离子镀技术薄膜技术的现状与未来展望

薄膜技术之离子镀技术的现实状况及前景

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日勺特点引起了人们的注意。

目前，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

泛日勺应用。

钛金这个技术性日勺商业名词逐渐为人们接受今天，离子镀膜己超过了氮化钛

范围,成了包括钛金属在内IV价和VI价及其他金属的氯化物、碳化物和氧化物

时代名词。离子镀齿轮刀具、拉刀、铳刀及多种工、模具的寿命提高了几倍至儿

十倍，用它们生产加工日勺工件的I精度和粗糙度等级均有所提高。

钛金镀层的色彩也由单一日勺金黄色转向了多色彩，可以获得从浅蓝到紫红多

种颜色日勺效果。离子镀制品已随地可见。天安门广场上日勺天下第一旗的旗杆钛金

宝顶，城楼内H勺钛金栏杆，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，充足证明了我国在建材方面应用钛金技术领先于世界。目前.,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实状况作一简介。

1.离子镀及其特点

离子镀工艺时出现，使材料表面改性技术向前推进了一大步。离子镀措施有

许多种，如二极型、直流三极型、热阴极型、射频型、空心阴极(HCD)型，冷

电弧阴极(CACD)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，离子镀时发展过程就是其离化率的提高过程。

在既有日勺离子镀膜措施中，多弧型和磁控溅射型离子镀具有广泛日勺应汨潜

力。其长处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用锅，易于获得台金膜层等。应用这种工艺

的设备可以做得很大，构造简朴，镀覆反复性好，易于操作和实现自动化。

离子镀膜之因此质量好，重要是在镀膜空间存在着离子。这些离子在偏压时

作用下，轰击工件并沉膜。荷能粒子的存在增长了元素间反应的也许性，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J重要长处有：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。这些长处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状况

前苏联

在离子镀技术领域中，前苏联一直居于领先地位，重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，重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同意在医院里使用。近年来，还

在铝膜上镀金黄色膜，这种铝膜可用粘贴的措施贴在工件上。在消除液滴的研究

分析方面，前苏联的有关文献数量处在领先地位，在用磁场筛分方式方面，获得

了诸多口勺成果。供气检测措施初期采用真空计，目前已转向光谱法。如白俄罗斯

采用泸光片措施检测镀膜时真空室放电气体发射口勺特性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。我国引进的设备重要是美国E向MU

LTIARC和VACTEC两家企业生产的。据传VACTEC企业原定以中国为重要市场，

目前业已被其他企业吞并。该企业生产的多弧型机采用大靶，易烧蚀出沟槽，靶

材运用率较低。冷凝泵为主排气机，故障率较高。多弧企业是世界著名企业之一,

始建于1980年，拥有现代化日勺试验室，20多种镀膜分支机掏遍及在世界各地，

是最早购置前苏联专利的企业。生产能镀20〃，30~,40〃，48〃及两米长的刀具

用的镀覆设备。该企业人员不多，但十分重视科研开发，这是该企业获得成绩的

重要原因之一。多弧企业设备H勺重要工作系统采用嗽机程序控制，蒸发离化源装

置位置可调，可以满足多种镀覆工件的需要，空间运用率大，可镀覆大型工件。

企业还随机配置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企业应注意学习的。

在美国，镀膜设备重要用于刀具镀覆，涂层刀具已占刀具市场主导地位，某

些工具厂也设置了自己的镀膜工段。美国刀具涂层种类较多，主流还是TiN,另

一方面是ZrN和复合膜层刀具。上次学术年会上多弧企业曾就所开发的TiALN

膜层作过宣讲，引起爱好。美国的装饰离子镀工艺才刚刚起步。

瑞士

瑞士的巴尔蔡司企业生产的BAI.830设备问为800mmX800mm,运用电子束蒸发

镀膜。

日本

镀膜室尺寸为9201nm义1000mm,镀膜空该设备在上海工具厂使用，镀覆质量

很好。日本是离子镀技术开发较早的国家，沈阳腐蚀所引进淤JHCD型TPB3030

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日勺愿望。截至1995

年上六个月，仅长城钛金企业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6000mni有余一次镀制10张1.22rex3.048nl不锈钢板的大

