外目前普遍采用的提升式钟 罩型真空室, 每次装卸工件要用起重机构将钟罩提 升到一定高度, 操作比较麻烦。 ( 2) 脉冲直流等离子电源系统 电源频率为1000Hz , 功率50kW, 脉冲波型为方 波, 采用了智能型的三级保护电路。利用电流、电压 变化特征值判断, 若出现散弧, 系统自动切断200 s 灭弧, 然后自动复位, 可以连续进行“切断—复位”过 程; 若出现集中连续弧, 系统自动切断, 必须手动重 调复位; 若出现短路, 系统自动切断主电源, 以保护 主工作元件。系统的导通比可在0. 2～0. 8之间连续 调 节。当加热工件时, 可采用较高的导 通比( 0. 6～ 0. 8) , 得到快的加热速度; 在镀膜过程中, 采用较低 的导通比( 0. 2～0. 4) , 以减小附加热效应, 使温控准 确, 同时降低能耗。 ( 3) 蒸发和气流控制系统 采用双路蒸发系统, 两个蒸发源可以独立地蒸 发不同的金属卤化物蒸气。因此, 既可以沉积二元薄 膜, 如 T iN 、T iC 等, 也 可 以 沉 积 多 元 薄 膜, 如 T iA l N 、T iSiN 等。气体流量均采用精密质量流量计 来控制。 ( 4) 温控加热系统 加热系统采用了独特设计的内热式结构, 整个 加热系统置于真空室内部, 与传统的“外炉罩”式的 加热方式相比, 它有许多优点, 如重量轻, 内热式加 热系统仅相当于外热式系统总重量的1/ 3～1/ 5; 加
2T iCl4+ H2 →2T iCl3 + 2HCl 2T iCl3+ H2 →2T iCl2 + 2HCl 然后是气相沉积形成薄膜的反应: 2T iCl2+ N 2 + 2H2→2T iN + 4HCl 2T iCl3+ N 2 + 3H2→2T iN + 6HCl 除了上述化学反应外, 还存在着复杂的等离子 反应, 如离子的定向运动、电子碰撞等, 均对整个反 应过程起到激活和促进作用。 如果按比例通入 CH4、H2 和 T iCl4等 工作气体, 按上述工艺则可以沉积 T iC 薄膜; 也可以按比例通 入 CH4 、N 2、H2和 T iCl4 等工作气体, 实现沉积 T iCN 薄膜。若交替沉积 T iN 和 T iCN , 则可形成多层复合 膜。国外刀具强化多采用复合膜, 多者可达11层。复
90 年 代 以 来, 国 际 上 投 入 工 业 生 产 使 用 的 PCV D 设备均为热壁的脉冲直流式设备。
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2. 新研制的工业生产型脉冲直流 PCVD 设备 我 们 于 1995年 底 研 制 出 了 新 型 的 脉 冲 直 流 PCV D 工模具表面强化工业生产设备。设备结构框 图如图1所示, 主要由真空系统、脉冲直流等离子电 源系统、蒸发与气流控制系统、温控加热系统、工件 装载系统、电极和气流分式系统以及其他辅助系统 组成。下面简要介绍该设备的原理和主要设计思想。
1 前 言
气相沉积硬质薄膜技术作为一种有效的表面强 化方法已广泛地用于刀具表面强化, 可以显著提高 刀 具寿命。其中, 化学气相沉积法( CV D 法) 国外在 70 年代 初投 入 工业 应用 。它 具有 薄 膜结 合 力优 良、绕 ( 均) 镀性好、可实现成分连续调控等优点, 但是, 这 种方法工艺温度高达1273K 以上, 限制了其应用范 围, 一般只用于硬质合金工具的表面强化。物理气相 沉积法( P V D 法) 国外在80年代初投入工业应用, 该 方法工艺温度可降至773K , 因此, 除了硬质合金工具 外, 也 适用于高速钢 刀具。它的主 要缺点是绕 镀性 差, 只有面对靶的区域能够均匀镀覆, 对于多元薄膜 不能实现成分连续调控。等离子体化学气相沉积法 ( P CV D 法) 是90年代初期投入工业应用的表面强化 新技术。它具有工艺温度低, 绕镀性好, 结合力良好, 可 实 现成 分 连 续调 控 等 特 点, 即兼 有 CV D 法 和 PV D 法的优点, 同时避免了二者的缺点。PCV D 法 由于具有绕镀性良好的特点, 特别适用于复杂形状 的各类模具的表面强化, 对复杂的曲面、型腔、内孔、 狭缝均可均匀镀覆。所以 P CV D 法是目前唯一既适 用于各类模具表面强化, 又适用于各类刀具表面强 化, 应用范围最广泛的气相沉积表面强化技术。
( 5) 装载系统 采用小车式装载架, 在装卸工件时, 装载架可以 拉出真空室, 便于装卸较重的工件。最大装载量可达 300kg 以上。 ( 6) 电极和气流分布系统 电极系统的关键是阴阳极界面的设计。在大功
早期的 PCV D 设备均采用直流电源, 直流电源 结构简单、廉价, 但用直流电源所形成的直流等离子 场有两大缺点: 其一是离化率太低, 在直流等离子场 中, T iCl4的离化率仅有0. 5% ～1% 。另一点是附加的 离子轰击热效应大, 容易造成工件过热失效。也曾有 人试用过射频电源( RF ) , 发现射频等离子场中的气 体离化率显著高于直流等离子场, T iCl4 的离化率可 达到10% ～20% , 提高了10倍以上。离化率的提高使 沉积工艺条件得以优化, 从而可以改善薄膜的微观 结构和性能。但射频场对形状匹配要求过严, 不能适 合复杂形状工模具强化的要求。若采用微波电源, 因 微波等离子场有极高的离化率, 虽可实现室温沉积, 但也不适用于大型、复杂形状的实际工件。