多弧离子镀的发展及应用.docx

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1、多弧离子镀的进展及应用摘要：本文从多弧离子镀技术的提出及其引入国内为背景，回忆了多弧离子镀技术的进展历程，从根本原理、工艺设备以及镀膜特点和影响因素到多弧离子镀技术的进展前景以及应用。关键词：多弧离子镀 镀膜材料设备 原理 应用前言：自 20 世纪 70 年月以来，外表技术得到突飞猛进的进展，无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。离子镀技术是当今使用面最广、最先进的外表处理技术之一，而多弧离子镀更是其中的佼佼者1。多弧离子镀技术是离子镀技术中的一种改进方法，将蒸发源作为阴极，真空壳体接地，阴极蒸发源与壳体之间产生弧光放电，工件基体与壳体之间产生辉光放电2，使阴极靶材蒸发离化，碰撞激发

2、空间气体离子，产生空间等离子体，轰击、加热基体，最终沉积镀覆。由于其蒸发源多，离化率高，一弧多用，膜层均匀，沉积速度快， 膜层致密高，强度耐磨好等优点，被广泛应用于实际生产中3。在改性材质使之超硬、耐磨、耐热争论上，多弧离子镀成为首选技术，如超硬度要求的冲孔冲模工件镀膜，高耐磨要求的航天用球轴承镀膜，高耐热要求的发动机涡轮叶片镀膜。并由于膜层成分不一产生不同的色泽，使其在装饰、钟表行业上也得到进一步应用。离子镀的进展20 世纪 80 年月，多弧离子镀技术开头兴起，引进过后国内争论者首先对其工艺流程操作参数进展大量试验争论和应用探讨，觉察多弧离子镀技术中存在靶材局部烧蚀，镀膜消灭液滴等问题，提出

3、外加磁场进展改进。由于多弧离子镀阴极的材料熔点相对较低，故使其局限于某些低熔点金属作为镀膜，应用最多的则是在 TiN 等薄膜上，而后大量争论集中于 TiN 薄膜沉积制备的工艺上。经实践和应用，TiN 薄膜在高温下抗氧化、抗集中力量和耐磨性能缺乏，一般通过添加其他元素改性或者进展多层化处理。同时，还对多弧离子镀技术进展改进，承受脉冲偏压代替直流偏压，将离子渗透、离子浸没等手段与多弧离子镀结合起来进展复合镀膜。根本原理、工艺及设备简介多弧离子镀的原理多弧离子镀的蒸发源构造如图，它由水冷阴极、磁场线圈、引弧电极等组 成阴极材料即是镀膜材料。在 lO 一 10Pa 真空条件下，接通电源并使引弧电极与阴

4、极瞬间接触，在引弧电极离开的瞬间，由于导电面积的快速缩小，电阻增大，局部区域温度快速上升，致使阴极材料熔化，形成液桥导电，最终形成爆发性的金属蒸发，在阴极外表形成局部的高温区，产生等离子体，将电弧引燃，低压大电流的电源维持弧光放电的持续进展。在阴极外表形成很多光明的移动变化的小点，即阴极弧斑。阴极孤斑是存在于微小空间的高电流密度、高速变化的现象。阴极弧斑的尺寸微小，有关资料测定为 1100 斗 m；电流密度很高，可达105107Acm2每个弧斑存在的时间很短，在其爆发性地离化放射离子和电子，将阴极材料蒸发后，在阴极外表四周，金属离子形成空间电荷，又建立起弧斑产生的条件，产生的弧斑，众多的弧斑持

5、续产生，保持了电弧总电流的稳定。阴极材料以每一个弧斑 6090的离化率蒸发沉积于基片外表形成膜层。阴极弧斑的运动方向和速度受磁场的掌握，适当的磁场强度可以使弧斑细小、分散， 对阴极外表实现均匀刻蚀。多弧离子镀的根本原理就是把金属蒸发源(靶源)作为阴极，通过它与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发并离化，形成空间等离子体，对工件进展沉积镀覆。多弧离子镀工艺镀膜基材承受 w6M05cr4V2 高速钢，尺寸为 10mmlonlnl12mnl。基体试 样的制备过程为：热轧一等温球化退火一粗加工成试样毛坯一最终热处理一精加 工(主要是磨削)。最终热处理工艺为：850预热一 1230加热保温一油冷一 560

