在模具上形成多层镀膜的装置及方法.pdf

本发明涉及一种在模具上形成多层膜的装置及方法。该形成多层膜的方法利用不同的靶材依次在模具上用交流磁控溅镀法形成一过渡层、一含氮类金刚石碳层、一含氮氢类金刚石碳层及一含氢类金刚石碳层，该过渡层包括一纳米黏结层及一纳米中间层。该制备多层镀膜的装置利用多个溅镀腔，可连续进行镀膜。使用本发明的装置及方法，可快速得膜层不易脱落，磨擦系数低，耐磨性佳，抗腐蚀性强的镀膜。

1.  一种多层镀膜的制备装置，其包括一溅镀系统；
该溅镀系统包括依次序设置的一第一真空腔、一第二真空腔、一第三真空腔、一第四真空腔、一第五真空腔，及依次分别设置在想邻两真空腔之间的一过渡层溅镀腔、一含氮类金刚石碳溅镀腔、一含氮氢类金刚石碳溅镀腔、一含氢类金刚石碳溅镀腔，各真空腔与溅镀腔之间以阀门实现连通与闭合；过渡层溅镀腔中设置有黏结层靶材及中间层靶材，该含氮类金刚石碳溅镀腔、该含氮氢类金刚石碳溅镀腔及该含氢类金刚石碳溅镀腔中设置有含碳靶材，所有溅镀腔中均包括惰性气体。

2.  如权利要求1项所述的多层镀膜的制备装置，其特征在于所述黏结层靶材为铬、钛、或钛化铬。

3.  如权利要求1项所述的多层镀膜的制备装置，其特征在于所述中间层靶材为氮化铬、氮化钛或其混合物。

4.  如权利要求1项所述的多层镀膜的制备装置，其特征在于所述含碳靶材为石墨或碳。

5.  如权利要求1项所述的多层镀膜的制备装置，其特征在于所述含氮类金刚石碳溅镀腔中包括氮气，其体积百分含量为2～40％。

6.  如权利要求1项所述的多层镀膜的制备装置，其特征在于所述含氮氢类金刚石碳溅镀腔中包括氮气及含氢气体，氮气的体积百分含量为2～10％，含氢气体体积百分含量为5～15％。

7.  如权利要求1项所述的多层镀膜的制备装置，其特征在于所述含氢类金刚石碳镀腔中包括含氢气体，其体积百分含量为2～40％。

8.  如权利要求6项或第7项所述的多层镀膜的制备装置，其特征在于所述含氢气体为氢气、甲烷或乙烷。

9.  如权利要求1项所述的多层镀膜的制备装置，其包括一传送系统，该传送系统用于将该承载待制备镀膜的基底载具带及该溅镀系统，依次经各溅镀腔完成溅镀后将该基底带出该溅镀系统。

10.  如权利要求9项所述的多层镀膜的制备装置，其特征在于所述传送系统包括多个以相同方向旋转的滚筒。

11.  一种在模具上形成多层镀膜的方法，其包括以下步骤：
提供一基底；
使用黏结层靶材，采用交流磁控溅镀法在该基底表面上溅镀一纳米黏结层；
使用中间层靶材，采用交流磁控溅镀法在该纳米黏结层表面上溅镀一纳米中间层；
使用含碳靶材及含氮溅镀气体，采用交流磁控溅镀法在该中间层上溅镀一含氮类金刚石碳层；
使用含碳靶材及包括氮气与含氢气体的溅镀气体，采用交流磁控溅镀法在该含氮类金刚石碳层上溅镀一含氮氢类金刚石碳层；及
使用含碳靶材及包括含氢体的溅镀气体，采用交流磁控溅镀法在该含氮氢类金刚石碳层上溅镀一含氢类金刚石层。

12.  如权利要求11项所述的在模具上形成多层镀膜的方法，其特征在于所述含碳靶材为石墨或碳。

13.  如权利要求11项所述的在模具上形成多层镀膜的方法，其特征在于所述黏结层靶材为铬、钛、或钛化铬。

14.  如权利要求11项所述的在模具上形成多层镀膜的方法，其特征在于所述中间层靶材为氮化铬、氮化钛或其混合物。

15.  如权利要求11项所述的在模具上形成多层镀膜的方法，其特征在于所述含氮溅镀气体中氮气的体积百分含量为2～40％。

16.  如权利要求11项所述的在模具上形成多层镀膜的方法，其特征在于所述包括氮气与含氢气体的溅镀气体中氮气的体积百分含量为2～10％，含氢气体体积百分含量为5～15％。

