1、離子鍍技術制備減磨耐磨層及其摩擦磨損機理報告人：導師：日期：20-主要內容 離子鍍原理 離子鍍的分類 離子鍍技術制備的減磨耐磨層的摩擦磨損機理2一、離子鍍原理 離子鍍膜技術（簡稱離子鍍）是美國Sandia公司的D.M.Mattox于1963年首先提出來的，是在真空蒸發和真空濺射技術基礎上發展起來的一種新的鍍膜技術。 離子鍍的英文全稱ion plating，簡稱IP。它是在真空條件下，應用氣體放電實現鍍膜，即在真空室中使氣體或被蒸發物質電離，在氣體離子或被蒸發物質離子的轟擊下，同時將蒸發物或反應產物蒸鍍在基片上。3一、離子鍍原理 右圖是離子鍍技術原理示意圖，當真空室抽到10-310-4pa后，通

2、入惰性氣體使真空度達到1pa3pa，接通高壓偏壓電源，在蒸發源和工件之間產生輝光放電，獲得的高能惰性氣體離子和原子轟擊工件表面，將表面吸附的殘余氣體和污染層濺射下來，形成氬離子的轟擊凈化作用。4一、離子鍍原理 隨后，開啟蒸發源形成蒸發材料蒸氣，蒸發的粒子進入等離子體區，并與等離子體區的高能電子非彈性碰撞而被部分電離；被電離的蒸發材料離子和惰性氣體離子受到工件負偏壓的吸引，以較高的能量到達工件，并沉積成膜。 離子鍍成膜過程中所需的能量不是靠加熱方式獲得的，而是由于電離碰撞以及離子被電場加速獲得的，其能量比真空蒸發鍍時大得多。5與真空蒸發鍍膜相比，離子鍍膜層質量具有以下特點： 離子鍍膜的膜基結合力

3、大 膜層組織細密 繞鍍性好 結構可控 離子鍍技術對工件施加負偏壓，雖然賦予離子鍍膜層許多優點，但高的負偏壓會使膜層粒子所攜帶的能量過高，對基材的組織、結構產生一定的損傷，而且不適用于低溫基材。6二、離子鍍的分類 最早提出的二級型離子鍍的金屬離化率低，很難進行反應沉積，不容易獲得化合物膜層。因此人們開發了多種提高金屬離化率的離子鍍方法，其目的是提高等離子的密度，提高金屬離化率，獲得更多的高能金屬粒子，使之更容易與反應氣體化合，獲得化合物膜層。 根據蒸發金屬所用的技術和使金屬原子電離的措施不同，可對離子鍍分為如下8類。7二、離子鍍的分類名稱名稱氣體放電方式氣體放電方式工作偏壓工作偏壓/V蒸發源蒸發

4、源金屬離化率金屬離化率/%直流二級型離子鍍輝光放電13電阻，電子槍熱陰極離子鍍輝光放電0.53電阻，電子槍1高頻離子鍍輝光放電0.53高頻感應線圈35集團離子鍍離子鍍輝光放電510高頻感應線圈310活性反應離子鍍輝光放電0.51高壓電子槍15空心弧陰極離子鍍熱弧光放電0.050.2空心陰極槍515熱絲弧離子鍍熱弧光放電0.10.2熱絲弧槍2040陰極電弧離子鍍冷場致弧光放電0.050.2陰極電弧源609082.1直流二級型離子鍍 直流二級型離子鍍設備由蒸發源、偏壓電源、工件架、真空系統、進氣系統等組成。采用電阻加熱蒸發源或電子槍蒸發源和工件分別接高壓偏壓電源的正極和負極，利用工件和蒸發源兩極之