6、lh 回火三次，6365 HRC。三元膜在 TG6B 六弧冷阴极离子镀膜机上镀覆。镀覆前试样经严格的丙酮超声清洗。承受两个纯钛靶(99，9)、两个纯铬靶(999)，靶位呈上下穿插布置。镀膜工艺参数：电弧电流 70A，起弧电压 18V， 基板温度 300，轰偏电压在 100300v 范围内优化，氮分压在 o210Pa 之间优化。膜层性能测试方法及设备膜层硬度用 DM 一 400 型显微硬度计测量；膜基界面结合力用自制划痕仪评定；膜层物相构造用 D万方数据多弧离子镀(Ti，Cr)N 膜层工艺及性能 maxRB 型 x 射线衍射仪分析。试验结果及分析偏压对膜层硬度及膜基结合力的影响试验参数：弧电流

7、70A，起弧电压 18V，沉积时间 50min，氮分压 o8Pa，基板温度 300。在试验参数不变的状况下， 分别将偏压值定为 100V、200V 和 300V，以争论偏压对(Ti，Cr)N 膜层硬度的影响规律。并同时比照偏压对I、lN、crN 膜层硬度及膜基结合力的影响。表 1 结果可见，在试验参数范围内，(Ti，cr)N 膜层的硬度随偏压的增大而增大，膜基结合力随偏压的增大而增大。在一样的偏压下，(Ti，Cr)N 膜层的硬度最高、， l、iN 次之、crN 最小；(Ti，cr)N 膜层的膜基结合力均比 TiN、CrN 高。(Ti， cr)N 中 cr 的含量随偏压的增加而削减，而 Cr 在

8、镀制膜层中的含量多少打算了膜层的硬度凹凸。cr 含量低，膜层硬度则高；cr 含量高，膜层硬度则低。偏压增大，荷能粒子能量随之提高；高能粒子对基体外表的轰击作用会引起外表吸附杂质的溅射脱附，造成外表择优吸附位置，增加外表原子活性，进而改善膜基结合性能。氮分压对膜层硬度的影响试验参数：弧电流 70A，起弧电压 18V，沉积时间 somin，偏压 200V，基板温度 300。上述试验参数不变，分别凋整氮分压值为o2Pa、o4Pa、06Pa 和 08Pa，以争论氮分压对(Ti，cr)N 膜层硬度的影响。作为比照，同时考察氮分压对 TlN、crN 膜层硬度及孔隙率的影响。随着氮分压的提高，(Ti，cr)

9、N 膜层硬度相应增大，孔隙率渐渐增大，使膜的致密性受到影响。在较低的氮分压下， N 膜层的硬度也高于较高氮分压时 TiN、crN 膜层的硬度。在一样的氮分压下，N 膜层孔隙率低于 TiN、crN 膜层孔隙率。氮分压对膜层硬度的影响，主要是提高氮分压使膜层生长速.氮分压对膜层硬度及孔隙率的影响。镀膜特点以及影响因素多弧离子镀的特点：1、阴极电弧蒸发源不产生溶池，可以任意设置于镀膜室适当的位置，也可以承受多个电弧蒸发源提高沉积速率使膜层厚度均匀，并可简化基片转动机构。 2、金属离化率高，可达 80以上，因此镀膜速率高，有利于提高膜基附着性和膜层的性能。3、一弧多用，电弧既是蒸发源和离化源又是加热源

10、和离子溅射清洗的离子源。4、沉积速度快，绕镀性好。5、入射粒子能量高，膜的致密度高，强度和耐磨性好工件和膜界面有原子集中，因而膜的附着力高3 多弧离子镀工艺的进展 30 多年以来，中国已经用多种 PVD 方法成功制备了多弧离子镀涂层由于影响膜层质量的因素多而简单，针对不同的用户，需要设立不同的优化设计方法，以开发质量稳定的、可满足不同用户膜厚要求的工艺条件因此，不断争论镀膜工艺 (参数)与膜层性能(指标) 之间的关系，以实现膜层性能预报与工艺优化设计，始终是争论人员致力的目标拉山 J。主要影响因素分析：1、氮分压的影响：争论说明，假设提高氮分压则会转变 TiN 涂层的相构造，显著增加显微硬度磁

