1、精品脈沖多弧等離子體鍍膜技術(shù)及設(shè)備（關(guān)于用離子鍍?nèi)〈糠蛛婂兗盎瘜W(xué)鍍的技術(shù)論證）1. 前言離子鍍技術(shù)是目前國內(nèi)外制備高質(zhì)量涂層的最主要方法之一， 其基本原理就是在鍍膜的同 時，采用高能粒子轟擊基片表面和膜層。因此，鍍層的質(zhì)量及膜層與基體的結(jié)合力得到大幅度 的提高。武漢科技大學(xué)從 20 世紀(jì) 80 年代中期開始該項目的研究工作，通過近二十年的探索 與實踐， 成功開發(fā)出了 “脈沖多弧等離子體鍍膜技術(shù)及設(shè)備” ,并申請了 “一種多功能多弧等離 子沉積裝置”國家專利（專利號： ZL200520095004.9 ）。該設(shè)備主要由真空系統(tǒng)、脈沖蒸發(fā) 源系統(tǒng)、高壓電源及控制系統(tǒng)、離化系統(tǒng)及陰極系統(tǒng)等組成，不

2、僅可以代替電鍍及化學(xué)鍍制備 各種純金屬鍍層， 而且還可以制備化合物及陶瓷涂層。 此外，通過特殊配備的納米粉收集裝置， 該設(shè)備還可以制備多種純金屬及陶瓷納米材料。該技術(shù)及設(shè)備制備的各種耐蝕、耐磨、耐熱、 潤滑、裝飾鍍層及納米材料在機械、微電子、冶金、紡織、化工等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。2. 電鍍及化學(xué)鍍的原理及應(yīng)用2.1 電鍍原理及其應(yīng)用電鍍是用電化學(xué)方法在固體表面上沉積一薄層金屬或合金的過程。工藝較成熟， 應(yīng)用極廣 泛。能在表面鍍覆的單金屬有 20 多種，合金鍍層也有 20 種左右。常用的電鍍材料有鉻、鎘、 鋅、金、銀、銅等金屬以及黃銅等合金。電鍍層廣泛用作抗蝕、耐磨、裝飾、潤滑鍍層和其它功能

3、性鍍層（如磁性、導(dǎo)電、光學(xué)膜 等）。對鍍層基本要求是致密的表面結(jié)構(gòu)、均勻的厚度以及鍍層與基體結(jié)合牢固（一般為機械 結(jié)合）。電鍍的優(yōu)點是設(shè)備、工藝簡單，便于批量生產(chǎn)。存在的問題是：電鍍的廢液廢氣會造 成環(huán)境污染；形狀復(fù)雜的零件不易得到均勻的鍍層；與基體不是冶金結(jié)合，而是機械結(jié)合，很 不牢固；氫的析出會引起鋼的氫脆和疲勞強度的下降。2.2 化學(xué)鍍原理及其應(yīng)用 含有欲鍍金屬離子的溶液在還原劑的作用下金屬離子還原成金屬而沉積在 制品表面的過程稱為化學(xué)鍍或自催化化學(xué)還原鍍，無電鍍。由于化學(xué)鍍優(yōu)于電鍍的特點，近幾十年來獲得很廣泛的應(yīng)用，主要特點有：（ 1） 化學(xué)鍍可用于更廣泛的基體，適用于金屬、半導(dǎo)體及非

4、金屬。（ 2） 不管制品的幾何形狀如何復(fù)雜，都能獲得厚度均勻的鍍層。（ 3） 鍍層致密，孔隙少，硬度高。存在的缺點是仍有嚴(yán)重的環(huán)境污染，沉積速率慢（約10 m/h ），槽液溫度高（如鍍鎳時為 85100 ），易老化，壽命短，價格高，成本高于電鍍，使用于電鍍不適合的場 合。用化學(xué)鍍能獲得金、銀、銅、鎳、鈷、鉑、鈀等金屬鍍層。耐磨耐蝕方面用的最多是 化學(xué)鍍鎳，如 Ni-P 和 Ni-B 合金鍍層，且為非晶態(tài)，硬度達 500600Hv ，經(jīng) 400 處理 后，硬度可達 1000Hv ?；瘜W(xué)鍍銅主要用于非金屬電鍍的底層、印刷板孔的金屬化、電子 儀器的電磁屏蔽等。由于電鍍和化學(xué)鍍均存在嚴(yán)重的缺點， 近年