5、間的輝光放電產生離子并加速離子向工件運動。92.2熱陰極離子鍍熱陰極離子鍍的蒸發源有電阻蒸發源和電子槍蒸發源。右圖為電子槍蒸發源型熱陰極離子鍍裝置的示意圖。熱陰極離子鍍是在普通二級型離子鍍膜機的工件和蒸發源之間添置了發射電子的陰極和收集電子的陽極。加熱的陰極可發射數百毫安至10A的電子流，電子在陽極的作用下被加速并以一定速度垂直穿過蒸發的粒子流，即在蒸發源和工件之間增加了橫向運動的高能熱電子流。從蒸發源蒸出來的膜層材料原子，在向基片運動的過程中，被高密度、高能電子碰撞電離，提高了金屬的離化率，有利于增強離子鍍的效果。102.2熱陰極離子鍍熱陰極離子鍍可獲得膜層組織細密、膜基結合力好的膜；但由于

6、膜層粒子總體的能量還不夠高，不容易獲得化合物涂層。112.3高頻離子鍍高頻離子鍍（又稱射頻離子鍍）設備的原理如右圖所示，它是在二級型離子鍍的蒸發源和工件之間安裝一個高頻線圈，在離子鍍過程中，電子在高頻線圈的激勵下做震蕩運動，延長了電子到達陽極的路徑，增加了電子與反應氣體及金屬蒸氣碰撞的概率，提高了輝光放電的電流密度。122.4空心弧陰極離子鍍2.4.1空心陰極放電兩個平行板陰極置于真空容器中，當滿足氣體點燃電壓時，這兩個陰極都產生輝光放電，在兩個陰極前都形成陰極位降區和負輝區。陰極位降區的厚度dk是維持輝光放電不可缺少的區域，陰極位降區厚度dk與負輝區長度之和定義為陰極放電長度d0。132.4

7、.1空心陰極放電當兩個陰極距離dk1- dk22d0時，兩個陰極位降區互相獨立，互不影響，并有兩個獨立的負輝區，正輝區則共用，輝光放電正常進行；當dk1- dk22d0時，兩個負輝區合并，從陰極k1發射的電子在k1的陰極位降區被加速，當它進入k2的陰極位降區后又被減速，并被反向加速后返回。142.4.1空心陰極放電如果這些電子沒有產生電離或激發，則它們在k1和k2之間來回振蕩，這樣增加了電子與氣體分子碰撞的概率，可以引起更多的激發和電離過程，電流密度增加，輝光強度增加，這種現象稱為空心陰極效應。如果陰極是空心管，則空心陰極效應更為明顯。152.4.2空心陰極離子鍍工作原理 用高熔點的鉭（或鎢）

8、管作陰極，坩堝作陽極，抽高真空后，陰極管內通入氬氣，首先用數百伏電壓點燃氣體產生輝光放電。由于空心陰極效應，鉭管內的電流密度很大，高密度的氬離子轟擊陰極鉭管內壁，使管壁尾端迅速升溫至2300K以上，達到鉭金屬的熱電子發射溫度，鉭管發射大量的熱電子，放電電流迅速增加，電壓下降，輝光房電轉變為弧光放電。從鉭管內發射出高密度的、以熱電子流為主的等離子體電子受到陽極的吸引到達陽極，是坩堝的鍍料加熱熔化、蒸發。162.4.3空心陰極離子鍍裝置右圖為空心陰極離子鍍膜機結構示意圖。在空心陰極離子鍍膜機中，用鉭管做空心陰極槍，安裝在鍍膜室壁上；鉭管長度為60mm80mm，內徑為8mm15mm，壁厚為1mm3m

9、m；鉭管接電源負極。坩堝安裝在鍍膜室的底部，接電源正極。在工作時，空心陰極弧光放電產生的電子束在電場和磁場的作用下到達坩堝內的鍍料上使鍍料蒸發，電子在飛向坩堝的行程中還不斷使氣體和鍍料原子電離。172.4.3空心陰極離子鍍裝置工件轉架安裝在鍍膜室上部，工件接負偏壓電源負極，真空室接正極，工件偏壓為50V200V；在偏轉作用下，大量離子被加速，與中性離子一起到達工件表面而成膜。用空心陰極槍鍍膜時，還需調整坩堝周圍的電磁線圈的電流，控制電子束轟擊到坩堝上的束斑大小，從而控制到達坩堝的電子流功率密度。182.4.3空心陰極離子鍍的特點 在空心陰極離子鍍中，等離子體電子束一方面作為氣化金屬的熱源，另一