11、场强度氮分压的提高有利于增加 TiN 涂层的耐磨性。2、择优取向的影响因素：具有猛烈择优取向的涂层外表光亮度高、硬度高、耐磨性好，与基体有较高的结合强度。3、温度：在保证基体材料不过热的前提下提高沉积温度，有利于提高 TiN 涂层的性能。4、基体硬度影响：基体材料的硬度越高，TiN 涂层的结合力越好，选择含 V 量高的材料沉积 TiN 涂层，有利于提高涂层结合力。5、膜层的抗高温氧化性的影响因素：由于 TiN 存在高温下抗氧化性较差，薄膜韧性较低，内应力较大等缺乏，原子的加人极大地改善了薄膜的抗氧化性能，并且改善了薄膜的脆性。但 AL 的含量与薄膜硬度并不是完全的线形关系，试验说明：薄膜硬度随

12、薄膜中 AL 的含量的增加呈先升后降的趋势。因此 AL 含量确实定是关键另外，工艺因素对TiAlN 涂层也有较大的影响。TiAlN 涂层的组成要受到 N：分压、阴极弧流等的影响。进展前景以及应用实例进展前景1、开发型薄膜：由于对膜层性能的要求越来越高，在转变工艺提高性能的同时，人们也在查找一些的镀膜材料，替代高难工艺下的镀膜制备，不能始终停于对 TiN 薄膜争论。现镀膜主要集中在转变靶材材质，添加其他元素，转变工作气体等方向上。别利芳等人对TiC 薄膜进展沉积，获得多弧离子镀制备 TiC 膜的最正确工艺，并对耐磨性和内应力进展争论，觉察其具有较好的综合性能，硬度更高外表更平滑。2、拓展薄膜应用

13、：多弧离子镀最初的应用始于超硬膜层，其中应用最广是对基材进展高硬度改性。而现今需求越来越多，要求越来越高，不仅单单要求高硬、耐高温、耐强磨等性能，一些特别环境下服役的基材要求耐腐蚀、抗氧化、抗疲乏、抗热震，或是要求同时具备不同性能。争论人员针对不同特别基材要求，利用多弧离子镀技术，通过改善工艺、转变材质、改性薄膜，让多弧离子镀能越走越远，越走越广。今后多弧离子镀技术的进展主要集中在镀膜应用和镀膜工艺两方面。应用上， 集中于装饰日用、刀具工具、医疗器件、机车零件、航空航天和军械装备等领域。 镀膜应用镀膜工艺上，多元镀膜多层镀膜照旧是争论得方向；将与其它镀膜技术 结合，各自取长补短进展复合镀膜；改

14、善镀膜设备，提高镀膜效率改善工艺，承受智能掌握工艺流程。应用实例1、多弧离子镀膜技术在车辆零部件上的应用离子镀外表涂层技术可在以下场合应用于车辆零部件：在轴类零件的外表镀制硬质耐磨膜。离子镀用于轴类等易磨损零件的外表处理，可大大提高所镀外表的显微硬度，改善外表耐磨性，减小摩擦系数，从而降低外表磨损，延长零件使用寿命，还可降低零件运动时产生的噪声，削减环境污染。在发动机零件上镀制耐磨耐蚀膜。在活塞顶部、活塞环、汽缸套等直接与燃气接触的发动机零件上镀制一层耐磨损、耐气蚀、隔热的复合膜，使这些零件可在高温下工作，降低其冷却要求，可使大局部热量通过排出的气体带走，大大提高发动机的有效系数和经济性。假设

