关于用离子镀取代部分电镀及化学镀的技术论证

脉冲多弧等离子体镀膜技术及设备脉冲多弧等离子体镀膜技术及设备 关于用离子镀取代部分电镀及化学镀的技术论证 1 前言前言 离子镀技术是目前国内外制备高质量涂层的最主要方法之一 其基本原理就是在镀膜的 同时 采用高能粒子轰击基片表面和膜层 因此 镀层的质量及膜层与基体的结合力得到大 幅度的提高 武汉科技大学从 20 世纪 80 年代中期开始该项目的研究工作 通过近二十年的 探索与实践 成功开发出了 脉冲多弧等离子体镀膜技术及设备 并申请了 一种多功能多 弧等离子沉积装置 国家专利 专利号 ZL4 9 该设备主要由真空系统 脉冲蒸发源系统 高压电源及控制系统 离化系统及阴极系统等组成 不仅可以代替电镀及化学镀制备各种纯 金属镀层 而且还可以制备化合物及陶瓷涂层 此外 通过特殊配备的纳米粉收集装置 该 设备还可以制备多种纯金属及陶瓷纳米材料 该技术及设备制备的各种耐蚀 耐磨 耐热 润滑 装饰镀层及纳米材料在机械 微电子 冶金 纺织 化工等行业具有广阔的应用前景 2 2 电镀及化学镀的原理及应用电镀及化学镀的原理及应用 2 12 1 电镀原理及其应用电镀原理及其应用 电镀是用电化学方法在固体表面上沉积一薄层金属或合金的过程 工艺较成熟 应用极 广泛 能在表面镀覆的单金属有 20 多种 合金镀层也有 20 种左右 常用的电镀材料有铬 镉 锌 金 银 铜等金属以及黄铜等合金 电镀层广泛用作抗蚀 耐磨 装饰 润滑镀层和其它功能性镀层 如磁性 导电 光学 膜等 对镀层基本要求是致密的表面结构 均匀的厚度以及镀层与基体结合牢固 一般为机 械结合 电镀的优点是设备 工艺简单 便于批量生产 存在的问题是 电镀的废液废气会 造成环境污染 形状复杂的零件不易得到均匀的镀层 与基体不是冶金结合 而是机械结合 很不牢固 氢的析出会引起钢的氢脆和疲劳强度的下降 2 22 2 化学镀原理及其应用化学镀原理及其应用 含有欲镀金属离子的溶液在还原剂的作用下金属离子还原成金属而沉积在 制品表面的过程称为化学镀或自催化化学还原镀 无电镀 由于化学镀优于电镀的特点 近几十年来获得很广泛的应用 主要特点有 1 化学镀可用于更广泛的基体 适用于金属 半导体及非金属 2 不管制品的几何形状如何复杂 都能获得厚度均匀的镀层 3 镀层致密 孔隙少 硬度高 存在的缺点是仍有严重的环境污染 沉积速率慢 约 10 m h 槽液温度高 如镀 镍时为 85 100 易老化 寿命短 价格高 成本高于电镀 使用于电镀不适合的场 合 用化学镀能获得金 银 铜 镍 钴 铂 钯等金属镀层 耐磨耐蚀方面用的最多 是化学镀镍 如 Ni P 和 Ni B 合金镀层 且为非晶态 硬度达 500 600Hv 经 400 处理 后 硬度可达 1000Hv 化学镀铜主要用于非金属电镀的底层 印刷板孔的金属化 电子 仪器的电磁屏蔽等 由于电镀和化学镀均存在严重的缺点 近年来国内外研究出许多用离子镀来取代电 镀及化学镀 解决了以上存在的问题 3 3 离子镀技术及应用离子镀技术及应用 3 13 1 离子镀原理离子镀原理 离子镀是在真空条件下 利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离 在离子轰击作 用下 把蒸发物或反应物沉积在基体上 形成沉积薄膜 3 23 2 离子镀的主要优点和特点离子镀的主要优点和特点 1 镀层材料广泛 容易获得各种金属 合金 化合物和陶瓷镀层 2 镀料汽化方式 可用高温蒸发 也可以用低温溅射 3 沉积粒子能量可调节 反应活性高 通过等离子体或离子束介入 可以获得所需 的沉积粒子能量进行镀膜 提高膜层质量 通过等离子体的非平衡过程提高反应 活性 4 低温型沉积 沉积粒子的高能量高活性不需遵循传统的热力学规律的高温过程 就可以实现低温反应合成和在低温基体上沉积 一般 300 500 C 就可以成膜 扩 大沉积基体适用范围 5 可沉积各类型薄膜 