型设备已在唐山新区投入运行。

在设备的控制措施，我国已和世界水平靠近。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

示和打印及故隙自动检测、报警功能。经一年多的试用证明，可靠性高，反复性

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.离子镀设备口勺现实状况分析和发展趋势

镀膜室

既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异。其构造形式与尺寸大小都根据其用途而定。

真空排气系统

离子镀时残存气体口勺压强和种类对镀膜质量有重要影响。因此，预抽真空一

般要到达10Pa数量级。镀膜时送人辅助和反应气体。压强维持在1.3X10—t〜

1.3PaFl勺范围，这规定排气系统能在宽压强范围内保持高的稳定抽速。油蒸汽

时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，目前某些国外厂家也同国内厂家同样，转向

了扩散泵，增长了冷阱以提高对水汽的抽速，减少返油率。

为适应镀膜设备的宽压强大抽速的需要，根据我们的规定，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

9X10Pa以上。

加热系统

工件的温度对镀膜质量有重要影响。采用的加热措施有主弧轰击法、电殂加

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白效装

饰镀工艺很少使用这种措施，以免影响表面质量。加热灯法在半导体工艺中常常

使用。离子镀工艺最常用口勺措施是电阻加热法，管状加热器用得最为广泛。这种

加热器使用以便，易于清洁，但表面容许负荷不高，大气使用不超过2W/cm,

在真空中需降负荷使用，大功率时需要的根数诸多。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。裸露的加热器应采用低电压供电，以免导致

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常常使用。在这种状况下，反应气体送往工件镀膜区，而

惰性气体送主靶区。

初期供气采用针阀控制，针阀受温度和污染等原因影响很大，使用不够稳定。

也曾用过压电阀门，其流量都比较小。目前重要使用电磁阀供气。这种阀的启动

度随压强或流量或其他检测信号的变化而变化，因而可实现自动控制。

离子镀膜机检取日勺供气信号有压强信号，流量信号、光谱（镀膜室气体放电

所发射的特性光谱强度）信号，质谱（分析镀膜室中气体成分及数量）信号。我国

多采用前两种，自俄罗斯斯摩尔干厂采用光谱法，德国莱宝企业采用质谱法。

离化潦电源

初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0.9以上。伴随逆变式弧焊

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，受顾客欢迎。

轰偏电源

轰偏电源是离子镀设备重要的和技术难度较高的电源镀膜规模小时，轰偏电

源可采用限流电阻措施实现火弧功能。镀覆工件面积增大时.，限流电阻上会消耗

很大的功率，这种措施不可取。随即研制了带可控硅灭弧装置、震荡式灭弧装置

等类型口勺轰偏电源，效果都不太理想。国外使用的是逆变式电源。美国先能企业

生产的10kW和倍功率逆变电源，逆变频率是50kHz,而德国马克尼特隆企业生

产口勺逆变电源频率为33kHzo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。如钛金企业

的逆变电源，功率系列为12kW的倍数，频率为50kHz,灭弧时间不大于5,us。

镀覆大面积工件（如3张光亮板）效果很好。

控制系统

日本神户制钢企业生产的小型设备AIP—050,ATP—200口勺真空系统是

自动操作的I，而工艺操作则靠人工去完毕，中型设备AIP—1000已经实现镀膜

所有过程自动化。美国和德国设备都带有微机，可以评估工艺优劣，镀覆反兔性

好。镀膜线亳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前进。真空操作自〜4T：采用可编程序

控制器实现如钛金企业生产日勺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。这种机型样机通过350多炉的使用证

明，性能优良，可靠性高，反复性好；工艺固化在软件程序中，使用以便，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）多弧离子镀内原理：多弧离子镀的蒸发源构造如图，它由水冷阴极、

磁场线圈、引弧电极等构成.阴极材料即是镀膜材料.在10—10—Pa真空条件

下，接通电源并使引弧申极与阴极瞬间接触，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.阴极弧斑口勺尺寸极小，有关资料测定为1〜100斗

m；电流密度很高，可达105—107A/cm2.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i种弧斑60%〜90%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，合适的磁场强

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)试验措施

多弧离子镀工艺

镀膜基材采用w6M05cr4V2高速钢，尺寸为lOmmXlonlnlX12mnlo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

(重要是磨削)。最终热处理工艺为:850℃预热—1230℃加热保温一油冷一560℃

Xlh回火三次，63〜65HRC。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%)、两个纯辂靶

(99.9%),靶位呈上下交错布置。镀膜工艺参数：申弧电流70A,起弧电压18V,

基板温度300℃,轰偏电压在100〜300v范围内优化，氮分压在o.2-1.OPa

之间优化。

膜层性能测试措施及设备

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估;

膜层物相构造用D/万方数据多弧离子镀(Ti,Cr)N膜层工艺及性能max—RB型

x射线衍射仪分析.