15、不使用冷却系统，还可减小动力装置的重量和体积，并且有利于降低噪声。2、多弧离子镀膜技术在航空业上的应用：用于修复速率陀螺的马达轴承，进展轴承外圆外表的增厚处理。用真空多弧离子镀膜技术进展轴承的外圆增厚处理可到达抱负的效果，这是由于它所沉积的膜层具有膜厚均匀全都，无边界效应，膜层硬度高，与基体结合结实，耐磨性及外表光滑度好，沉积厚度可严格掌握等优点提高航天用球轴承外表的耐磨性。中国第一代特别用途卫星测量照相机的片托架、镜筒、支撑框架、焦面框架等件承受的都是钛合金材料，其外表处理承受多弧离子镀黑色氮钛膜层工艺处理，可满足产品使用要求。对该航天产品返回地面后跟踪检查，未觉察任何问题，黑色氮钛膜层无磨

16、损或脱落现象。3、多弧离子镀膜技术在冲孔冲模上的应用多弧离子镀入射粒子能量高，在高能量的离子轰击下，可使膜的致密度高， 强度和耐久性好。特别是膜层和基体界面原子集中，因此不仅膜的附着强度好， 而且形成了一个有肯定厚度的高硬度过渡层。涂层膜本身具有很高的硬度，最高达 2023HV 左右，故涂层膜和过渡层组成了稳定的耐磨损耐冲击强化区，这显著提高了冲模的耐磨性能和抗冲击疲乏性能。冲孔冲头经多弧离子镀 TiN 涂层处理后，使用寿命比原冲头可提高 5 倍，可显著降低冲模的制造费用。4、多弧离子镀膜技术在钟表行业上的应用承受多弧离子镀技术制备各种钟表外表 TiN 装饰膜，充分利用弧光放电中高 密度、高能

17、量的金属离子流，可成功地制得既具有“伪集中”层又具有微细柱状晶组织的抱负耐磨损和耐腐蚀的 TiN 仿金涂层多弧离子镀技术在装饰膜方面的 应用有很好的前景。当前，多弧离子镀是沉积 TjN 装饰膜的最正确工艺，该技术具有较高的金属离化率和较高的离子能量，因而有利于提高涂层的均匀性和附着性。5、多弧离子镀膜技术在装饰上的应用目前很多宾馆大厦外表不是金碧辉煌，就是颜色绚丽室内装饰或满堂金色， 华美堂煌，其实这些都是多弧离子镀的杰作。多弧离子镀不仅膜层具有较好的耐磨性和耐蚀性，而且还可在多种材料(包括金属与非金属)上镀制，其色泽变化多样，格外丰富，这是传统的电镀等方法所不能比较的。参考文献：1 潘应君,

18、胡兵,别利芳等.高速钢外表离子镀 TiC 薄膜及其耐磨性争论J, 金属热处理.2023,12:017.2 姜雪峰,刘清才,王海波.多弧离子镀技术及其应用J,重庆大学学报(自然科学版).2023,29(10):55-57.3 高汉三, 张守忠, 刘景宏等. 多弧刀具离子镀膜工艺及设备J, 真空.1989,2:009.4 王社管,王葆初，多弧离子镀多元合金争论J,钢铁争论学报.1989,1.5 徐 乐 ， 多 弧 离 子 镀 用 于 制 备 高 质 量 的 TiN 膜 J, 材 料 保护.2023,33(8):28-30.6 张钧，多弧离子镀合金涂层/ 靶材成分别析现象的初步争论J, 真空.1994,(4):44-47.7 张钧,田红花,戚羽等.多弧离子镀合金涂层外表颗粒的争论J,1997.8 周细应,万润根,陈凯旋.多弧离子镀 TiN 技术J,机械工程材料.1994,6.9 刘清平，曲敬信，潘国顺，多弧离子镀(Ti,Cr)N 膜层工艺及性能期刊论文-机械工程材料 2023,26(3)10 牛宝林，多弧离子镀膜技术的应用争论.2023.12.28 期刊.11 吴一平，周景萍，多弧离子沉积(Ti,Al)N 薄膜的构造与形貌J,机械工程材料.1995,19(4):29-31.12 刘光明，外表处理技术概论M.北京：化学工业出版社.2023:152-153.