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图1:准备用于电弧 PVD 镀膜工艺的等离子体氮化挤出机螺杆。来源:Busch 普旭。

用于电弧 PVD 镀膜的螺杆真空泵

为大型金属模具和部件的表面进行镀膜处理是 Dreistegen GmbH 的核心业务。在冷等离子体应用中,它采用氮化、渗碳氮化或氧化等各种扩散层处理,以及物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等镀膜技术。
在真空条件下使用电弧蒸镀(电弧 PVD)技术处理硬化薄镀膜时,Dreistegen 公司信赖 Busch 普旭的 COBRA NC 螺杆真空泵。它作为前级泵,与两台涡轮分子真空泵并行工作,在镀膜室中产生真空。
2008 年,Oliver Kayser 博士在德国埃费尔地区蒙绍(Monschau)镇的一家旧纺织厂的厂房里创办了自己的企业。这座有着 200 多年历史的老厂房在 Kayser 手中起死回生,其业务最初集中在模具和部件的等离子氮化和 PVD 镀膜。这家公司从最初的破旧厂房中起步,发展到现在已经拥有 40 名员工,转变为一家现代化中型企业,主要为工件镀制特殊涂层,以防工件出现磨损和受到腐蚀。此外,这些镀膜还有助于在工件表面阻止残留物的形成, 从而避免了与其他材料的寄生反应。Dreistegen 公司的许多客户来自塑料加工领域,并委托该公司为注塑成型、挤压成型或吹塑成型模具进行涂层处理。Oliver Kayser 博士开发了一种特殊形式的涂层,它可以防止模具表面受到催化刺激,导致熔融塑料降解。这样,塑料就不会粘在模具上。对于操作员来说,这意味着在使用挤出成型或注塑成型工艺时,可以快速变换材料和颜色。此外,还可以减少脱模剂的用量或完全不使用脱模剂。
Dreistegen 公司还为汽车行业及其供应商的成型模具和铸模进行镀膜处理。Dreistegen 公司可以进行一系列的氮化、PVD 和 CVD 镀膜和表面处理。
Oliver Kayser 博士始终专注于现代镀膜技术,并一直在尝试优化薄涂层的方法,以使其具有特定性能,在特定应用中为客户带来益处。这也涉及到他的工厂工艺的优化,
他采购的电弧 PVD 镀膜系统,可用车削直径为 1,200 mm,可用高度为 1,500 mm,最初安装的真空系统是由一台油润滑旋片真空泵作为前级泵和两台罗茨泵组成。该系统为两台并行工作的涡轮分子真空泵产生所需的真空。Kayser 用 Busch 普旭的 COBRA NC 400 B 真空泵替代了整个前级真空装置, 该螺杆真空泵的单级极限压力达 0.05 mbar(hPa)。因此,它在极限压力和抽速方面能够替代其他制造商的旧式三级真空装置,同时也实现了更高的能效。
Kayser 对 COBRA NC 真空泵稳定可靠的性能和静音运行非常满意, 而且,它所需的空间较之前的真空系统小得多。
Kayser 还仔细检查了另一家制造商的螺杆真空泵, 它们配备一套单边轴承系统,并由一台难以更换的特种电机驱动。
COBRA 模块化的功能设计令 Kayser 印象深刻,它的两个螺杆转子采用了双面轴承系统,其法兰安装的标准电机可以随时进行更换。
从载入镀膜室到拆卸工件,实际的电弧 PVD 镀膜处理过程需要 14 到 18 个小时。OBRA NC 真空泵在安装和拆卸工件的两道工序之间的短暂间隙中保持运转, 这意味着,COBRA NC 全年都在运行。 对于 Kayser 来说,目前在其镀膜系统中产生工艺真空的系统配置(由一台 COBRA NC 螺杆真空泵和两台并行的下游涡轮分子真空泵组成)是理想的解决方案。
工件的基材必须达到一定的表面硬度水平,才能进行电弧 PVD 镀膜处理。因此,Dreistegen 公司通常采用等离子氮化工艺对工件进行镀膜处理前的准备。
然后对经过等离子体氮化处理的工件进行玻璃珠喷砂处理,或根据需要稍加抛光。对工件进行清洁后,将其固定在支架上并装载至镀膜室, 然后将密闭的镀膜室抽至 10 - 5 mbar (hPa) 的真空度。将镀膜室内的工件加热到最高 450 ℃,
一旦达到此工艺温度,天然氧化物在氩气辉光放电等离子体中被侵蚀, 电弧蒸镀机就会被激发,从而能够移动。然而,由于后部附着有永久磁铁,它们仍然与钛、铬或其合金的供体材料结合在一起, 也可以使用铝合金或其他金属。
在电弧中,供体材料在类似爆炸的过程中被汽化,所有蒸汽颗粒几乎完全被电离, 电激发(BIAS)用于将离子射到工件上。还加入了氮气、乙炔、甲烷、氧气、氢气等反应性气体, 这些气体的加入会使镀膜室的压力上升到 10 - 2 mbar (hPa)。 反应性气体释放出的等离子体与工件表面的金属离子相结合,形成硬镀膜层。典型的化合物包括氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化铬(CrN)、氮化铝(AlTiN)和氧化铬(Cr2O3)。由于这些离子具有高粒子能量和均镀能力,即使在复杂形状的工件上,所形成的涂层也具有很高的附着性和均匀性。Dreistegen 公司利用电弧蒸镀法形成的涂层可达到 2,000 HV(维氏硬度)以上的硬度水平。
与原来的真空装置相比,由于使用了 COBRA NC 螺杆真空泵,大大减少了真空系统的维护工作,
螺杆真空泵唯一需要做的维护工作就是每年更换一次齿轮油。
Oliver Kayser 博士强调,螺杆真空泵可靠的运行安全性对他来说非常重要, 如果在加工过程中没有了真空泵,将会造成巨大损失,因为这会导致昂贵的工件无法使用。
在 COBRA NC 真空泵不间断运行两年后,Oliver Kayser 博士表示:
“我们 Dreistegen 是 Busch 普旭的忠实客户,并且这些真空设备的质量令我们为之折服。“
Oliver Kayser 博士