电弧型蒸发源制造技术

本发明专利技术涉及一种电弧型蒸发源，该蒸发源拥有基本上呈柱状的阴极，其轴向长度大于其直径；阴极供料装置，用于沿该阴极的轴向向该阴极供料；阴极冷却装置，用于以冷却剂冷却该阴极的至少一侧表面；和磁线圈，用于产生基本垂直延伸到该阴极前端的蒸发表面或从该蒸发表面向外延伸的磁通。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用电孤放电熔化阴极以蒸发阴极材料的电弧型蒸发源。例如，蒸发源可用于在基材，例如工具、机件、模具、外涂层部件等等的表面上生成由阴极材料组成的薄膜或由阴极材料的氮化物、氧化物等组成的薄膜，这样可改善基材的耐磨能力，滑动性质，抗咬性质，装饰性能等等。在电弧型蒸发源中蒸发的阴极材料中被阴极附近形成的电弧等离子体电离的阴极材料离子占很大比例。在电弧离子喷镀方法或电弧离子喷镀设备中，这类阴极材料离子籍助电场导向基材，在基材表面生成薄膜。因此，电弧离子喷镀方法或设备的优点在于，膜的生成速度高、产率高、薄膜的附着力强等等。这种方法和设备已广泛用作在工具、模具等上涂覆金属膜或陶瓷膜的手段。膜生成速度高的原因在于，阴极被电弧放电熔化，致使大量的阴极材料能被蒸发。膜附着力强的原因在于，阴极材料中包含的阴极材料离子被负偏压或其它原因形成的电场导向基材，致使离子能撞击基材。图2表示带常规电弧型蒸发源的电孤离子喷涂设备的例子。托架8将要镀膜的基材6支托于真空容器2中，该容器用未示出的真空泵装置抽真空。由偏压源10向托架8和由托架8支托的基材8施加例如负数十伏到负数百伏的负偏压。由惰性气体和对阴极材料16呈反应性的反应性气等组成的气体4被引入真空容器2，有关阴极材料将在下面叙述。常规电弧型蒸发源12附装在真空容器2的壁表面上，朝向托架8上的基材6。电弧型蒸发源12具有由所需材料组成的盘状阴极14，此阴极14固定在阴极托架18上。阴极托架18通常装有冷却阴极的冷却装置14。紧靠阴极托架18背后装有永久磁铁20用于控制阴极14蒸发表面15上的电弧辉斑。阴极托架18通过绝缘器22附装在真空容器2上。顺便指出，通常还装有启动电孤的触发电极，但附图未示出(与附图说明图1相似)。在这一常规例子中，真空容器2亦作为阳极。电弧放电电压，例如数十伏由电孤电源24施加在真空容器2和阴极托架18之间，即真空容器2和阴极14之间，而且在阴极14一面应为负极。其结果，在阴极14的蒸发表面15和真空容器2之间形成真空电弧放电，致使蒸发表面15局部熔化，其上的阴极材料16蒸发。其次，在靠近阴极14的前面由电弧放电产生等离子体，致使部分阴极材料16电离。此种阴极材料16达到基材6，并在基材上沉积。这样，在基材6的表面上形成薄膜。在这种情况下，如果预先将反应性气体引入真空容器2，则阴极材料16与反应性气体发生反应，致使在基材6的表面上形成化合物薄膜。在上述的电弧型蒸发源12中，必须定期以新电极更换阴极14，因为阴14被电弧放电逐步消耗并变薄(变短)。但是，常规电弧型蒸发源12为盘状，其轴向长度比其直径短(例如直径为64mm，长度为30mm)。这样，阴极14必须频繁更换。因此，要消耗很多人力去更换阴极14，而且利用这种电弧型蒸发源12的镀膜设备停工频率增加会使生产率下降。甚至简单地在轴向上增长阴极14，亦会产生下列问题(1)阴极14的蒸发表面15冷却不够，致使大体积熔化部位易于形成；(2)随着阴极14的消耗，由永久磁铁20产生的蒸发表面15上的磁通的状态变化甚大，致使蒸发表面15的消耗发生偏移。此外，当阴极14的消耗约为50％(重量)时，阴极寿命通常即告终结。这样，阴极的无用消耗很大。特别是在阴极14由贵重材料诸如Cr金属、Ti-Al合金等组成时，废物的价格甚高。再次，随着阴极14的消耗，其蒸发表面15后退(即远离基材6)。这样，蒸发表面15和基材6之间的距离发生变化，致使基材6上的成膜速度发生变化。其结果，基材6表面上的成膜厚度的均匀性恶化。这种恶化发生在短时间内。因此，本专利技术的目的在于提供一种电弧型蒸发源，其中阴极可有效利用，阴极的更换频率可以降低，成膜速度可在长时间内保持恒定。