5、來國內(nèi)外研究出許多用離子鍍來取代電鍍 及化學(xué)鍍，解決了以上存在的問題。3. 離子鍍技術(shù)及應(yīng)用3.1 離子鍍原理 離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)部分電離，在離子轟擊作 用下，把蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基體上，形成沉積薄膜。3.2 離子鍍的主要優(yōu)點和特點1. 鍍層材料廣泛，容易獲得各種金屬、合金、化合物和陶瓷鍍層。2. 鍍料汽化方式：可用高溫蒸發(fā)，也可以用低溫濺射。3. 沉積粒子能量可調(diào)節(jié)，反應(yīng)活性高，通過等離子體或離子束介入，可以獲得所需 的沉積粒子能量進行鍍膜，提高膜層質(zhì)量，通過等離子體的非平衡過程提高反應(yīng) 活性。4. 低溫型沉積：沉積粒子的高能量高活性不需遵循傳統(tǒng)的熱力學(xué)規(guī)

6、律的高溫過程， 就可以實現(xiàn)低溫反應(yīng)合成和在低溫基體上沉積， 一般 300500 oC 就可以成膜， 大沉積基體適用范圍。5. 可沉積各類型薄膜：如金屬膜、合金膜、化合物膜等。6. 無污染，利于環(huán)境保護。離子鍍技術(shù)已廣泛運用于各行各業(yè)，許多技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。如防護鍍層、減 磨鍍層、耐蝕性鍍層、裝飾性鍍層、潤滑鍍層、超硬鍍層、多元復(fù)合鍍層及其他功能鍍層 等。3.3 離子鍍設(shè)備離子鍍的設(shè)備主要由真空室、 排氣系統(tǒng)、 蒸發(fā)系統(tǒng)、 離子化系統(tǒng)及電控系統(tǒng)所組成理圖見圖 1)圖 1 真空電弧離子沉積示意圖圖 2 為武漢科技大學(xué)研制成功的 DHP-8-C 型帶脈沖電源的 30KW 多弧多功能等離子 體設(shè)

7、備（國家專利號： ZL200520095004.9 ）；既可制備各種單層和多層納米涂層，又可以 制備純金屬和無機非金屬納米粉末。圖 2 多弧離子鍍設(shè)備外觀圖該設(shè)備的技術(shù)參數(shù)為：工作室尺寸 1000 ×1000 ×1000 ，極限真空度為 6.65 ×10-4 Pa， 抽真空時間少于 30 分鐘，電弧蒸發(fā)源 8 個，脈沖偏壓電源 30A ，最大裝爐量 6 鉆頭 1000 支，測溫方式：熱電偶和紅外測溫儀。圖 3 為用該設(shè)備涂覆的各種產(chǎn)品。a. 表帶b. 馬具c. 搓絲模具圖 3. 脈沖多弧離子鍍的樣品3.4 離子鍍膜工藝離子鍍膜工藝流程：前處理 抽真空 離子轟擊清洗

8、和刻蝕 離子沉積取件 后處理。如圖 4 所示?？删庉嬓薷膱D 4 TiN 鍍膜工藝流程示意圖3.5 離子鍍膜的應(yīng)用離子鍍作為一種新的表面涂層技術(shù)受到了各國的重視， 它的材料組合范圍廣， 不受基體材料 的限制（金屬、非金屬均可） 。近年來在生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。用的最多的為多弧離子鍍和等離 子體化學(xué)氣相沉積（ PCVD ）。1. 防護涂層試驗表明 10 30m 的離子鍍鋁膜，經(jīng) 2100 小時的 5鹽水噴霧后還不破壞，比電鍍 鉻、銅的性能更好。美國在飛機螺釘、襯套等零件上已廣泛采用離子鍍鋁代替鍍鎘，在日本 已用離子鍍鋁的碳鋼代替不銹鋼。用離子鍍AlN ，TiN ，Al（CN），Ti（CN ）來代替電

