关于用离子镀取代部分电镀及化学镀的技术论证

1、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：ZL.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

2、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.电镀及化学镀的原理及应用2.1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

3、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。2.2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。

4、存在的缺点是仍有严重的环境污染，沉积速率慢（约10m/h），槽液温度高（如镀镍时为85100），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500600Hv，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. 离子镀技术及应用3.1离子镀原理 离子镀是在真空条件下，利用气体

5、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。3.2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300500C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、

6、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 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：ZL.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100010001000，

7、极限真空度为6.6510-4Pa，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3.4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 3.5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）。

8、1. 防护涂层试验表明1030m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. 减磨镀层用离子镀

9、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. 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10m-12m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、10-30m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0.15m铝膜，可相当于涂40m厚的加镍导电涂料的电磁屏蔽效果。4. 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

11、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

12、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

13、310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35倍。7. 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）

14、 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、离子镀与电镀的比较（镀Al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1500Al-白 TiN-金黄色 光洁312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（做好夹具设计）5、结