如金属膜 合金膜 化合物膜等 6 无污染 利于环境保护 离子镀技术已广泛运用于各行各业 许多技术已经实现工业化生产 如防护镀层 减 磨镀层 耐蚀性镀层 装饰性镀层 润滑镀层 超硬镀层 多元复合镀层及其他功能镀层 等 3 3 3 3 离子镀设备离子镀设备 离子镀的设备主要由真空室 排气系统 蒸发系统 离子化系统及电控系统所组成 原理图见图 1 图 1 真空电弧离子沉积示意图 图 2 为武汉科技大学研制成功的 DHP 8 C 型带脉冲电源的 30KW 多弧多功能等离子 体设备 国家专利号 ZL4 9 既可制备各种单层和多层纳米涂层 又可以制备纯金属和 无机非金属纳米粉末 图 2 多弧离子镀设备外观图 该设备的技术参数为 工作室尺寸 1000 1000 1000 极限真空度为 6 65 10 4Pa 抽真空时间少于 30 分钟 电弧蒸发源 8 个 脉冲偏压电源 30A 最大装炉量 6 钻 头 1000 支 测温方式 热电偶和红外测温仪 图 3 为用该设备涂覆的各种产品 a 表带 b 马具 c 搓丝模具 图 3 脉冲多弧离子镀的样品 3 43 4 离子镀膜工艺离子镀膜工艺 离子镀膜工艺流程 前处理 抽真空 离子轰击清洗和刻蚀 离子沉积 取件 后处理 如图 4 所示 图 4 TiN 镀膜工艺流程示意图 3 53 5 离子镀膜的应用离子镀膜的应用 离子镀作为一种新的表面涂层技术受到了各国的重视 它的材料组合范围广 不受基体材 料的限制 金属 非金属均可 近年来在生产中获得广泛应用 用的最多的为多弧离子镀和等 离子体化学气相沉积 PCVD 1 1 防护涂层防护涂层 试验表明 10 30 m 的离子镀铝膜 经 2100 小时的 5 盐水喷雾后还不破坏 比电镀 铬 铜的性能更好 美国在飞机螺钉 衬套等零件上已广泛采用离子镀铝代替镀镉 在日 本已用离子镀铝的碳钢代替不锈钢 用离子镀 AlN TiN Al CN Ti CN 来代替电镀 化学镀 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 避免了严重的环境污染 燃气轮机的叶片 早先是用扩散渗铝层进行腐蚀防护 但存在硫化物的腐蚀问题 用 离子镀沉积 Co Cr Al V 镀层之后 其腐蚀性能大大改善 在 870 下进行试验可达 900 小 时而不发生损坏 2 2 减磨镀层减磨镀层 用离子镀法获得的固体润滑膜已在航天工业中的各种仪器 齿轮 螺丝 轴承以及 润滑部件中得到广泛应用 采用的润滑材料有 MoS2 WS2 石墨 CaF2 金 银 铅 锡 铟 聚四氟乙烯等 国外一些喷气发动机的轮毂 涡轮轴支承面和直升飞机旋转轴 的转动部分 已采用银润滑膜 离子镀镉等工艺 3 3 纯金属涂层纯金属涂层 离子沉积是提高涂层附着力的有效工艺方法 纯铝层具有很好的耐蚀性 如在普通 的钢材上沉积 10 m 12 m 的铝层 用 5 的盐雾试验 耐蚀时间达 170 280 h 离子 沉积铝被美国海军列入正式生产工艺 过去很多高强度钢采用镀镉工艺 常出现氢脆 影响零件的强度而且有毒 离子沉积铝消除了上述缺点 并保证了耐蚀性能 试验表明 10 30 m 的离子镀铝膜 经 2100 小时的 5 盐水喷雾后还不破坏 比电镀铬 铜的性能 更好 美国在飞机的螺钉 衬套等零件上已广泛采用离子镀铝代替电镀镉 在日本已用 离子镀铝的碳钢部分代替不锈钢 航空工业中过去对高强度铝合金采用阳极氧化 使基体的疲劳强度下降 离子沉 积铝层克服了此缺点 铝层还是电磁波屏蔽的优良涂层 如涂 0 15 m 铝膜 可相当于涂 40 m 厚的加 镍导电涂料的电磁屏蔽效果 4 4 装饰性涂层装饰性涂层 装饰性涂层在轻工业 工艺美术品方面应用较广 目前研究和应用仿金涂层最为 广泛 其中 TiN 仿金已用于工业化生产 如表壳 表带 首饰 餐具 眼镜架等 不 仅节约了黄金的消耗量 而且耐磨性 抗蚀性等均优于黄金 可用于装饰性涂层化合 物见表 1 