薄膜技术之离子镀技术的现状及前景.doc

薄膜技术之离子镀技术的现状及前景十年前，在我国多弧离子镀技术由研究阶段向生产推广阶段转变的时候，氮化钛镀层以其质硬、耐磨、抗腐蚀和华贵的金黄色泽的特点引起了人们的注意。现在，氮化钛镀层在工具、刀具、模具和装饰、建材、卫生洁具等方面获得了广泛的应用。钛金这个技术性的商业名词逐渐为人们接受今天,离子镀膜已超出了氮化钛范围,成了包括钛金属在内IV价和VI价及其它金属的氯化物、碳化物和氧化物的代名词。离子镀齿轮刀具、拉刀、铣刀及各种工、模具的寿命提高了几倍至几十倍，用它们生产加工的工件的精度和粗糙度等级都有所提高。钛金镀层的色彩也由单一的金黄色转向了多色彩,可以获得从浅蓝到紫红各种颜色的效果。离子镀制品已随处可见。天安门广场上的天下第一旗的旗杆钛金宝顶，城楼内的钛金栏杆，国家机关和宾馆饭店乃至公园装饰，商用牌匾都给人深刻的印象，充分证明了我国在建材方面应用钛金技术领先于世界。现在，日本、美国、南朝鲜东南亚各国都看好钛金建材市场。钛金建材将遍及垒世界。本文着重从实用角度上对离子镀技术的发展与现状作一介绍。1.离子镀及其特点离子镀工艺的出现，使材料表面改性技术向前推进了一大步。离子镀方法有许多种，如二极型、直流三极型、热阴极型、射频型、空心阴极(H C D)型，冷电弧阴极(C A C D)型，热阴极电子枪型、多弧型、溅射型等。纵观离子镀技术的进步过程，可以看出，离子镀的发展过程就是其离化率的提高过程。在现有的离子镀膜方法中，多弧型和磁控溅射型离子镀具有广泛的应用潜力。其优点是镀膜过程中靶材保持固体状态，因而可以任意方向放置，扩大了镀覆空间；不必采用昂贵的加热元件和坩锅，易于获得台金膜层等。应用这种工艺的设备可以做得很大，结构简单，镀覆重复性好，易于操作和实现自动化。离子镀膜之所以质量好，主要是在镀膜空间存在着离子。这些离子在偏压的作用下，轰击工件并沉膜。荷能粒子的存在增加了元素间反应的可能性，因而拓展了离子镀工艺的应用范围。可以说离子镀是一种离子轰击镀膜技术。离子镀的主要优点有：膜层致密均匀，附着强度高，覆盖能力强，绕镀性好，沉积速度快，处理温度低，可镀材质广；无公害，耗能低，耗水少，用料省；膜的形态可控，操作可靠性高，便于工业化生产等。这些优点使得离子镀技术在国民经济各个领域得到了广泛应用。2.国外离子镀技术发展情况前苏联在离子镀技术领域中，前苏联始终居于领先地位，主要开发研制的是多弧技术，仅在线使用的小型机就有200多台，主要用于镀覆工具和刀具。这种设备的另一种用途是镀牙套，这种牙套已为前苏卫生部批准在医院里使用。近年来，还在铝膜上镀金黄色膜，这种铝膜可用粘贴的办法贴在工件上。在消除液滴的研究分析方面，前苏联的有关文献数量处于领先地位，在用磁场筛分方式方面，取得了很多的成果。供气检测方法早期采用真空计，目前已转向光谱法。如白俄罗斯采用泸光片方法检测镀膜时真空室放电气体发射的特征光谱强度决定进气量。美国美国离子镀膜机的机型也以多弧型为主。我国引进的设备主要是美国的M U LTIARC和VACTEC两家公司生产的。据传VACTEC公司原定以中国为主要市场，目前业已被其它公司兼并。该公司生产的多弧型机采用大靶，易烧蚀出沟槽，靶材利用率较低。冷凝泵为主排气机，故障率较高。多弧公司是世界知名公司之一，始建于1980年，拥有现代化的实验室，20多个镀膜分支机掏遍布在世界各地，是最早购买前苏联专利的公司。生产能镀20，30，40，48及两米长的刀具用的镀覆设备。该公司人员不多，但十分重视科研开发，这是该公司取得成绩的主要原因之一。多弧公司设备的主要工作系统采用嗽机程序控制，蒸发离化源装置位置可调，可以满足各种镀覆工件的需要，空间利用率大，可镀覆大型工件。公司还随机配备了较完整的技术资料及质量控制检测手段，因而实麓起来较为顺利，这是我国生产设备的公司应注意学习的。在美国，镀膜设备主要用于刀具镀覆，涂层刀具已占刀具市场主导地位，一些工具厂也设立了自己的镀膜工段。美国刀具涂层种类较多，主流还是TiN，其次是ZrN和复合膜层刀具。上次学术年会上多弧公司曾就所开发的TiALN膜层作过宣讲，引起兴趣。美国的装饰离子镀工艺才刚刚起步。瑞士瑞士的巴尔蔡司公司生产的BAI830设备问为800mm800mm，利用电子束蒸发镀膜。日本镀膜室尺寸为920mm1000mm，镀膜空该设备在上海工具厂使用，镀覆质量较好。日本是离子镀技术开发较早的国家，沈阳腐蚀所引进的H C D型IPB3030就是日本ULVAC公司的产品。