[发明专利]一种沉积锌合金镀层多功能实验装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及物理气相沉积技术，尤其涉及一种采用物理气相沉积技术制备（Physical Vapor Deposition，简称PVD）锌合金镀层的多功能实验装置及其实验方法。

背景技术

作为汽车、建筑和家电行业最主要的腐蚀防护产品，镀锌钢板起到对钢板的腐蚀防护。镀锌钢板面临汽车轻量化、高强钢/先进高强钢大规模应用以及锌资源短缺等方面的影响。在保证乘员安全的前提下，实现汽车轻量化最经济有效的手段是在车身上采用高强钢或先进高强钢。先进高强钢中需要添加强化元素如Si、Mn、Al。再结晶退火过程中，这些合金元素容易在退火炉内产生外氧化，氧化物富集于钢带表面，使得钢板在锌锅内浸润性变差，带来漏镀或表面夹渣等问题，即传统的钢板热浸镀锌工艺不适用于高强钢镀锌；如果采用电镀工艺，则存在污染环境的“三废”，受到环保法规的制约，在应用上受到很大限制；所以先进高强钢镀锌是困扰各钢铁企业和科研机构的重大问题。现有实验技术中，制备合金镀层通常需要PVD真空镀膜设备和真空退火炉两种设备配用，在镀膜后将产品转移到退火炉内进行退火，镀膜和退火各自单独进行，不符合将涂镀和退火集成于同一机组生产合金化镀层钢板的工艺流程，生产周期长且容易在合金镀层形成前发生氧化。

因此，急需开发出一种新颖的生产工艺探索先进高强钢板用腐蚀防护合金镀层的沉积工艺及方法，而物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，简称PVD）技术是实现合金镀层沉积的革命性的工艺方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沉积锌合金镀层的多功能实验装置及其实验方法，即开发一种采用PVD方法沉积锌合金镀层的多功能实验设备，该装置及方法可以在一台设备中，在真空条件下稳定地实现在钢板上直流磁控溅射或真空蒸镀单质金属或锌合金镀层。采用该设备和方法制备的PVD锌合金镀层节锌，具有更优的耐蚀性能，能够更好地满足焊接、涂装和成型等应用需求。

本发明采用如下技术方案来实现。本发明的技术方案之一是提供一种沉积锌合金镀层的多功能实验装置，其特点是在该装置中集成设置有蒸镀部件3，磁控溅射部件8和加热部件7；蒸镀部件3设置在镀室1底部的一边，磁控溅射部件8设置在镀室1的两侧壁上，加热部件7设置在镀室1内壁一侧的上方；该装置在同一台设备上通过蒸镀和退火，或者通过磁控溅射和退火实现基板6表面合金镀层的沉积；该装置的镀室1中设置有离子源2，离子源2设置在磁控溅射部件8之间，在离子源2和蒸镀部件3的上方设置有固定基板6的基板架5，基板架5与镀室1上方外置的减速电机19连接；该装置还连接有真空获得系统14，压缩空气供气系统15，工作气体供气系统16，循环水冷却系统17以及电控系统18。

本发明采用的加热元件7为升温迅速，易于实现温控的红外辐射加热灯；所述的离子源2提供强离子流，用于蒸镀前或溅射前对基板6表面进行物理刻蚀，以提高合金或单质金属沉积的结合力。

本发明所述蒸镀部件3中设置有四个工位的坩埚9，对称安装于同一根驱动轴22上，驱动轴22垂直安装，上端位于镀室内，下端伸出镀室外，坩埚9装有不同金属靶材，为蒸镀部件3设置有电子束270°偏转的E型电子枪10作为蒸发源，通过电控系统18控制其运行，使得坩埚9中的蒸镀靶材4正对电子束的轰击，实现不同金属靶材在基板6上的蒸镀沉积；或者采用本发明所述的设置有靶材11的磁控溅射部件8通过直流磁控溅射实现合金或单质金属在基板6上的沉积；所述的四个坩埚9由同一根驱动轴22驱动实现旋转定位，驱动轴下端装有一个水平放置的圆形信号盘20，每隔90°开有一个宽1mm深10mm的狭缝，由外置的光电开关21检测此狭缝位置并发出检测信号，电控系统控制直流永磁电机旋转，从而使狭缝上方对应的靶材坩埚转到E型电子枪的轰击区域，实现不同蒸镀靶材4在基板6）上的沉积。

本发明所述镀室1为双层循环水冷结构，设置有双层水冷结构的前开门12，前开门上设有外部窥视孔13；所述基板架5根据蒸镀或磁控溅射所要求的靶-基距及角度要求，设置两种不同的基板架尺寸，分别用于蒸镀或溅射时基片6的固定；所述真空获得系统14设置有真空泵组23，为镀室1提供真空镀膜环境；所述工作气体供气系统16为镀室1提供氩气等工作气体；所述循环水冷却系统17为实验装置提供循环冷却去离子水，防止各部件发生热变形；所述电控系统18为实验装置提供动力并实现实验过程的自动控制；所述氩气离化后用于清洁基板或靶材表面，提高镀层沉积的结合力，还用于从磁控溅射靶溅出靶材原子；所述氮气用于反应磁控溅射或者反应蒸镀以形成化合物镀层。