表 1 部分金属化合物的颜色 名称颜色名称颜色名称颜色 Be2C 赤色 NbC 亮褐色 TiN 金黄色 YC2 黄色 TaC 金褐色 ZrN 黄铜色 LaC2 黄色 Cr2C 灰色 HfN 黄褐色 CeC2 赤黄色 WC 灰色 TaN 灰色 UC 灰色 Be2N2 灰色 Cr2N 亮灰色 TiC 亮黑色 Mg2N2 黄绿色 MnN 黑色 ZrC 灰色 LaN 黄色 VN 金色 5 润滑膜层润滑膜层 离子沉积膜的摩擦系数比原来金属材料基层要低 涂覆 Au Ag Pb Pb Sn MoS2 Ca2F CF 等润滑材料 其中 Ca2F 是良好的高温润滑剂 在 800 900 下工作 摩擦系数为 0 05 以下 喷气发动机的轮壳 涡轮轴承表面和直升飞机旋翼转子轴等部位 用 上述的润滑材料 可以防止麻点 裂纹 应力腐蚀等 提高了力学性能 也延长了使用寿命 6 超硬复层超硬复层 超硬复层是物理气相沉积研究应用和开拓的主要方面 正因为超硬复层应用于生产取得 了令人满意的效果 各国很重视对该技术的开发和研究 特别是用于工具表面的强化 使切 削寿命提高 3 10 倍 具有高的表面耐磨性能和黄色的外观色泽 国外称 TiN 涂层刀具是工具 的外观和性能上的一次革命 发达的工业国家 TiN 涂层刀具覆盖率约占 80 而我国在这方 面还有很大的差距 发展空间极大 如 在模具行业 十字槽头螺钉用高速钢冲头模具 采用离子镀镀覆 TiN 涂层后 使用 寿命提高了 3 倍多 在纤维行业 在不锈钢纤维切割刀后隙面镀 TiC 涂层后 其使用寿命可 延长 3 10 倍 铝或钢制的纺锤采用离子镀镀覆 TiN 涂层后 使用寿命提高了 3 5 倍 7 多元复合镀层多元复合镀层 1 Ti C N 镀层 在相同切削条件下 采用 Ti C N 加工低合金钢 其性能与 TiN 相近 但在高速和 大进给的条件下 Ti C N 优于 TiN 由于 Ti C N 的摩擦系数低 因此特别适合于制 作精加工刀具 而 TiN 用于粗加工较好 被加工材料对于镀层刀具的使用性能有很大影响 例如加工软的材料 锻铝 黄铜和紫铜 Ti C N 镀层是最好的 同样 Ti C N 镀 层在铝的热压或成型加工中 也显示出优于 TiN 的性能 这是因为 Ti C N 镀层具有较低 的摩擦系数 降低了镀层和被加工材料表面的化学磨耗 2 TiAlN 镀层 TiAlN 是亚稳态的 TiAlN 镀层刀具可以承受在难加工材料切削时所产生的高温 由于 TiAlN 的抗氧化性优于 Ti C N 和 TiN 因此特别适合于加工低导热金属 如钛合金 不 锈钢和镍基合金等 TiAlN 有较好的韧性 在加工铸铁时也有良好的性能 化学气相沉积 CVD 法制备化合物 碳化物 氮化物 氧化物 硬质涂层 工艺温度 均为 1000 而物理气相沉积则把成膜温度降至 500 以下 为高速钢 模具钢表面硬化提 供了有效的手段 涂层刀具的研究起始于 1972 年 1980 年推广应用于生产 1981 年美国 Gubring 公司生 产出 TiN 涂层刀具销售 有 20 余家厂商在国际机床展览会上展出了高速钢 TiN 涂层刀具 目前日本汽车工业已全部采用 TiN 涂层滚刀 4 4 离子镀与电镀的比较 镀 离子镀与电镀的比较 镀 AlAl 为例 为例 类型 特征 电镀离子镀 硬度 HV 外观 厚度 m 速度 污染 基体温度 可镀层范围 特征用途 与基体结合强度 成本 设备投资 批量性生产 镀 Cr 小于 800 白 光洁 6 10 慢 有污染 几十度 纯金属及合金各 20 种左右 抗蚀 耐磨 装饰 润滑镀层 机械结合 不牢固 低 低 几万元 适合 镀 AlN TiN 大于 1500 Al 白 TiN 金黄色 光洁 3 12 快 无污染 300 500 纯金属 合金 非金属 各种复合涂 层等 可做无限多种镀层 除能做电镀的各种镀层外 尚能做金 属及各种复合镀层 价键结合 牢固 低 高 几十万元 适合