日本神户制钢(KOBEsTEEL)公司生产的AlP系列离子镀膜机为日本生产的典型设备。该系列设备为多弧型，结构与VECTEC设备类似。其中小型设备AIP一050，AIP 200型的真空排气段操作为自动工艺段为手动。发展到AIP一1000型(内腔尺寸1040m m X920ra m X 1000ra m，有效镀覆空问bS00mm X 700ram)为垒自动操作。使用冷凝泵排气机组。值得注意的是该公司推出的镀膜生产线由装载室、预热室、镀膜室、冷却室和卸载室几部分组成。据称近来又将清洗线与镀膜线直接相连，构成了一套完整的自动化设备。德国德国莱宝公司在离子镀方面以溅射离子镀见长该种设备采用对靶方式布排，以装饰镀为主。镀覆出各种色泽的膜层，细腻，附着力强。z一700为其研究开发型设备，z一1100为生产型。排气系统采用涡轮分子泵。该公司推出的ZV一1200型镀膜生产线可适用于多层复合膜连续生产。德国蔡斯公司采用的是HCD型离子镀方法，推出TINA一900型设备，可用于工具镀和装饰镀，该设备内腔尺寸为900mm900mm3.离子镀在我国的发展离子镀技术在我国发展只有不足二十年的历史。近十年来，我国从事钛金设备制造和应用的厂家已逾百余家。据不完全统计，八十年代我国特别是工具行业，为了加快该技术的应用，先后引进了l1台(套)离子镀膜机，花费了大约一千多万美元的外汇。这些设备的引进，无疑对我国离子镀技术起了推动作用。随着我国技术的进步。离子镀技术，特别是多孤离子镀技术的普及和推广，我国已由离子镀膜机的进口国变成了世界上的出口大国。据统计，我国离子镀膜设备的出口额已逾一千多万美元，初步实现了将花出去的外汇赚回来的愿望。截至1995年上半年，仅长城钛金公司出口设备就六十多台套，分别销往美国、法国、日本、南朝鲜、巴西、东南亚等国和香港、台湾地区。大型的镀膜机尺寸已达b2150mm，高已达6000mm有余一次镀制l0张122re x 3048m不锈钢板的大型设备已在唐山新区投入运行。在设备的控制方法，我国已和世界水平接近。微机垒过程自动控制型离子镀膜机已投放市场。如TG8D型机，固化有多种工艺软件，具有屏幕图形、表格显示和打印及故障自动检测、报警功能。经一年多的试用证明，可靠性高，重复性好。我国离子镀工艺技术进展也十分迅速。开发出了多种耐磨、高硬和防蚀、装饰膜层。在工具、模具及建材、装饰、卫生洁具等方面获得了广泛应用镀制的工具和镀钛金板已出口国外。4.离子镀设备的现状分析和发展趋势镀膜室现有的设备中镀膜室有钟罩式、箱式，内部装有工件架。镀膜时工件大多作公自转运动或平动自转运动。离子镀设备，除工件上要施加偏压之外，与一般真空镀膜设备没有多大差别。其结构形式与尺寸大小都根据其用途而定。真空排气系统离子镀时残余气体的压强和种类对镀膜质量有重要影响。因此，预抽真空一般要达到10Pa数量级。镀膜时送人辅助和反应气体。压强维持在13X 10一t13Pa的范围，这要求排气系统能在宽压强范围内保持高的稳定抽速。油蒸汽的存在对膜层质量有害。涡轮分子泵、冷凝泵、罗茨泵等都可视为无油少油系统，但这些泵价格高，维修麻烦，因此，现在一些国外厂家也同国内厂家一样，转向了扩散泵，增加了冷阱以提高对水汽的抽速，降低返油率。为适应镀膜设备的宽压强大抽速的需要，根据我们的要求，兰州真空泵厂研制了TD型低返油大抽速扩散泵，将抽速曲线水平段右限(高压强限)向右推移至910Pa以上。加热系统工件的温度对镀膜质量有重要影响。采用的加热方法有主弧轰击法、电阻加热法、加热灯法等。主弧轰击是离子镀特有的手段，对工具镀覆应用十分有效装饰镀工艺很少使用这种方法，以免影响表面质量。加热灯法在半导体工艺中经常使用。离子镀工艺最常用的方法是电阻加热法，管状加热器用得最为广泛。这种加热器使用方便，易于清洁，但表面允许负荷不高，大气使用不超过2Wcm，在真空中需降负荷使用，大功率时需要的根数很多。在超大型设备中，加热功率达数十千瓦，采用直接通电加热法。裸露的加热器应采取低电压供电，以免造成击穿放电短路。供气系统气体可以在室外混合后送入镀膜室，亦可以分别进入镀膜室，后者在反应气体对靶材有严重影响时经常使用。在这种情况下，反应气体送往工件镀膜区，而惰性气体送主靶区。早期供气采用针阀控制，针阀受温度和污染等因素影响很大，使用不够稳定。也曾用过压电阀门，其流量都比较小。目前主要使用电磁阀供气。这种阀的开启度随压强或流量或其它检测信号的变化而变化，因而可实现自动控制。离子镀膜机检取的供气信号有压强信号，流量信号、光谱(镀膜室气体放电所发射的特征光谱强度)信号，质谱(分析镀膜室中气体成份及数量)信号。