10、方面當金屬蒸氣通過等離子體電子束區域時，其受到高密度電子流中電子的碰撞而發生離化。 在鍍膜過程中，含有大量的高速中性粒子，其數量比其他離子鍍方法高兩三個數量級。高的荷能粒子轟擊促進了膜/基間原子的擴散，提高了膜/基間結合力和膜層致密性。192.5活性反應離子鍍空心陰極離子鍍的工作氣壓較高，蒸氣原子受氣體分子的散射效應大，同時金屬離化率高，大量金屬離子受工件偏壓的吸引作用，因而空心陰極離子鍍具有較好的繞鍍性。空心陰極離子鍍和活性反應離子鍍都是20世紀80年代國內外沉積氮化鈦硬質涂層刀具的主要技術?；钚苑磻x子鍍技術是在坩堝和工件之間加裝了活性電極。202.5.1活性反應離子鍍的設備右圖為活性反應

11、離子鍍膜機結構示意圖。在安裝電子槍蒸發源的二級型離子鍍膜機中，于坩堝的上方安裝了一個活化電極，放電時活化電極對地（坩堝）為正極，電壓為50V80V。吸引從坩堝內的金屬錠上激發出的二次電子。增加了坩堝上方的碰撞概率。212.5.2活性反應離子鍍的特點 工藝溫度低，由于電離增加了反應物的活性，反應離子鍍可在較低工藝溫度下獲得硬度高、附著性良好的化合物鍍層。 可以制備多種化合物鍍層，通過改變導入反應氣體，可以得到各種化合物鍍層。幾乎所有過渡族元素均能形成氮化物和碳化物。如向Ti的蒸氣空間通入碳氫化合物與氮氣的混合氣體，則可以得到TiC-TiN的復合鍍層。 在施鍍過程中，通過調節或改變鍍膜材料和蒸發速

12、率及反應氣體壓力，可以十分方便地制備不同配比、不同結構和性能的化合物鍍層。222.6陰極電弧離子鍍陰極電弧離子鍍（電弧離子鍍）是把真空陰極弧光放電用于蒸發源的一種離子鍍，與空心陰極放電的熱電子電弧不同，真空陰極電弧屬于冷場致弧光放電。232.6.1陰極弧光放電原理當陰極與陽極接觸短路后，陽極立即脫離陰極靶面。在陽極脫離靶面的瞬間，由于收縮期的作用，陰極接觸區溫度升高，當金屬內部的電子有足夠的能量克服金屬表面的束縛時，電子則向空間發射，同時有一定比例的金屬原子蒸發，從而在陽極和陰極間拉起電弧。242.6.1陰極弧光放電原理在陰極電弧中，正離子堆積在離陰極靶面很近的區域，形成偶電層。電場強度E很大

13、，達到106V/cm108V/cm。此強電場對金屬表面的電子有強烈的拖拉作用，產生強烈的場致電子發射，生成高電場密度、高能量密度的電子流，形成冷場致弧光放電；高能量密度促使陰極弧斑局部大量金屬材料的蒸發，金屬蒸氣流又受到電子流的碰撞被電子流的碰撞被電離成高能量的正離子，這又增強了場致發射作用。252.6.1陰極弧光放電原理這樣熱場致發射機制反復進行，使陰極維持弧光放電，發射出高離化率、高能量的陰極材料的等離子流束。262.6.2陰極電弧離子鍍設備該設備由陰極弧源、工件架、偏壓電源、真空室、真空系統等組成。陰極弧源是其核心，根據其形狀科分為圓形弧源、矩形平面大弧源和柱狀弧源。當中，圓形弧源是應用