17.  如权利要求11项所述的在模具上形成多层镀膜的方法，其特征在于所述包括含氢气体的溅镀气体中含氢气体的百分含量为5～20％。

18.  如权利要求11项所述的在模具上形成多层镀膜的方法，其特征在于所述含氢气体可为氢气、甲烷或乙烷。

在模具上形成多层镀膜的装置及方法
【技术领域】
本发明涉及一种在模具上形成多层镀膜的装置及方法。
【背景技术】
模具，为产业上进行大规模生产所必需，从成本考量，一套模具可能会要求其工作几十万次而不可发生影响工作品质的变形。模具变形的最主要因素包括磨损及腐蚀，因此为延长模具使用寿命，模具的防腐蚀、耐磨擦问题显得尤为重要。
故，一般模具多采用硬度高、化学稳定性强的合金材料，但其性能仍不理想。模具工作时与工件之间存在磨擦，多次操作后模具磨损，最终产品尺寸不能满足要求，因此模具需要较高耐磨性能。当操作环境较恶劣，例如镁合金压铸模，须能承受熔融态镁的腐蚀，此时要求模具具有高抗腐蚀能力。
类金刚石碳(Diamond-Like Carbon，DLC)具有与金刚石类似的性质，如高硬度，低磨擦系数，高的化学稳定性，因此业界将DLC膜作为模具表面的保护膜，其具有耐耐损，抗腐蚀等优良特性。此种DLC膜一般为单层，采用直流磁控溅镀法制得，但是，包括单层DLC膜的模具经多次操作后，DLC膜易于从模具基底上脱落。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种在模具上形成膜层不易脱落，摩擦系数低，耐磨性能佳，抗腐蚀性强的镀膜的装置及方法。
一种多层镀膜的制备装置，其包括一溅镀系统；该溅镀系统包括依次序设置的一第一真空腔，一第二真空腔、一第三真空腔、一第四真空腔及一第五真空腔，及依次分别设置在相邻两真空腔之间的一过渡层溅镀腔，一含氮类金刚石碳溅镀腔，一含氮-氮类金刚石碳溅镀腔，一含氢类金刚石碳溅镀腔，各真空腔与溅镀腔之间以阀门实现连通与闭合；过渡层溅镀腔中设置有黏结层靶材及中间层靶材，该含氮类金刚石碳溅镀腔、该含氮氢类金刚石碳溅镀腔及该含氢类金刚石碳溅镀腔中设置有含碳靶材，所有溅镀腔中均包括惰性气体。
一种在模具上形成多层镀膜的方法，其包括以下步骤：提供一基底；使用黏结层靶材，采用交流磁控溅镀法在该基底表面上溅镀一纳米黏结层；使用中间层靶材，采用交流磁控溅镀法在该纳米黏结层表面上溅镀一纳米中间层；使用含碳靶材及含氮溅镀气体，采用交流磁控溅镀法在该中间层上溅镀一含氮类金刚石碳层；使用含碳靶材及包括氮气与含氢气体的溅镀气体，采用交流磁控溅镀法在该含氮类金刚石碳层上溅镀一含氮氢类金刚石碳层；及使用含碳靶材及包括含氢体的溅镀气体，采用交流磁控溅镀法在该含氮氢类金刚石碳层上溅镀一含氢类金刚石层。
相对于现有技术，本实施例所得的模具镀层具有如下优点：首先，由于具有一纳米黏结层，整个膜层不易于从基底上脱落；其次，含氮类金刚石碳层具有优异的机械性质及化学稳定性；再次，含氢类金刚石碳层表面摩擦系数低，耐磨性能佳。采用交磁控溅镀方式制备，惰性气体离化率高，所镀的膜层具有更优异的性能。
【附图说明】
图1是本实施例的方法所得的模具及表面镀膜结构示意图。
图2是本实施例形成多层镀膜的装置示意图。
图3是本实施例形成多层镀膜的方法流程图。
【具体实施方式】
下面将结合附图及实施例对上述具有多层镀膜的模具的制备装置及方法作进一步说明。
参阅图1，本实施例所制备的具有多层镀膜的模具100包括一基底10以及依次形成在该基底10上的一过渡层11，一含氮类金刚石碳层12，一含氮氢类金刚石碳层13及一含氢类金刚石碳层14，过渡层11包括一纳米黏结层111及一纳米中间层112。
