[发明专利]一种电弧离子镀沉积高质量精密涂层的设备和方法

说明书

本发明提供了一种电弧离子镀沉积高质量精密涂层的设备和方法，属于金属材料表面改性技术领域。在增强磁过滤电弧离子镀设备基础上再同时设置并使用大面积气体离子源和热丝等离子体增强放电装置来提高设备功能；再在工件基体与表面涂层之间增加一层在腐蚀介质环境下耐腐蚀的特殊防护层，防护层材料依据配合金设计理论并进行实验验证来确定。中间防护层和最表面精密涂层均应用附带有大面积气体离子源和热丝等离子体增强放电的磁过滤电弧离子镀方法来制备，既能大幅度过滤减少大颗粒的尺度和数量，又能有效地消除涂层中的疏松和针孔等缺陷，大大提高涂层结合力和表面质量，被处理后的五金件可以满足在各种腐蚀性环境下长期使用的性能要求。

技术领域

本发明属于金属材料表面改性技术领域，涉及一种电弧离子镀沉积高质量精密涂层的设备和方法。

背景技术

基于法拉第电解定律的湿法电镀作为表面工程技术领域的主流技术，已经有着近190年的历史，2个世纪以来，电镀技术在人类文明的进步历程中发挥了非常重要的作用。然而，近几十年来电镀所带来的环境污染危害问题越来越为人们所发现，包括严重的水污染、大气污染和土地污染，以及已经证实的对人类的致癌风险等。如何采用新型的绿色镀膜技术来取代高污染的电镀技术，是摆在广大表面工程技术科技工作者面前的最为紧迫的问题。电弧离子镀是上世纪八十年代才产生的表面涂层制备新技术，是离化率最高的离子镀形式，具有沉积速度快，膜基结合力强，涂层致密度高，化合反应充分等优点，在工模具表面沉积制备碳、氮化合物及多元复合硬质涂层等领域有着广泛的应用，因其没有三废排放、涂层制备在真空环境下的干法下进行，是绿色镀膜技术的典型代表，因而被认为是最有可能替代电镀的技术形式。但是经过十几年的努力，迄今在这方面仍然没有取得突破性的进展。从理论上看，电弧离子镀具备了用来制备装饰涂层的大部分条件，从实际发展状况来看，有些技术革新已经大幅度地提升了涂层的质量，如ZL200610045720.5等发明专利，通过设置增强过滤的线圈磁场和使用脉冲偏压来抑制中性粒子团簇，在涂层精密程度上已经有了很大的提升，但仍然存在几方面的不足：一是采用传统的等离子体溅射清洗方式，并不能使基体表面充分激活达到化学活化的程度，导致涂层与基体的结合强度远低于基材强度；二是用电弧离子镀沉积的涂层一般为微米量级厚度，目前不可避免地存在针孔和疏松，会导致腐蚀性介质穿过针孔而直接接触工件基体，从而造成溃疡性腐蚀，这在洁具、灯具、钟表、汽车零配件等装饰性涂层中主要体现在盐雾及其他介质腐蚀测试达不到实验标准要求；三是用于表面涂层的涂层材料多单独选用电镀材料，如铬、镍及其合金，或者是各种刀具上使用的化合物陶瓷涂层材料，并不能满足在海洋环境或者更加苛刻环境下的耐蚀性能要求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种在电弧离子镀中既能大幅度过滤减少大颗粒的尺度和数量，又能有效地消除涂层中的疏松和针孔等缺陷，既能提高涂层致密程度，又能提高涂层结合力和表面质量的电弧离子镀制备高质量精密涂层的设备和方法。

本发明的技术构思是，在设备方面，在原有增强磁过滤电弧离子镀基础上，经过大量的理论和实验研究，再同时设置并使用大面积气体离子源和热丝等离子体增强放电装置来提高设备功能；在涂层结构和材料方面，再在工件基体与表面精密涂层之间增加一层在海洋或洗漱等腐蚀环境下耐腐蚀的特殊的防护层，防护层材料依据配位场耐蚀合金设计理论并进行实验验证来确定。其中尤为关键的是，该中间防护层和最表面精密涂层应用附带有大面积气体离子源和热丝等离子体增强放电的磁过滤电弧离子镀方法来制备，其中应用热丝可发射大量电子以促进等离子体的离化率，会大大提高膜/基界面的“缝合”能力；应用大面积气体离子源，使惰性气体能够获得电激发离化而形成专门的载能束流，可对各层之间的界面进行离子刻蚀清洗，会大大消除针孔缺陷数量并提高涂层整体致密程度；应用电磁过滤系统会大大减少中性粒子团簇尺寸和数量，消除大颗粒对涂层质量的影响。离子源、热丝放电增强和磁过滤系统的同时使用，以及涂层中间层耐蚀防护功能的科学设计，都将使本发明在电弧离子镀技术替代电镀技术的过程中解决现存的所有问题。

本发明的技术方案：