我国多采用前两种，自俄罗斯斯摩尔干厂采用光谱法，德国莱宝公司采用质谱法。离化潦电源早期离化源电源是用弧焊机改造的。这种设备的功率因子较低，重量也大后来就生产了专用的离化源电源，将功率因子提高到09以上。随着逆变式弧焊机的诞生，逆变式弧电源得到迅速发展和应用。这种电源体积小，重量轻，伏安曲线陡直，稳弧特性好，受用户欢迎。轰偏电源轰偏电源是离子镀设备主要的和技术难度较高的电源镀膜规模小时，轰偏电源可采用限流电阻方法实现灭弧功能。镀覆工件面积增大时，限流电阻上会消耗很大的功率，这种方法不可取。随后研制了带可控硅灭弧装置、震荡式灭弧装置等类型的轰偏电源，效果都不太理想。国外使用的是逆变式电源。美国先能公司生产的10kW和倍功率逆变电源，逆变频率是50kH z，而德国马克尼特隆公司生产的逆变电源频率为33kH z。这些电源质量好，应用范围广，但价格昂贵，灭弧时间在2左右。借鉴国外经验，国内也研制出了逆变型轰偏电源。如钛金公司的逆变电源，功率系列为12kW的倍数，频率为50kH z，灭弧时间小于5,us。镀覆大面积工件(如3张光亮板)效果很好。控制系统日本神户制钢公司生产的小型设备A IP一050，A IP一200的真空系统是自动操作的，而工艺操作则靠人工去完成，中型设备A IP一1000已经实现镀膜全部过程自动化。美国和德国设备都带有微机，可以评定工艺优劣，镀覆重复性好。镀膜线毫无例外的都采用了自动操作方式。国产设备的控制水平也在向世界水平迈进。真空操作自4-1：采用可编程序控制器实现如钛金公司生产的TG42，TG32都是这样。新型设备则采用微机或微机一可编程两级控制方式，如TG8D型机。这种机型样机经过350多炉的使用证明，性能优良，可靠性高，重复性好；工艺固化在软件程序中，使用方便，还具有自学习功能，自动优化控制参数。该机还具有屏幕图形、表格显示记录、打印、故障自动检1测和报警功能，能直接实现人一机对话。5.多弧离子镀（1）多弧离子镀的原理：多弧离子镀的蒸发源结构如图，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极瞬间接触，在引弧电极离开的瞬间，由于导电面积的迅速缩小，电阻增大，局部区域温度迅速升高，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，在阴极表面形成局部的高温区，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行在阴极表面形成许多明亮的移动变化的小点，即阴极弧斑阴极孤斑是存在于极小空间的高电流密度、高速变化的现象阴极弧斑的尺寸极小，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，在其爆发性地离化发射离子和电子，将阴极材料蒸发后，在阴极表面附近，金属离子形成空间电荷，又建立起弧斑产生的条件，产生新的弧斑，众多的弧斑持续产生，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表面形成膜层阴极弧斑的运动方向和速度受磁场的控制，适当的磁场强度可以使弧斑细小、分散，对阴极表面实现均匀刻蚀多弧离子镀的基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，对工件进行沉积镀覆（2）试验方法多弧离子镀工艺镀膜基材采用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加热保温一油冷一560lh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。采用两个纯钛靶(99，9)、两个纯铬靶(999)，靶位呈上下交错布置。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；膜层物相结构用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.（3）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。在试验参数不变的情况下，分别将偏压值定为100V、200V和300V，以研究偏压对(Ti，Cr)N膜层硬度的影响规律。并同时对比偏压对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。