(3)试验成果及分析

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o.8Pa,基板温度300℃。在试验参数不变的状况下，

分别将偏压值定为100V、200V和300V,以研究偏压对(Ti,Cr)N膜层硬度日勺影

响规律。并同步对比偏压对'I、IN、crN膜层硬度及膜/基结合力的影响。表1

成果可见，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

/基结合力随偏压日勺增大而增大。在相似日勺偏压下，(Ti,Cr)N膜层日勺硬度最高、，

1、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的含量随偏压的增长而减少，而Cr在镀制膜层中的含量多少决定了

膜层的硬度高下。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，导致表面择优吸附位置，增长表面原子活性，进

而改善膜/基结合性能。

氮分压对膜层硬度口勺影响

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o.2Pa、o.4Pa、0.6Pa和0.<8Pa,

以研究氮分压对(Ti,cr)N膜层硬度口勺影响。作为对比，同步考察氮分压对TIN、

crN膜层硬度及孔隙率口勺影响。伴随氮分压口勺提高，(Ti,cr)N膜层硬度对应增

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膜层口勺硬度。在相似的氮分压下，N膜层孔隙

率低于TiN、crN膜层孔隙率。氮分压对膜层硬度口勺影响，重要是提高氮分压使

膜层生长速.氮分压对膜层硬度及孔隙率的影响.

性能强化的重要原因是:

(1)晶粒细化薄膜微构宣中最普遍也是最明显的I特性是晶粒尺寸小，一般不大于

lOOnmo假如在合适日勺条件下沉积薄膜，晶粒尺寸还能不大于5〜10nm,即所谓

的纳米晶薄膜口]。薄膜沉积过程中，偏压时存在，使荷能粒子的能量增长，高

能粒子H勺轰击作用，会引起表面吸附杂质的溅射脱附，导致表面择优吸附位置，

增长表面原子活性和迁移率，从而增进晶粒细化。

⑵固溶强化

TiN和Crlq是构成(Ti,cr)N的基础，TiN与crN具有相似的晶体构造，它们均

具有面心立方点阵的NaCl型构造。按照Hume_Ro:hcry法则，半径较小日勺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『、J晶格参数十分靠近，因此轻易形成持续的过饱和固溶体。已发现，在三元

系中，由于薄膜沉积时迅速凝固，固溶度明显增大H]o固溶强化的作用，加之

晶粒细化和择优取向等，使(Ti,Cr)N/、J性能(尤其硬度)较TiN和IcrN有大幅度

的提高。

⑶沉积理论认为，在钢基体上沉积氮化薄膜时，摸层以Volmer—werber生长模

式生长，在生长初期形成三维晶核(小岛)，伴随蒸发过程的进行，这些三维小岛

不停生长，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

分相称快地生长，进而合并成一种大岛，如此继续，直至形成持续的薄膜。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I付接触融合过程类似

于金属粉末颗粒的烧结过程，可用烧结理论来阐明。根据烧结理论，颗粒间的融

合与否完全，与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

大口勺蒸气压，可增进颗粒间融合过程的进行。当采用Ti—Cr组合靶时，多种元

素问的互相作用，使元素沉积过程日勺蒸气压增大，借助这一类似于活化烧结过程

的进行，大大改善融合效果，使薄膜孔隙率大大减少。

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

结合力随偏压向增大而增大。

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膜层择优取向重要为(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o.6Pa,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。

在相似的工艺条件下，三种膜层表面硬度从高到低的次序依次是：N、TIN、

crNo膜/基结合力自大至小的次序依次是：(Ti,Cr)N、TIN、

CrNo膜层孔隙率由大到小的次序依次是：crN、TiN、(Ti,Cr)No

多元膜层性能强化口勺机制重要是：晶粒细化、固溶强化、多元素优化。

2.多弧离子镀口勺特点

多弧离子镀是20世纪70年代开始研究口勺一种新的物理气相沉积工艺，这种

工艺的特点如下：

D阴极电弧蒸发源不产生溶池，可以任意设置于镀膜室合适口勺位置，也可以采用

多种电弧蒸发源.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，有助于提高膜基附着性和

膜层的I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H勺附着力高.3多弧离子镀工艺的发展30数年以来，中国已经用多种PVD