9、鍍化學(xué)鍍 Cr，Cr-V ，Cr-Mo ， Cr-Mo-V ， Ni ， Ni-P ，Ni-B ，Ni-Si 等是完全可行的，且性能更 好，避免了嚴(yán)重的環(huán)境污染。燃?xì)廨啓C的葉片，早先是用擴散滲鋁層進行腐蝕防護，但存在硫化物的腐蝕問題。用 離子鍍沉積 Co-Cr-Al-V 鍍層之后，其腐蝕性能大大改善，在 870 下進行試驗可達 900 小時而不發(fā)生損壞。2. 減磨鍍層 用離子鍍法獲得的固體潤滑膜已在航天工業(yè)中的各種儀器、齒輪、螺絲、軸承以及潤 滑部件中得到廣泛應(yīng)用。采用的潤滑材料有：MoS 2、 WS2、石墨、 CaF2、金、銀、鉛、錫、銦、聚四氟乙烯等。國外一些噴氣發(fā)動機的輪轂、渦輪軸支承面

10、和直升飛機旋轉(zhuǎn)軸的 轉(zhuǎn)動部分，已采用銀潤滑膜、離子鍍鎘等工藝。3. 純金屬涂層 離子沉積是提高涂層附著力的有效工藝方法。純鋁層具有很好的耐蝕性，如在普通的 鋼材上沉積 10 m-12 m 的鋁層，用 5% 的鹽霧試驗，耐蝕時間達( 170-280 )h。離子 沉積鋁被美國海軍列入正式生產(chǎn)工藝；過去很多高強度鋼采用鍍鎘工藝，常出現(xiàn)氫脆，影 響零件的強度而且有毒， 離子沉積鋁消除了上述缺點， 并保證了耐蝕性能。 試驗表明 10-30 m 的離子鍍鋁膜，經(jīng) 2100 小時的 5% 鹽水噴霧后還不破壞，比電鍍鉻、銅的性能更好。 美國在飛機的螺釘、襯套等零件上已廣泛采用離子鍍鋁代替電鍍鎘。在日本已用離子

11、鍍鋁 的碳鋼部分代替不銹鋼。航空工業(yè)中過去對高強度鋁合金采用陽極氧化，使基體的疲勞強度下降，離子沉 積鋁層克服了此缺點。鋁層還是電磁波屏蔽的優(yōu)良涂層，如涂0.15 m 鋁膜，可相當(dāng)于涂 40m 厚的加鎳導(dǎo)電涂料的電磁屏蔽效果。4. 裝飾性涂層 裝飾性涂層在輕工業(yè)、工藝美術(shù)品方面應(yīng)用較廣，目前研究和應(yīng)用仿金涂層最為 廣泛，其中 TiN 仿金已用于工業(yè)化生產(chǎn)，如表殼、表帶、首飾、餐具、眼鏡架等，不 僅節(jié)約了黃金的消耗量，而且耐磨性、抗蝕性等均優(yōu)于黃金，可用于裝飾性涂層化合物見表 1表 1 部分金屬化合物的顏色名稱顏色名稱顏色名稱顏色Be2C赤色NbC亮褐色TiN金黃色YC2黃色TaC金褐色ZrN黃

12、銅色LaC2黃色Cr2C灰色HfN黃褐色CeC2赤黃色WC灰色TaN灰色UC灰色Be2N 2灰色Cr2N亮灰色TiC亮黑色Mg 2N 2黃綠色MnN黑色ZrC灰色LaN黃色VN金色5. 潤滑膜層離子沉積膜的摩擦系數(shù)比原來金屬材料基層要低，涂覆Au 、Ag 、Pb、Pb-Sn 、MoS 2、Ca2F、CF 等潤滑材料。其中 Ca2F 是良好的高溫潤滑劑，在 800-900 下工作，摩擦系數(shù)為 0.05 以下。噴氣發(fā)動機的輪殼、渦輪軸承表面和直升飛機旋翼轉(zhuǎn)子軸等部位，用上述的潤滑 材料，可以防止麻點、裂紋、應(yīng)力腐蝕等，提高了力學(xué)性能，也延長了使用壽命。6. 超硬復(fù)層超硬復(fù)層是物理氣相沉積研究應(yīng)用和

