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圖 1:等離子體氮化擠出機螺桿,用於電弧 PVD 塗層製程。來源:Busch 真空解決方案公司

用於電弧 PVD 塗層的螺旋式真空泵浦

大型金屬工具和組件的表面處理是 Dreistegen GmbH 的核心業務。它利用多種擴散層處理,例如氮化、氮碳共滲、氧化以及物理氣相沉積 (PVD)、化學氣相沉積 (CVD) 等塗層技術(透過應用冷等離子體技術)。
在真空下利用電弧蒸發(電弧 PVD)應用淬火薄層時,Dreistegen 依賴 Busch 真空解決方案公司的 COBRA NC 螺旋式真空泵浦。作為前級泵浦,它與兩台並聯渦輪分子真空泵浦協作,在塗層腔體中生成真空。
在 2008 年,Oliver Kayser 博士在德國艾弗爾地區的蒙紹鎮的老紡織廠房裡開展自己的業務。這座建築物歷史可追溯至 200 年前,經由 Kayser 煥發生機,其業務最初著重於面向工具和組件的離子氮化和 PVD 塗層。原先的半荒廢式小型建築現已改頭換面,成為擁有 40 名員工的中型企業,負責向工件施加特殊薄層,防止磨損和腐蝕。此外,這些塗層可有助於防止表面形成殘留物。由此避免與其他材料產生寄生反應。Dreistegen 的多數客戶來自塑膠加工領域,委託其對注塑、擠出或吹塑工具進行塗層。Oliver Kayser 博士研發出特殊塗層造型,避免工具表面的催化刺激使熔融塑膠降解。因此,塑膠不會粘在模具上。對操作人員而言,這意味著在使用擠出或注塑成型時可快速更換材料和顏色。此外可減少脫模劑的用量或徹底告別使用。
Dreistegen 同樣為成型模具與鑄模塗層,主要是面向汽車行業及其供應商。Dreistegen 提供豐富多樣的氮化、PVD 和 CVD 塗層與精整。
Oliver Kayser 博士積極鑽研先進塗層技術,不斷試驗優化薄層的方法,以賦予它們專屬特性,從而在特定應用中為客戶營造優勢。這也包括優化工廠技術。
他所購買的電弧 PVD 塗層系統,車削直徑可達 1,200 公釐,高度可達 1,500 公釐,最初安裝的真空系統包括一台作為前級泵浦的油潤滑迴轉葉片真空泵浦以及兩台真空助力器。此系統為並聯運行的兩台渦輪分子真空泵浦生成所需真空。Kayser 把整個前級泵浦單元替換為 Busch COBRA NC 400 B。螺旋式真空泵浦在單級中實現極限壓力 0.05 mbar (hPa)。因此,它能夠在極限壓力和抽氣速率方面代替其他製造商的老款三級真空單元,同時能實現更出色的能效。
Kayser 對 COBRA NC 穩定又可靠的效能以及寧靜運行讚不絕口。此外,相比先前的真空系統,它佔據的空間更少。
Kayser 還仔細檢查了另一製造商的螺旋式真空泵浦。它們配備單側軸承系統,由難以更換的特殊電機驅動。
Kayser 驚歎於 COBRA 的模組化實用設計,它在兩個螺桿轉子上採用雙側軸承系統及其法蘭安裝的標準電機,可隨時予以更換。
從裝載塗層腔體到移除工件,實際電弧 PVD 製程耗時 14 至 18 個小時。COBRA NC 真空泵浦在這兩個製程(裝配和移除工件)的短暫間歇中持續運行。這意味著 COBRA NC 全年不間斷運行。 對 Kayser 來說,在其塗層系統中生成製程真空的當前設定——包括組合一台 COBRA NC 螺旋式真空泵浦和兩台並聯的下游渦輪分子真空泵浦——是最理想的解決方案。
在實施電弧 PVD 塗層之前,工件的基礎材料必須滿足特定的表面硬度級別。為此,Dreistegen 通常使用離子氮化製程準備需要塗層的工件。
之後,對經過離子氮化的工件進行玻璃微珠噴砂或者在需要時略微拋光。一旦工件清潔完畢,它們將被固定在支架上並裝載至塗層腔體。然後,密閉腔體被抽空至真空度 10-5 mbar (hPa)。接著,腔體中的工件被加熱至最高 450 °C。
達到製程溫度後,天然氧化物將在氬氣輝光放電等離子體中被侵蝕。接著點燃電弧蒸發器,因此可以移動。但是,由於永久磁鐵加裝至後部,它們仍與鈦、鉻或其合金的施體材料結合。亦可使用鋁合金或其他金屬。
在電弧中,施體材料在接近引爆的製程中蒸發,各種蒸汽離子幾乎被完全電離。電起爆 (BIAS) 用於將離子發射至工件。添加氮氣、乙炔、甲烷、氧氣和氫氣等反應氣體。加入這些氣體會使塗層腔體內的壓力升高至 10-2 mbar (hPa)。 從等離子體中釋放的反應氣體與工件表面的金屬離子結合,由此形成硬質塗層。典型化合物包括氮化鈦 (TiN)、碳氮化鈦 (TiCN)、氮化鉻 (CrN)、氮化鋁鈦 (AlTiN) 和氧化鉻 (Cr2O3)。由於高粒子能和均鍍力,即使在形狀複雜的工件上,也能具有出色的粘合性和均勻。Dreistegen 使用電弧蒸發生成的薄層,硬度水平超過 2,000 HV(維氏硬度)。
得益於使用 COBRA NC 螺旋式真空泵浦,相比原始真空單元,真空系統所需的維護作業量明顯較低。
螺旋式真空泵浦唯一所需的工作便是每年更換齒輪油。
Oliver Kayser 博士強調道,螺旋式真空泵浦的絕對運行安全性對他很重要。在製程中缺少真空泵浦會造成嚴重損害,因為會致使昂貴的工件無法使用。
經過兩年來不間斷運行 COBRA NC,Oliver Kayser 博士說道:
“Dreistegen 很高興能與 Busch 合作,機器品質令人驚歎。“
Oliver Kayser 博士