该基底10的材质可为铁铬碳合金、铁铬钼碳合金、铁铬钒钼碳合金或铁铬钒硅钼碳合金。
纳米黏结层111形成在基底10之上，其由纳米粒子构成，其材质可选自铬、钛或钛化铬，其厚度为1～20纳米，优选4～10纳米。
纳米中间层112，其由纳米粒子构成，其材质可选自氮铬、氮化钛或其混合物，基厚度为1～50纳米，优选4～30纳米。
参阅图2，首先提供一多层镀膜的制备装置200，其包括一溅镀系统及一传送系统26，溅镀系统包括依次序设置的一第一真空腔211、一第二真空腔212、一第三真空腔213、一第四真空腔214及一第五真空腔215，及依次设置于相邻两真空腔之间的一过渡层溅镀腔221、一含氮类金刚石碳溅镀腔222，一含氮氢类金刚石碳溅镀腔223，一含氢类金刚石碳溅镀腔224，真空腔与溅镀腔之间以阀门实现连通与闭合。例如过渡层溅镀腔221设置于第一真空腔211与第二真空腔212之间，含氮类金刚石碳溅镀腔222设置于第二真空腔212与第三真空腔213之间，以此类推。所有真空腔及溅镀腔均连接有真空泵27。
过渡层溅镀腔221中设置有黏结层靶材231及中间层靶材232，溅镀时可更换靶材，以溅镀不同材质的薄膜，例如，以设置于过渡层溅镀腔221中的挡板2211遮挡不想沉积的靶材即可实现靶材的选择。黏结层靶材231可为铬、钛或钛化铬，中间层靶材232可为氮化铬、氮化钛或其混合物。含氮类金刚石碳溅镀腔222，含氮氢类金刚石碳溅镀腔223及含氢类金刚石碳溅镀腔224中设置有含碳靶材，其可为石墨或碳。
所有溅镀腔中均包括惰性气体，该惰性气体可为氩气或氪气。进一步的，含氮类金刚石碳溅镀腔222中包括氮气，优选的，氮气的体积百分含量为2～40％；含氮氢类金刚石碳溅镀腔223中包括氮气与含氢气体，优选的，氮气的体积百分含量为2～10％，含氢气体可为氢气、甲烷或乙烷，其体积百分含量为5～15％；含氢类金刚石碳溅镀腔224中包括含氢气体，优选的，含氢气体的体积百分含量5～20％。优选的，每个溅镀腔中的气体压力小于等于10帕斯卡(Pa)。
传送系统26用于将承载有待制备镀膜基底10的载具25送入第一真空腔211，并从第一真空腔211依次输送至各溅镀腔中，最后带出溅镀系统。本实例中，传送系统26包括多个可向相同方向旋转的滚轴261，传送系统还可为传送带。
当传送系统26将基底10输送至一溅镀腔中时，以靶材为阴极，以基底10为阳极，在靶材与基底10之间施加数百至数千伏特的高交流电压，交流电频率可为20～800千赫兹。在高电压下溅镀腔的惰性气体电离，形成电浆，正离子向靶材加速运动，经由动量传递而将靶原子轰击射出，沉积在基底10上，通过控制传送系统26的速度，可改变基底10在溅镀腔中的停留时间，进而改变沉积在基底10表面的薄膜厚度。
以下详细说明使用本实施例的多层膜的制备装置200的工作过程。开动传送系统26，打开入口阀门2111，将待镀膜的基底10置于载具25上，关闭入口阀门2111，并将第一真空腔211抽真空，打开阀门2112，将载具25及基底10传送到过渡层溅镀腔221中，关闭阀门2112，在基底10与黏结层靶材231间施加交流电压，进行溅镀，溅镀完纳米黏结层111的后，更换靶材为中间层靶材，溅镀纳米中间112。而此同时，又可放置另一基底至第一真空腔211中重复前述操作，因此本装置可连续生产。调节传送系统26的速度可调节获得镀膜的厚度。基底10在过渡层溅镀腔221中溅镀时，将第二真空腔212抽真空，溅镀完成后，打开阀门2121，载具25及基底10进入第二真空腔212，此后与前述过程类似，但此后的溅镀过程中无需更换靶材，直至溅镀上所有膜。