在相同的偏压下，(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减少，而Cr在镀制膜层中的含量多少决定了膜层的硬度高低。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；高能粒子对基体表面的轰击作用会引起表面吸附杂质的溅射脱附，造成表面择优吸附位置，增加表面原子活性，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，以研究氮分压对(Ti，cr)N膜层硬度的影响。作为对比，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)N膜层硬度相应增大，孔隙率逐渐增大，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。在相同的氮分压下，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.性能强化的主要因素是：(1)晶粒细化薄膜微结构中最普遍也是最显著的特征是晶粒尺寸小，通常小于100nm。如果在适当的条件下沉积薄膜，晶粒尺寸还能小于510nm，即所谓的纳米晶薄膜口。薄膜沉积过程中，偏压的存在，使荷能粒子的能量增加。高能粒子的轰击作用，会引起表面吸附杂质的溅射脱附，造成表面择优吸附位置，增加表面原子活性和迁移率，从而促进晶粒细化。(2)固溶强化TiN和Crlq是构成(Ti，cr)N的基础，TiN与crN具有相同的晶体结构，它们均具有面心立方点阵的NaCl型结构。按照Hume_Rothery法则，半径较小的N负离子占据面心立方的晶格点阵，而Ti、cr离子则在八面体的空隙内；加之TiN和crN的晶格参数十分接近，因此容易形成连续的过饱和固溶体。已发现，在三元系中，由于薄膜沉积时迅速凝固，固溶度显著增大H。固溶强化的作用，加之晶粒细化和择优取向等，使(Ti，Cr)N的性能(尤其硬度)较TiN和crN有大幅度的提高。(3)沉积理论认为，在钢基体上沉积氮化薄膜时，膜层以Volmerwerber生长模式生长，在生长初期形成三维晶核(小岛)，随着蒸发过程的进行，这些三维小岛不断生长，直至互相接触，发生小岛的融合，由于这种融合作用，会令其接触部分相当快地生长，进而合并成一个大岛，如此继续，直至形成连续的薄膜。薄膜的孔隙率在很大程度上取决于这一过程。可以认为小岛之间的接触融合过程类似于金属粉末颗粒的烧结过程，可用烧结理论来说明。根据烧结理论，颗粒间的融合是否完全，是否留下孔隙或间隙取决于烧结体成分及烧结条件。薄膜沉积时较大的蒸气压，可促进颗粒间融合过程的进行。当采用TiCr组合靶时，多种元素问的相互作用，使元素沉积过程的蒸气压增大，借助这一类似于活化烧结过程的进行，大大改善融合效果，使薄膜孔隙率大大降低。多弧离子镀(Ti，Cr)N膜，膜层硬度随偏压的增大而提高。其机制是：(Ti，cr)N膜层中的cr含量随偏压的增大而减少而Cr在膜层中的含量多少对其硬度有很大影响：cr含量高，膜层硬度低；cr含量低，膜层硬度高。膜层膜基结合力随偏压的增大而增大。膜层表面硬度随氮分压的升高而增大膜层孔隙率亦随氮分压的升高而增大。(Ti，cr)N膜层择优取向主要为(111)面。也存有(200)、(220)等面取向。在弧电流70A，起弧电压18V，偏压200V，氮分压o6Pa，基板温度300的条件下，多弧离子镀(Ti，cr)N膜层综合性能最佳。在相同的工艺条件下，三种膜层表面硬度从高到低的顺序依次是：N、TlN、crN。膜基结合力自大至小的顺序依次是：(Ti，Cr)N、TIN、CrN。膜层孔隙率由大到小的顺序依次是：crN、TiN、(Ti，Cr)N。多元膜层性能强化的机制主要是：晶粒细化、固溶强化、多元素优化。2.多弧离子镀的特点多弧离子镀是20世纪70年代开始研究的一种新的物理气相沉积工艺，这种工艺的特点如下：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，也可以采用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扩散，因而膜的附着力高3多弧离子镀工艺的发展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复杂，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，不断研究镀膜工艺(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，始终是研究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：研究表明，如果提高氮分压则会改变TiN涂层的相结构，显著增强显微硬度磁场强度氮分压的提高有利于增强TiN涂层的耐磨性2) 