措施成功制备了多弧离子镀涂层.由于影响膜层质量的原因多而复杂，针对不一

样的顾客，需要设置不一样的优化设计措施，以开发质量稳定的、可满足不一样

顾客膜厚规定的工艺条件.因此，不停研究镀膜工艺（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，一直是研究人员致力的口的

拉山J.

重要影响原因分析：

1）氮分压的影响：研究表明，假如提高氮分压则会变化TiN涂层内相构造，明显

增强显微硬度.磁场强度氮分压的提高有助于增强TiN涂层的耐磨性.

2）择优取向口勺影响原因：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，有助于提高TiN涂层的

性能.

4）基体硬度影响：基体材料的硬度越高，TiN涂层口勺结合力越好，选择含V量高

的材料沉积TiN涂层，有助于提高涂层结合力.

5）膜层口勺抗高温氧化性的影响原因：由于TiN存在高温下抗氧化性较差，薄摸韧

性较低，内应力较大等局限性，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日勺含量与薄膜硬度并不是完全日勺线形关系，试验表

明：薄膜硬度随薄膜中AL时含量的增长呈先升后降的趋势.因此AL含量确实定

是关

键.此外，工艺原因对TiAlN涂层也有较大的影响.TiAlN涂层时构成要受到N：

分压、阴极弧流等日勺影响.

多弧离子镀内应用

自20世纪80年代以来，伴随离子镀氮化钛超硬耐磨镀层工艺逐渐完善、镀

膜质量H勺提高，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TN.通过TiN涂层口勺高速钢刀具

比没有涂层的高速钢刀具硬度提高2〜3倍，镀TiN后的高速钢刀具的摩擦系数

大大减少，耐磨性大大提高，阐明TiN涂层具有一定的减摩作用.此外，通过

TiN涂层的高速钢刀具可以提高刀具的使用寿命：一5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均有广泛的应用.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，减少制导致本的措施在国外已普遍应用，我国也

正在推广。目前我国的多种进出口刀具大多通过镀膜工艺处理，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口勺工作，获得了诸多经验,

获得了明显进步，处理了不少实际难题。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H勺应用离子镀表面涂层技术可在如下场

所应用于车辆零部件.

1）在轴类零件日勺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日勺显微硬度，改善表面耐磨性，减小摩擦系数，从而

减少表面磨损，延长零件使用寿命，还可减少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，使这些号件

可在高温下工作，减少其冷却规定，可使大部分热量通过排出的气体带走，大大

提高发动机H勺有效系数和经济性.假如不使用冷却系统，还可减小动力装置的重

量和体积，并且有助于减少噪声.

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）是多弧离子镀范围内的一种薄膜制备措施，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）是多弧离子镀范围内口勺一种薄膜制备措施，它可镀制出具有良

好润滑性能的固体润滑膜，此类薄膜一般由多元素多成分构成，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

界线，一般由肌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TiN~M0S2/Ti及TiN〜M0S2/WSe2是经典的多相纳米复合膜，其中

『、JMOS2基本上呈准非晶态，掺杂物Ti或WSe2与M0S2多相复合，形成了多相的

纳米复合薄膜。此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，高下温性能好，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，也也许用于旋转系统日勺座圈滚道、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时润滑性能，减少运动

时H勺摩擦阻力，并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H勺马达轴承，进

行轴承外圆表面的增厚处理。波音飞机时速率陀螺日勺马达轴承外圆需进行增厚处

理，规定增长的厚度必须均匀一致，表面精度和硬度不减少，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.上述技术规定，由于这些措施存在边界效应、膜厚不可控、膜层耐磨性差

等缺陷。用真空多弧离子镀膜技术进行轴承的外圆增厚处理可到达理想的效果。

可提高马达球轴承表面口勺耐磨性。可用于钛合金零件的表面处理。某飞行器测量

摄影机口勺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规定，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

冲击及构造致密、厚度均匀的高温抗氧化膜层，可大幅度改善叶片口勺耐烧蚀也能。

用它镀制的NiCralY高温抗氧化层已经有成功实例，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到达理想H勺效果，这是由于它所沉积

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长处.