14、最廣泛的陰極弧源，其結構如右圖所示。272.6.3陰極電弧離子鍍工藝過程（以沉積TiN為例）I.安裝工件。工件安裝在工件卡具上后，關上鍍膜室。II. 抽真空至610-3Pa以上。III.烘烤加熱。開啟烘烤加熱電源，對工件加熱。達到預定溫度282.6.3陰極電弧離子鍍工藝過程（以沉積TiN為例）IV. 轟擊凈化。一般陰極電弧離子鍍只進行鈦離子轟擊凈化，也稱主弧轟擊。通氬的真空度為210-2Pa，工件偏壓為800V1000V。逐個開啟弧電源，引燃冷場發射弧光放電，靶面產生高密度的弧光等離子體。從靶面發射大量的電子流、鈦離子流和鈦蒸氣流，在較高的真空度下，金屬離子幾乎不產生碰撞地高速到達工件。高密度

15、、高能量的金屬離子流將工件表面吸附的殘余氣體和污染物濺射下來，是工件表面充分凈化，并形成一定的“偽擴散層”。292.6.3陰極電弧離子鍍工藝過程（以沉積TiN為例）V. 沉積氮化鈦硬質涂層 先沉積鈦底層。通入氬氣將真空度調至（3 5）10-1Pa，工件偏壓調至400V 500V，脈沖偏壓電源的占空比調到40% 50%。從小弧源表面發射的鈦離子，在工件負偏壓的作用下沉積到工件上形成鈦底層（或稱過渡層），可以提高硬質涂層的附著力。此時的偏壓已經降低，鈦離子的轟擊濺射作用小于沉積作用，因此沉積一層鈦膜，同時可以對工件進行進一步的加熱。302.6.3陰極電弧離子鍍工藝過程（以沉積TiN為例）V. 沉積

16、氮化鈦硬質涂層 然后再沉積氮化鈦硬質涂層。調整所通入的氬氣和氮氣（或全部為氮氣）將真空度調整到（35）10-1Pa，工件偏壓電源的占空比調到70% 80%，沉積氮化鈦。也可以通入C2H2,O2,可以獲得TiC，TiO2等。312.6.3陰極電弧離子鍍工藝過程（以沉積TiN為例）VI. 取出工件。當膜層厚度達到預定要求后，向鍍膜室，取出工件。322.6.4陰極電弧離子鍍的特點 金屬離化率高 陰極電弧源集蒸發源、離化源、轟擊凈化源、加熱源于一身 弧源的形狀、結構多樣 陰極電弧離子鍍的沉積速率快，均勻沉積區大 陰極電弧離子鍍的不足是粗大融滴的存在增大了表面的粗糙度，增加了光線的漫反射，降低了飾品表面

17、的亮度，是表面“發朦”。33三、離子鍍技術制備的減磨耐磨層的摩擦磨損機理離子鍍膜技術制備的減磨耐磨層具有良好的減摩耐磨效果。在冶金、機械加工材料、裝飾以及航空業上得到了廣泛的應用。其常見的摩擦磨損形式有粘著磨損和磨粒磨損等，且受溫度和環境的影響。34三、離子鍍技術制備的減磨耐磨層的摩擦磨損機理以電弧離子鍍的TiAlN和TiAlSiN涂層為例，有研究表明表明：TiAlN、TiAlSiN涂層在600摩擦穩定后的摩擦因數最低，其次是在400，常溫下的摩擦因數最高； TiAlN涂層在常溫下摩擦完后已經磨穿失效，而TiAlSiN涂層在600摩擦完后才失效。粘著磨損和氧化磨損主要存在于TiAlN涂層摩擦過程中， TiAlSiN涂層常溫下主要磨損形式為磨粒磨損、粘著磨損以及塑形變形導致的魚鱗狀裂紋，400下為粘著磨損和氧化磨損，600下為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損。35三、離子鍍技術制備的減磨耐磨層的摩擦磨損機理36TiAlSiN涂層表面形貌圖600，TiAlSiN涂層磨損后表面形貌圖三、離子鍍技術制備的減磨耐磨層的摩擦磨損機理在高溫下，鍍層更容易形成抵抗磨損的氧化物（SiO2、Al2O3等），其中A