择优取向的影响因素：具有强烈择优取向的涂层表面光亮度高、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，内应力较大等不足，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，实验表明：薄膜硬度随薄膜中AL的含量的增加呈先升后降的趋势因此AL含量的确定是关键另外，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、阴极弧流等的影响多弧离子镀的应用自20世纪80年代以来，随着离子镀氮化钛超硬耐磨镀层工艺逐渐完善、镀膜质量的提高，多弧离子镀已广泛地在冶金、机械加工材料上得到实际应用。多弧离子镀膜技术在高速钢刀具上的应用涂层高速钢刀具是多弧离于镀最成功的应用之一涂层高速钢刀具最常用的涂层是TiN经过TiN涂层的高速钢刀具比没有涂层的高速钢刀具硬度提高23倍，镀TiN后的高速钢刀具的摩擦系数大大降低，耐磨性大大提高，说明TiN涂层具有一定的减摩作用另外，经过TiN涂层的高速钢刀具可以提高刀具的使用寿命15倍目前，多弧离子镀膜技术在齿轮刀具、钻头等大多数高速钢刀具中都有广泛的应用刀具表面镀制硬质耐磨膜在刀具上应用离子镀层技术提高刀具表面的耐磨性，从而提高刀具的使用寿命、切削速度及加工精度，降低制造成本的方法在国外已普遍应用，我国也正在推广。目前我国的各种进出口刀具大多经过镀膜工艺处理，国内使用的国产刀具经TiN镀膜处理的尚不多见，但已做了大量试验性的工作，获得了很多经验，取得了显著进步，解决了不少实际难题。是经离子镀膜处理后的部分刀具照片。多弧离子镀膜技术在车辆零部件上的应用离子镀表面涂层技术可在以下场合应用于车辆零部件1)在轴类零件的表面镀制硬质耐磨膜离子镀用于轴类等易磨损零件的表面处理，可大大提高所镀表面的显微硬度，改善表面耐磨性，减小摩擦系数，从而降低表面磨损，延长零件使用寿命，还可降低零件运动时产生的噪声，减少环境污染2)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，可使大部分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如果不使用冷却系统，还可减小动力装置的重量和体积，并且有利于降低噪声3) 在发动机曲轴衬套等运动零件上镀制润滑膜层非平衡纳米等离子体镀膜法(简称NcuPP法)是多弧离子镀范畴内的一种薄膜制备方法，它可镀制出具有良好润滑性能的固体润滑膜在发动机曲轴衬套等运动零件上镀制润滑膜层非平衡纳米等离子体镀膜法（简称NCUPP法）是多弧离子镀范畴内的一种薄膜制备方法，它可镀制出具有良好润滑性能的固体润滑膜，这类薄膜一般由多元素多成分组成，故称之为”多相材料”，具有固体润滑作用的”多相材料”膜打破了金属、无机材料、陶瓷等的界限，一般由W，Se，Ti，N，MO，S等元素进行精细的纳米复合而成。新研制的固体润滑薄膜TiNMOS2Ti及TiNMOS2WSe2是典型的多相纳米复合膜，其中的MOS2基本上呈准非晶态，掺杂物Ti或WSe2与MOS2多相复合，形成了多相的纳米复合薄膜。这类薄膜的性能特点是摩擦系数低，摩擦噪声小，抗潮湿氧化能力较高，高低温性能好，抗粉尘磨损能力较强及磨损寿命较长。此工艺正在试验研究用作空间机器人的关节润滑膜层，也可能用于旋转系统的座圈滚道、钢球等运动部位的固体润滑膜。采用此工艺不仅可提高运动部位的润滑性能，降低运动时的摩擦阻力，而且可提高其抗腐蚀能力，延长维修周期，减少维修次数。5离子镀膜技术在飞行器上的应用离子镀膜技术可用于修复速率陀螺的马达轴承，进行轴承外圆表面的增厚处理。波音飞机的速率陀螺的马达轴承外圆需进行增厚处理，要求增加的厚度必须均匀一致，表面精度和硬度不降低，增厚层与基体之间结合牢固，不易磨损，厚度一微米至数微米。电镀、喷漆、喷塑、热喷涂等均不能满足上述技术要求，因为这些方法存在边界效应、膜厚不可控、膜层耐磨性差等缺点。用真空多弧离子镀膜技术进行轴承的外圆增厚处理可达到理想的效果。