本专利技术的电弧型蒸发源包括基本上呈柱状的阴极，其轴向长度大于直径；阴极进料装置，用于沿该基本上呈柱状的阴极的轴向该阴极供料；阴极冷却装置，以用冷却剂冷却该阴极的至少一侧表面；和磁线圈，用于在阴极表面附近产生磁通。具体说，磁线圈产生基本垂直延伸到该阴极前端的蒸发表面的磁通，或者从蒸发表面向外延伸的磁通。根据这种电弧型蒸发源，磁线圈在阴极蒸发表面上产生磁通，以使电弧辉斑的位置限制在阴极的蒸发表面内。此外，电弧辉斑在蒸发表面内均匀移动，致使蒸发表面均匀消耗不产生偏移。其次，可根据阴极的消耗由阴极供料装置向阴极供料。其结果，甚至在阴极消耗的情况下，阴极蒸发表面上的磁通可基本保持恒定，这同样有助于蒸发表面的均匀消耗。根据这种电弧型蒸发源，轴向长度大于其直径(换言之，轴向长度较大)的基本上呈柱状的阴极可由上述操作方法均匀消耗，致使阴极的大部分可有效利用。因此，阴极能有效被利用，并且阴极更换频率可以降低。其次，由于可根据阴极的消耗用阴极供料装置向阴极供料，所以蒸发表面和基材之间的距离可接近固定值。因此能使成膜速度在长时间内保持恒定。再次，设置阴极冷却装置以用冷却剂冷却阴极的至少一侧表面。因此，阴极的蒸发表面可有效而稳定地冷却，不受阴极消耗状况的影响，甚至在基本上呈柱状的阴极其轴向较长的情况下亦是如此。其结果，蒸发表面的温度不会增高，致使防止大体积颗粒(亦称为“小滴”)在蒸发表面上形成。因此，能形成表面平滑度优良的薄膜。提供下列附图图1表示本专利技术的电孤型蒸发源的一个实施方案的剖示图；和图2表示具有常规蒸发源的电弧离子喷镀设备的一个例子的剖示图。图1表示本专利技术电弧型蒸发源的一个实施方案的剖示图。与图2所常规设备相同或相当的部件以相同数码表示。此实施方案与常规方案不同之处将在下面重点叙述。本实施方案中采用的电孤型蒸发源30附装在真空容器2的壁表面上，构成一种电弧离子喷镀设备，如上所述蒸发源朝向基材6。数码22表示上面提到的绝缘体。电弧型蒸发源30有基本上呈柱状的阴极32，其轴向长度大于其直径；阴极供料装置48沿阴极轴32轴向向阴极32供料(即向着基材6)，如箭头A所示；阴极冷却装置36以用冷却剂40冷却阴极32的至少一侧表面；和磁线圈52以产生磁通54，该磁通基本垂直延伸到阴极前端的蒸发表面33或从蒸发表面33向外延伸。顺便指出，靠近磁线圈52的部件由非磁材料组成，这样不致干扰磁线圈52产生的磁通54。根据成膜的类型阴极32由所需材料(例如金属、合金、碳等等)组成。具体而言，阴极32可由，例如金属如Ti、Cr等；合金如Ti-Al等；碳(C)等组成。本实施方案中，阴极32支撑在支撑轴46的前端。阴极供料装置通过此支撑轴46向阴极32供料。阴极供料装置48不限于这种具体结构，而且它可以是手动操作或者动力操作。例如，它可以是手动操作装置，其中手柄与球状螺母相联，后者旋紧到在支撑轴46的一部分中形成的滚珠丝杠上。在本实施方案中，从上面提及的电弧电源24通过支撑轴46向阴32供电。在本实施方案中，阴极冷却装置36拥有阴极安放容器38，以安放阴极，并使阴极32的蒸发表面33暴露在外。冷却剂40流入阴极安放容器38。在此实施方案中，阴极32的侧表面和底表面(与蒸发表面33相对)可用这股冷却剂40冷却。在阴极32和支撑轴46穿过阴极安放容器38的部位装有填料42和44以防止冷却剂40泄漏。在此实施方案中，阴极安放容器38经法兰39和绝缘体56附着于线圈安放容器50上。磁线圈52缠绕阴极3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电弧蒸发源，该蒸发源用于以电弧放电熔化阴极，从而使阴极材料蒸发，它包括：基本上呈柱状的阴极，其轴向长度大于其直径；阴极供料装置，用于沿该阴极的轴向向该阴极供料；阴极冷却装置，用于以冷却剂冷却该阴极的至少一侧表面；和磁线圈 ，用于产生在阴极前端的阴极表面附近的磁通或从该蒸发表面向外延伸的磁通。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：冈崎尚登，大谷聪，入泽一彦，中村信彦，
申请(专利权)人：日新电机株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]