13、開拓的主要方面， 正因為超硬復(fù)層應(yīng)用于生產(chǎn)取得了 令人滿意的效果， 各國很重視對該技術(shù)的開發(fā)和研究， 特別是用于工具表面的強化， 使切削壽 命提高 3-10 倍，具有高的表面耐磨性能和黃色的外觀色澤。國外稱 TiN 涂層刀具是工具的外 觀和性能上的一次革命。發(fā)達的工業(yè)國家 TiN 涂層刀具覆蓋率約占 80% ，而我國在這方面還 有很大的差距，發(fā)展空間極大。如：在模具行業(yè)， 十字槽頭螺釘用高速鋼沖頭模具， 采用離子鍍鍍覆 TiN 涂層后， 使用壽 命提高了 3 倍多；在纖維行業(yè)， 在不銹鋼纖維切割刀后隙面鍍 TiC 涂層后， 其使用壽命可延長 310 倍。鋁或鋼制的紡錘采用離子鍍鍍覆 TiN 涂

14、層后，使用壽命提高了 3 5 倍。7. 多元復(fù)合鍍層（1） Ti（C，N ）鍍層在相同切削條件下，采用 Ti（C，N ）加工低合金鋼，其性能與 TiN 相近。但在高速和 大進給的條件下 Ti（ C，N ）優(yōu)于 TiN 。由于 Ti（ C，N ）的摩擦系數(shù)低，因此特別適合于制作 精加工刀具， 而 TiN 用于粗加工較好。 被加工材料對于鍍層刀具的使用性能有很大影響， 例如 加工軟的材料（鍛鋁、黃銅和紫銅） ，Ti（C，N ）鍍層是最好的。同樣， Ti（ C，N ）鍍層在鋁 的熱壓或成型加工中，也顯示出優(yōu)于 TiN 的性能，這是因為 Ti（C，N ）鍍層具有較低的摩擦 系數(shù)，降低了鍍層和被加工材料

15、表面的化學(xué)磨耗。（ 2） TiAlN 鍍層TiAlN 是亞穩(wěn)態(tài)的， TiAlN 鍍層刀具可以承受在難加工材料切削時所產(chǎn)生的高溫。由于 TiAlN 的抗氧化性優(yōu)于 Ti（C，N）和 TiN ，因此特別適合于加工低導(dǎo)熱金屬。如鈦合金、不 銹鋼和鎳基合金等。 TiAlN 有較好的韌性，在加工鑄鐵時也有良好的性能?；瘜W(xué)氣相沉積（ CVD ）法制備化合物（碳化物、氮化物、氧化物）硬質(zhì)涂層、工藝溫度均 為 1000 ，而物理氣相沉積則把成膜溫度降至 500 以下，為高速鋼、模具鋼表面硬化提供 了有效的手段。涂層刀具的研究起始于 1972 年， 1980 年推廣應(yīng)用于生產(chǎn)， 1981 年美國 Gubring

16、 公司 生產(chǎn)出 TiN 涂層刀具銷售，有 20 余家廠商在國際機床展覽會上展出了高速鋼 TiN 涂層刀具； 目前日本汽車工業(yè)已全部采用 TiN 涂層滾刀。特征硬度 /HV外觀厚度 / m速度污染基體溫度可鍍層范圍特征用途與基體結(jié)合強度成本設(shè)備投資批量性生產(chǎn)鍍 Cr 小于 800白 光潔6 10慢 有污染 幾十度 純金屬及合金各 20 種左右抗蝕、耐磨、裝飾、潤滑鍍層 機械結(jié)合 不牢固低 低（幾萬元） 適合鍍 AlN 、 TiN 大于 1500Al- 白 TiN- 金黃色 光潔312快無污染300-500 純金屬、合金、非金屬、各種復(fù)合涂層 等，可做無限多種鍍層 除能做電鍍的各種鍍層外， 尚能做金屬 及各種復(fù)合鍍層價鍵結(jié)合，牢固低高（幾十萬元）適合（做好夾具設(shè)計）5、結(jié)論1. 離