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摄影机时

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，可满足产品使用规定.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）离子镀工艺镀制热隙膜层.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热隙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，获得了满意效果，并逐渐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MJ优质复合膜层，正研究用于喷气

发动机口勺叶片制造上.

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，在高能量口勺离子轰击下，可使膜的致密度高，

强度和耐久性好.尤其是膜层和基体界面原子扩散，因此不仅膜的附着强度好，

并且形成了一种有一定厚度口勺高硬度过渡层.涂层膜自身具有很高的硬度，最高

达2023HV左右，故涂层膜和过渡层构成了稳定的耐磨损耐冲击强化区，这明显

提高了冲模的耐磨性能和抗冲击疲劳性能.冲孔汨头经多弧离子镀TiN涂层处理

后，使用寿命比原冲头可提高5倍，可明显减少冲模的制造费用.

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多种钟表表面TiN装饰膜，充足运用弧光放电中高

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H勺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.目前，多弧离子镀是沉积TjN装饰膜的最佳工艺，该技术具

有较高日勺金属离化率和较高日勺离子能量，因而有助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

目前诸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白很好的耐

磨性和耐蚀性，并且还可在多种材料（包括金属与非金属）上镀制，其色泽变化多

样，十分丰富，这是老式的电镀等措施所不能比当的.

多弧离子镀能获得一般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［I勺可

镀性极好，基体和镀材口勺限制很少，在各行各业多弧离子镀镀层的应用正在逐渐

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，而其工作状况已熟为人知。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I付放电电流一般在四

十至几百安培之间。

多弧型蒸发离化源口勺长处诸多，在等离子体中存在渡滴则是这种措施的重要

缺陷液滴的尺寸一般在1肿至10/am左右。藏滴在被镀工件上沉积形成Ti或外

包TiN日勺Tj的大颗粒，使镀覆表面粗糙，孔隙率增长。据报导，在110A放电电

流下，在N：气氛中，距钛靶面85rani处获得的成果是可观测到日勺最小液滴直

径为0.lurn。在高真空下，最大液滴尺寸约为40.urn,在IPa条件下，则为

3(}.urno液滴的J数量与直径Dk的关系为二CDk。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，消除或减少液滴的措施有如下几种：

1.变化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.减少弧斑放电电流。

5.优化离子光学系统。

6.减少阴极温度。

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，假如再通以辅助

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，并用试验证明，对某些金属材料是可行口勺。

针对实际使用状况，我们作过如下试验;在距阴极表面110、200300ram

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长而减小。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成果不太

•致，阐明液滴的角分布状况与源构造有直接关系。根据这个试验成果，对源构

造做了改动，成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Hf与Ti同样，它们口勺氧化物、碳

化物、碳氮化物和氮化物也可同步用于装饰镀和工具镀。液滴颗粒较TiN细小。

在六族元素中.cr金属/、J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2nl即可获得几乎无针孔MJ膜层，因而有也许用它替代电镀

cr保护膜。CrN/、J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，目前重要用于多层

复合镀层。四价或六价金属口勺三元化合物也得到了应用。如Ti(CN),其硬度略

高于N。依其含碳量的不一样，颜色可由金黄色调一直到黑田2TiN和CrN摸层

针孔密度试验紫红色。碳的加入可以消除TiN『J青色，但明度较金要差某些。

四价或六价金属的碳氮化物工艺轻易实现，且可伴随膜层厚度变化碳与氮口勺含

量。Ti中加入Zr或Hf形成的氮或碳氮化物，如(TiZr)N/、J色调更靠近K金色,

可用于仿金镀，缺陷是明度局限性。(TiADN镀层，因能生成AIzO耐热抗氧化

层，也得到应用，这种镀层日勺韧性较TiN高，容许镀覆较厚口勺膜层。

7.装饰镀工艺

用离子镀措施已可以镀覆出除大红色之外的其他多种颜色。从仿金镀看,TiN

的反射光谱与24K和18K金有某些差异(图2)o装饰镀制品存在的问题是耐独和

耐磨问题。由于装饰镀膜层比较薄，一般都在101如下，消除孔隙是很困难的。

装饰膜，如TiN,镀在铁上属于阴极保护性膜层，在存在人工汗或其他电介质

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）、电镀层都是处理措施。在潮湿环境的应用场所，ICrl3一