可提高马达球轴承表面的耐磨性。可用于钛合金零件的表面处理。某飞行器测量照相机的支撑框架等零件的表面采用氧化发黑或无光黑漆处理皆不理想，用离子镀黑色氮钛膜层工艺处理后满足了产品要求，经跟踪检查，未发现任何问题，黑色氮钛膜层无磨损或脱落现象。可镀制高温抗氧化膜层。用离子镀技术在航空发动机涡轮叶片表面镀制一层耐高温、耐烧蚀、与叶片基体结合牢固、抗冷热气流冲击及结构致密、厚度均匀的高温抗氧化膜层，可大幅度改善叶片的耐烧蚀性能。用它镀制的NiCralY高温抗氧化层已有成功实例，效果满意。国外采用离子镀技术制备了优质复合膜层，正研究用于喷气发动机的叶片上。多弧离子镀膜技术在航空业上的应用1)用于修复速率陀螺的马达轴承，进行轴承外圆表面的增厚处理用真空多弧离子镀膜技术进行轴承的外圆增厚处理可达到理想的效果，这是因为它所沉积的膜层具有膜厚均匀一致，无边界效应，膜层硬度高，与基体结合牢固，耐磨性及表面光洁度好，沉积厚度可严格控制等优点2)提高航天用球轴承表面的耐磨性中国第一代特殊用途卫星测量照相机的片托架、镜筒、支撑框架、焦面框架等件采用的都是钛合金材料，其表面处理采用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，未发现任何问题，黑色氮钛膜层无磨损或脱落现象3)离子镀工艺镀制热障膜层为了提高航空发动机涡轮叶片的寿命，增强其抗高温烧蚀的能力，需在涡轮叶片表面镀制一层热障膜层用多弧离子镀膜工艺镀制NicrAlY热障涂层已成功地应用于航空发动机涡轮叶片的表面处理上，经试验及实际应用，取得了满意效果，并逐步应用到多种型号发动机的涡轮叶片的表面处理上国外用离子镀技术制备了性能更好的优质复合膜层，正研究用于喷气发动机的叶片制造上4)航空发动机中的应用在航空发动机制造中，将离子镀技术应用于涡轮叶片镀NiCrAlY涂层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扩散，因此不仅膜的附着强度好，而且形成了一个有一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2000HV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劳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多弧离子镀膜技术在钟表行业上的应用采用多弧离子镀技术制备各种钟表表面TiN装饰膜，充分利用弧光放电中高密度、高能量的金属离子流，可成功地制得既具有“伪扩散”层又具有微细柱状晶组织的理想耐磨损和耐腐蚀的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装饰膜的最佳工艺，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，就是色彩绚丽室内装饰或满堂金色，富丽堂煌，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，十分丰富，这是传统的电镀等方法所不能比拟的多弧离子镀能获得普通电镀难以获得的涂层而无污染，除了能镀合金外还能镀活泼金属，如钛、铝等，也可以在钛或铝合金上镀其他金属离子镀工艺的可镀性极好，基体和镀材的限制很少，在各行各业多弧离子镀镀层的应用正在逐步扩大之中，并将占据越来越重要的地位多弧型镀膜设备使用的是冷阴极真空电弧蒸发离化源，这种源的工作原理尚无统一解释，而其工作情况已熟为人知。目前最普遍使用的是永磁平面靶，电磁异形靶，大面积电磁控制靶，永磁或电磁柱状靶等。这些靶的放电电流一般在四十至几百安培之间。多弧型蒸发离化源的优点很多，在等离子体中存在渡滴则是这种方法的主要缺点液滴的尺寸一般在l舯至lOam左右。藏滴在被镀工件上沉积形成Ti或外包TiN的Tj的大颗粒，使镀覆表面粗糙，孔隙率增加。据报导，在llOA放电电流下，在N：气氛中，距钛靶面85ra m处获得的结果是可观察到的最小液滴直径为01urn。在高真空下，最大液滴尺寸约为40urn，在1Pa条件下，则为3(urn。液滴的数量n与直径D k的关系为n=C D k。C、r为常数，与压强和角度有关。等离子体中液滴的浓度与阴极材料、几何形状、工艺参数和镀膜室结掏有关，对于指定阴撅材料而言，消除或降低液滴的方法有以下几种：1改变阴极形状和工件镀覆位置。2提高反应气体的压强。3提高弧斑运动速度。4降低弧斑放电电流。5优化离子光学系统。