[發明專利]一種沉積鋅合金鍍層多功能實驗裝置及其方法

有效

• 申請號: 201310339798.8
• 申請日: 2013-08-06
• 公開（公告）號: CN103397300A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 江社明;習中革;張啟富;袁訓華;李遠鵬;劉昕;張杰
• 申請（專利權）人: 中國鋼研科技集團有限公司;新冶高科技集團有限公司
• 主分類號: C23C14/24
• 分類號: C23C14/24;C23C14/35;C23C14/46;C23C14/14
• 代理公司: 北京銘碩知識產權代理有限公司 11286
• 代理人: 張軍;王占杰

技術領域

本發明涉及物理氣相沉積技術，尤其涉及一種采用物理氣相沉積技術制備（Physical?Vapor?Deposition，簡稱PVD）鋅合金鍍層的多功能實驗裝置及其實驗方法。

背景技術

作為汽車、建筑和家電行業最主要的腐蝕防護產品，鍍鋅鋼板起到對鋼板的腐蝕防護。鍍鋅鋼板面臨汽車輕量化、高強鋼/先進高強鋼大規模應用以及鋅資源短缺等方面的影響。在保證乘員安全的前提下，實現汽車輕量化最經濟有效的手段是在車身上采用高強鋼或先進高強鋼。先進高強鋼中需要添加強化元素如Si、Mn、Al。再結晶退火過程中，這些合金元素容易在退火爐內產生外氧化，氧化物富集于鋼帶表面，使得鋼板在鋅鍋內浸潤性變差，帶來漏鍍或表面夾渣等問題，即傳統的鋼板熱浸鍍鋅工藝不適用于高強鋼鍍鋅；如果采用電鍍工藝，則存在污染環境的“三廢”，受到環保法規的制約，在應用上受到很大限制；所以先進高強鋼鍍鋅是困擾各鋼鐵企業和科研機構的重大問題。現有實驗技術中，制備合金鍍層通常需要PVD真空鍍膜設備和真空退火爐兩種設備配用，在鍍膜后將產品轉移到退火爐內進行退火，鍍膜和退火各自單獨進行，不符合將涂鍍和退火集成于同一機組生產合金化鍍層鋼板的工藝流程，生產周期長且容易在合金鍍層形成前發生氧化。

因此，急需開發出一種新穎的生產工藝探索先進高強鋼板用腐蝕防護合金鍍層的沉積工藝及方法，而物理氣相沉積（Physical?Vapor?Deposition，簡稱PVD）技術是實現合金鍍層沉積的革命性的工藝方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種沉積鋅合金鍍層的多功能實驗裝置及其實驗方法，即開發一種采用PVD方法沉積鋅合金鍍層的多功能實驗設備，該裝置及方法可以在一臺設備中，在真空條件下穩定地實現在鋼板上直流磁控濺射或真空蒸鍍單質金屬或鋅合金鍍層。采用該設備和方法制備的PVD鋅合金鍍層節鋅，具有更優的耐蝕性能，能夠更好地滿足焊接、涂裝和成型等應用需求。

本發明采用如下技術方案來實現。本發明的技術方案之一是提供一種沉積鋅合金鍍層的多功能實驗裝置，其特點是在該裝置中集成設置有蒸鍍部件3，磁控濺射部件8和加熱部件7；蒸鍍部件3設置在鍍室1底部的一邊，磁控濺射部件8設置在鍍室1的兩側壁上，加熱部件7設置在鍍室1內壁一側的上方；該裝置在同一臺設備上通過蒸鍍和退火，或者通過磁控濺射和退火實現基板6表面合金鍍層的沉積；該裝置的鍍室1中設置有離子源2，離子源2設置在磁控濺射部件8之間，在離子源2和蒸鍍部件3的上方設置有固定基板6的基板架5，基板架5與鍍室1上方外置的減速電機19連接；該裝置還連接有真空獲得系統14，壓縮空氣供氣系統15，工作氣體供氣系統16，循環水冷卻系統17以及電控系統18。

本發明采用的加熱元件7為升溫迅速，易于實現溫控的紅外輻射加熱燈；所述的離子源2提供強離子流，用于蒸鍍前或濺射前對基板6表面進行物理刻蝕，以提高合金或單質金屬沉積的結合力。

本發明所述蒸鍍部件3中設置有四個工位的坩堝9，對稱安裝于同一根驅動軸22上，驅動軸22垂直安裝，上端位于鍍室內，下端伸出鍍室外，坩堝9裝有不同金屬靶材，為蒸鍍部件3設置有電子束270°偏轉的E型電子槍10作為蒸發源，通過電控系統18控制其運行，使得坩堝9中的蒸鍍靶材4正對電子束的轟擊，實現不同金屬靶材在基板6上的蒸鍍沉積；或者采用本發明所述的設置有靶材11的磁控濺射部件8通過直流磁控濺射實現合金或單質金屬在基板6上的沉積；所述的四個坩堝9由同一根驅動軸22驅動實現旋轉定位，驅動軸下端裝有一個水平放置的圓形信號盤20，每隔90°開有一個寬1mm深10mm的狹縫，由外置的光電開關21檢測此狹縫位置并發出檢測信號，電控系統控制直流永磁電機旋轉，從而使狹縫上方對應的靶材坩堝轉到E型電子槍的轟擊區域，實現不同蒸鍍靶材4在基板6）上的沉積。

本發明所述鍍室1為雙層循環水冷結構，設置有雙層水冷結構的前開門12，前開門上設有外部窺視孔13；所述基板架5根據蒸鍍或磁控濺射所要求的靶-基距及角度要求，設置兩種不同的基板架尺寸，分別用于蒸鍍或濺射時基片6的固定；所述真空獲得系統14設置有真空泵組23，為鍍室1提供真空鍍膜環境；所述工作氣體供氣系統16為鍍室1提供氬氣等工作氣體；所述循環水冷卻系統17為實驗裝置提供循環冷卻去離子水，防止各部件發生熱變形；所述電控系統18為實驗裝置提供動力并實現實驗過程的自動控制；所述氬氣離化后用于清潔基板或靶材表面，提高鍍層沉積的結合力，還用于從磁控濺射靶濺出靶材原子；所述氮氣用于反應磁控濺射或者反應蒸鍍以形成化合物鍍層。