请参阅图3，以使用多层镀膜的制备装置200为例，说明一种在模具上形成多层镀膜的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，提供一基底10。基底10的材质可为铁铬碳合金、铁铬钼碳合金、铁铬钒钼碳合金或铁铬钒硅钼碳合金’优选的’使用镜面抛光将基底10抛光至平均表面粗糙度(Ra)小于等于10纳米。
步骤2，使用黏结层靶材231，采用交流磁控溅镀法在该基底表面溅镀一纳米黏结层111.纳米中间层111厚度1～20纳米，优选4～10纳米。
溅镀在过渡层溅镀腔221中进行，溅镀时以黏结层靶材231为阴极，基底10为阳极，施加数百至数千伏特的高交流电压以产生辉光放电，过渡层溅镀腔221中惰性气体电离，形成等离子体，正离子向靶材加速运动，经由动量传递而将靶原子轰击射出，沉积在基底10上。通过控制溅镀时间，可改变沉积在基底10表面的薄膜厚度。
步骤3，使用中间层靶材232，采用交流磁控溅镀法在该纳米黏结层111上溅镀一纳米中间层112。
此步骤同样可在过渡层溅镀221中进行，将过渡层溅镀腔221中的靶材更换为中间层靶材232即可。纳米中间层112厚度为1～50纳米，优选为4～30纳米。溅镀完成后基底10经第二真空腔212进入含氮类金刚石碳溅镀腔222。
步骤4，使用含碳靶材233及含氮溅镀气体，采用交流磁控溅镀法在该纳米中间层112上溅镀一含氮类金刚石碳层12，含碳靶材233为石墨或碳。含氮类金刚石碳层12厚度为1～50纳米，优选为10～30纳米。
此步骤在含氮类金刚石碳溅镀腔222中进行，不同于步骤2中的溅镀制程，含氮类金刚石碳溅镀腔222中除惰性气体外还包括氮气，优选的，氮气的体积百分含量为2～40％。惰性气体辉光放电后产生的部份正离子轰击氮气分子，氮气分子离解，形成氮原子或氮离子，与从靶材上轰击下来的靶材原子一起沉积在纳米中间层112上，并相互之间形成化学键，形成含氮类金刚石碳层12。溅镀完成后基底10经第三真空腔213进入含氮氢类金刚石碳溅镀腔223。
步骤5，使用含碳靶材233及包括氮气与含氢气体的溅镀气体，采用交流磁控溅镀法在该含氮类金刚石碳层12上溅镀一含氮氢类金刚石碳层13。
含氮氢类金刚石碳层13厚度为1～50纳米，优选为10～30纳米。与步骤4中类似，但含氮氢类金刚石碳溅镀腔223中还包括含氢气体，含氢气体可选自氢气、甲烷或乙烷，其体积百分含量为5～20％。最终所制得的含氮氢类金刚石碳层13中亦包括氢原子。溅镀完成后基底10经第四真空腔214进入含氢类金刚石碳溅镀腔224。
步骤6，使用含碳靶材233及包括含氢气体的溅镀气体，采用交流磁控溅镀法在该含氮氢类金刚石碳层13上溅镀一含氢类金刚石碳层14。
含氢类金刚石碳层厚度为1～50纳米，优选为10～30纳米，溅镀时使用的溅镀气体中包括含氢气体，含氢气体可为氢气、甲烷或乙烷，其体积百分含量为5～20％。
经过上述制程，最终提到基底10上形成有纳米黏结层11、纳米中间层112、含氮类金刚石碳层12、含氮氢为钻碳层13以及含氢类金刚石碳层14的模具100。
本实施例所得的具有多层镀膜的模具100，其优点在于，首先，由于具有一纳米黏结层111，整个膜层不易于从基底10上脱落；其次，含氮类金刚石碳层具有优异的机械性质及化学稳定性；再次，含氢类金刚石碳层表面摩擦系数低，耐磨性能佳。采用交流方式放电，惰性气体离化率高，所镀的膜层具有更优异的性能。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。