6降低阴极温度。7改善膜层生长条件。有文献报导，若将阴极温度提高到低于熔点100度左右时，如果再通以辅助气体维持放电，此时弧斑消失，形成无弧斑放电。巴捷尼恩等人从理论分析了这一现象，并用实验证明，对某些金属材料是可行的。针对实际使用情况，我们作过如下实验；在距阴极表面110、200和300ra m处放置三根光亮不锈钢靶条，按实际镀覆工艺进行镀覆。发现三根靶条正对着阴极靶面处光亮度明显下降，其下降程度随距离增加而减小。还发现三根靶条表面粗糙度随靶条表面距阴极表面距离减少变坏。这一结论与文献上报导的结果不太一致，说明液滴的角分布情况与源结构有直接关系。根据这个试验结果，对源结构做了改动，结果镀件光亮度大大提高了。7.离子镀工艺的进展TiN硬质装饰膜是一种通用型膜层。附着力强，硬度高，磨擦系数小，抗氧化，装饰性能好。在第四族元素中，zr和H f与T i一样，它们的氧化物、碳化物、碳氮化物和氮化物也可同时用于装饰镀和工具镀。液滴颗粒较T iN细小。在六族元素中c r金属的氮化物获得了广泛的应用。CrN的硬度略低于TiN，但韧性好，膜层内应力低，成膜速度快，可以镀厚膜。引人注意的是这种膜层的孔隙率低，厚度超过2 m即可获得几乎无针孔的膜层，因而有可能用它代替电镀c r保护膜。CrN的高温抗氧性能优于N。一般来说，碳化物镀层硬度比较高，但由于膜层的脆性和低的抗氧化性，限制了这种膜层的应用，目前主要用于多层复合镀层。四价或六价金属的三元化合物也得到了应用。如T i(CN)，其硬度略高于N。依其含碳量的不同，颜色可由金黄色调一直到黑田2 TiN和CrN膜层针孔密度试验紫红色。碳的加入可以消除T iN的青色，但明度较金要差一些。四价或六价金属的碳氮化物工艺容易实现，且可随着膜层厚度改变碳与氮的含量。T i中加入Zr或H f形成的氮或碳氮化物，如(TiZr)N的色调更接近K金色，可用于仿金镀，缺点是明度不足。(TiAI)N镀层，因能生成A 1z0耐热抗氧化层，也得到应用，这种镀层的韧性较TiN高，允许镀覆较厚的膜层。7.装饰镀工艺用离子镀方法已可以镀覆出除大红色之外的其它各种颜色。从仿金镀看，T iN的反射光谱与24K和18K金有一些差别(图2)。装饰镀制品存在的问题是耐蚀和耐磨问题。由于装饰镀膜层比较薄，一般都在1 m以下，消除孔隙是很困难的。装饰膜，如T iN，镀在铁上属于阴极保护性膜层，在存在人工汗或其它电介质的条件下，极易发生透锈现象，故此必须注意装饰膜下底材的耐蚀问题。选用耐蚀材料(如不锈钢)、电镀层都是解决办法。在潮湿环境的应用场合，1C r13一类的低牌号不锈钢离子镀T iN一类的膜层效果不佳，而在室内则无问题，制作镀膜餐具只能甩1CrlSNi9Ti高牌号耐蚀不锈铜。装饰镀件存在的另一个问题是耐磨问题。底材硬度不高，使得离子镀膜之后的表面复台硬度提高不大(。不耐刻划，用在室外易受风沙划伤。用于室内，则无问题。在刻蚀的画面上离子镀装饰膜会得到更好的装饰效果，也可用遮掩膜办法在制品表面制作装饰I：1 3。离子镀装饰膜镀层污染后不易撩净，其主要原因在于离子镀工艺选择不好。高质量膜层上的污渍是很容易擦去的这也是鉴定镀膜工艺好坏的一种方法。在TiN或其它仿金膜层表面上再薄薄地镀上一层金会获得极佳的效果。这种膜层，耗金量少，色调近似金当镀金层局部磨掉后，显露出来的仿金T iN硬质膜层，不会被人注意。镀膜时温度可以在6080下进行，附着强度首先取决于被镀制品表面的清洁程度和镀膜时的离子能量。在不耐蚀材料上涂底漆不仅可以提高制品的耐蚀性，还可提高其光亮程度。铝及黄铜材料表面要采用特殊的去除疏松氧化物的抛光方法进行预清洗。膜层的耐磨性与基材有关。在不锈钢和o8号钢上镀01Lm厚的TiN经10000次擦试，外观未见变化，而镀膜锯合金经10000次擦拭颜色略有变化，其原因是透过膜层孔隙发生了氧化作用在底漆上镀膜耐擦拭能力仅为1000-5000次，在注重防腐蚀的场合，采用油漆涂覆也是可行的，其强度主要由漆层的性质决定。镀膜时的残余气体，主要是氧气、水蒸汽，对镀膜质量影响很大，使膜层色调发暗。因此合成塑料、尼龙等镀前必须预先经过烘干处理。在掺有云母鳞片的透明塑料上镀膜可以获得美丽闪光的装饰效果。表面粗糙度决定了制品的光亮程度。在抛光的金属和陶瓷表面，可以获得镜面效果的膜层。应该指出，离子镀膜能准确地反映出制品表面的缺陷。因此对抛光工艺过程应多加注意。为掩盖压铸制品的表面缺陷，应在镀膜前先进行涂覆底漆处理。一般说来，大面积光亮表面的塑料制品根难获得无缺陷的离子镀膜层。为了在非导体材料表面上获得高质量膜层，可以将其置于离子流轰击之下或罩在不锈钢网中镀覆。此时钢网上要施加相应的电压。工具镀工艺（1）膜层的种类早期使用的工具膜层大多为T iN，T iN硬度高，对油的磨擦系数低，抗氧化性好，受到了人们特别的重视。直至目前为止T iN仍是工具用的主要通用型膜层。特别适用于加工碳钢、不锈钢等常用结构建筑材料。如天津工具厂镀制的高速钢钻头按加速切削制度进行试验，较未镀刀具寿命提高最高可达39倍。随着时间的推移，越来越多的新膜层出现。用T iN膜层刀具切削T i及T i合金、镍基合金和铸铁，效果就差一些，ZrN膜层刀具用在切削A I、C u和黄铜以及钛合金方面较TiN膜层刀具要好的多。新近推出的多成分膜层，如T i(c N)硬度高，但抗氧化性能及韧性较TiN要差些，这种膜层特别适用于合金钢、铸铁材料和有色金属。(TIAI)N膜层硬度较TiN低，由于含有铝的成分，抗氧化性能有较大提高，起始氧化温度700左右。因而在切削发热量较大的情况下使用较好。除可用于切削钢材之外，适用于T i及T i合金、铸造材料，但对含铝和铜材料性能不及T iN的膜层刀具。CrN膜层也越来越受人们重视。C rN致密度高，可以作厚膜，抗蚀性好，有一定的硬度，摩擦系数较低，抗氧化性优于T iN，应用在模具上可以发挥其优异性能。应用在刀具上切削有色金属可能会有前途T iN及金属碳化物硬度高，但固其脆性较大，因而多作为复合膜层使用。（2）镀膜工艺问题决定镀层工具使用的膜层性能，除硬度之外，还有附着强度、摩擦系数、抗氧化性能等。这些性能与镀覆工具材料及膜层的镀覆参数有关。根据我们的经验，对同一工具材料与同一膜层来说，附着强度是最主要的问题。影响附着强度的因素很多，镀覆的工件的温度是一个重要的因素。在镀覆大型工件时，仅靠主弧轰击是不够的，预热是不可缺少的，否则在镀覆过程中由于均温散热，镀膜时的加热强度又不足以补偿，会造成黑边现象，使膜层附着强度下降，使用性能变差。对于细小刀具，主要问题在于易过热，主弧轰击时尖端易发生打火现象，使刀具质量下降。提高附着强度的另一个有效措施是制作过渡层。铁一钛及钛一氮化钛过渡层可以减少膜的应力，减少工件自身应力不均的影响。影响过渡层制作的主要关键在于离化源技术。蒸发离化源应能保证在高真空条件下较长时问稳弧。另外，轰偏电源的性能至关重要，以保证在轰击时给出足够的功率，而且有好的灭弧性能。当然，应该提及的影响参数还有清洁度等。对膜层的硬度，许多研究者认为，膜层硬度随厚度增加而增大，实际上，这是基材硬度影响造成的。显微硬度计测得的硬度虽不能代表膜层自身的硬度，但却直接影响到使用性能。鉴于上述情况，用于工具的基体材料的硬度必须保持在一定水平上。一般来说，高速钢工具的硬度应保持在H R c6365之间，H R c低于60的刀具耐用度会受显著的影响。园摩擦局部退火的刀具镀后效果不好，寿命缩短。提及TiN或其它膜层具有低摩擦系数，这一点既是事实也要作分析。谈及摩擦系数都是对一定的摩擦而言的，而一般的文献给出的数值是对钢而言的。在实际工作中，切削的对象常常不是钢材，对含钛膜层来讲，对钛料工件的粘台力高，因而可以想象，用这种刀具切削钛材不理想。同样，用含A l膜层刀具切削A 1材效果不会太好。谈及摩擦，特别还要提及刀具的粗糙度问题。镀前刀具的表面应保持光滑，粗糙度Ra应在08以下，最好经过适当的抛光，膜层的附着强度会加大，切削时的摩擦力减少，效果较好。特别要注意去掉毛边飞刺，刀口应有oO2左右的小圆弧为了减少后隙面的磨损，可适当减小刀具的后角至于抗氧化性能，这是膜层自身的性能具有热硬性的刀具具有最好的切削效果，而涂层刀具大多具有这种性能。不加冷却液切恻时，涂层刀具的耐用度较未涂刀具具有更高的耐用度就是证明。然而，各种涂层刀具的温度耐受程度是有限的，因而选择合适的切削量和切削液将能显著提高刀具的寿命。为了保证生产率，通常采用的是大走刀，低切削速度较为理想。综上可以看出，刀具的耐用度和寿命不仅与镀覆工艺有关，也与使用制度有关。确定膜层刀具优劣的最佳方法是在分析的基础上进行实际使用试削这里还要说明的是，前苏联的标准认为，离刀刃边缘2ra m以外的地方有局部露白不影响使用，因而可作为合格品处理。当然，作为商品这种退步会影响商品价值。还要强调的是35 m韵离子镀层通常不能消除孔隙。因而工具镀覆之后应采取保护性措施，以免生锈。美国常采用浸渍办法在工具表面加覆一层塑料保护膜。4离子镀膜技术在车辆零部件上的应用特种车辆零部件应有良好的表面质量，尤其是耐蚀性要好，能在气温高、湿度大、盐雾重、腐蚀严重的恶