类日勺低牌号不锈钢离子镀TN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lCrlSNi9Ti高牌号耐蚀不锈铜。

装饰镀件存在口勺另一种问题是耐磨问题。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，也可用遮掩膜措

施在制品表面制作装饰I：13。离子镀装饰膜镀层污染后不易撩净，其重要原

因在于离子镀工艺选择不好。

高质量膜层上口勺污渍是很轻易擦去口勺这也是鉴定镀膜工艺好坏的一种措施。

在TiN或其他仿金膜层表面上再薄薄地镀上一层金会获得极佳啊效果。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TiN硬质膜

层，不会被人注意。

镀膜时温度可以在60、80℃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口勺耐蚀

性，还可提高其光亮程度。铝及黄铜材料表面要采用特殊的清除疏松氧化物口勺抛

光措施进行预清洗。

膜层的耐磨性与基材有关。在不锈钢和。8号钢上镀0.1/.Lm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，在重视防腐蚀的场所，采用油漆涂覆也是可行的J,其强度重要由漆层的性质

决定。镀膜时的残存气体，重要是氧气、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通过烘干处理。在掺有云母鳞片

的透明塑料.上镀膜可以获得漂亮闪光的装饰效果。表面粗糙度决定了制品的I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。应当指出，离子镀

膜能精确地反应出制品表面的缺陷。因此对抛光工艺过程应多加注意。为掩盖压

铸制品H勺表面缺陷，应在镀膜前先进行涂覆底漆处理。一般说来，大面积光亮表

面口勺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

加对应口勺电压。

工具镀工艺

(1)膜层的种类

初期使用的工具膜层大多为TiN,TiN硬度高，对油的磨擦系数低，抗氧

化性好，受到了人们尤其的重视。直至目前为止TiN仍是工具用口勺重要通用型

膜层。尤其合用于加工碳钢、不锈钢等常用构造建筑材料。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。伴

随时间口勺推移，越来越多的新膜层出现。用TiN膜层刀具切削Ti及Ti合金、

银基合金和铸铁，效果就差某些，ZrN膜层刀具用在切削AKCu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Ti(cN)硬

度高，但抗氧化性能及韧性较TiN要差些，这种膜层尤其合用于合金钢、铸铁材

料和有色金属。（TIADN膜层硬度较TiN低，由于具有铝的成分，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日勺状况下使用很好。

除可用于切削钢材之外，合用于Ti及Ti合金、铸造材料，但对含铝和铜材料

性能不及TiN/、J膜层刀具。CrN膜层也越来越受人们重视。CrN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TiN,应

用在模具上可以发挥其优秀性能。应用在刀具上切削有色金属也许会有前途TiN

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H勺膜层性能，除硬度之外，尚有附着强度、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，附着强度是最重要的问题。影响附着强度的原

因诸多，镀覆的工件的温度是一种重要的原因。在镀覆大型工件时，仅靠主弧袈

击是不够的，预热是不可缺乏的，否则在镀覆过程中由于均温散热，镀膜时叫加

热强度又局限性以赔偿，会导致黑边现象，使膜层附着强度下降，使用性能变差。

对于细小刀具，重要问题在于易过热，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种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H勺应力，减少工件自身应力不均的影响。影响过渡层制作的重

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。此

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，并且有好的灭

弧性能。当然，应当提及的影响参数尚有清洁度等。对膜层的硬度，许多研究者

认为，膜层硬度随厚度增长而增大，实际上，这是基材硬度影响导致的。显微硬

度计测得的I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。

鉴于上述状况，用于工具的基体材料日勺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HRc63~65之间，HRc低于60H勺刀具耐用度

会受明显的影响。园摩擦局部退火H勺刀具镀后效果不好，寿命缩短。提及TiN

或其他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啊。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A1膜层刀具切削A1材效果不会

太好。谈及摩擦，尤其还要提及刀具的粗糙度问题。镀讪刀具口勺表面应保持光滑，

粗糙度Ra应在0.8如下，最佳通过合适的抛光，膜层的附着强度会加大，切削

时的摩擦力减少，效果很好。尤其要注意去掉毛边飞刺，刀口应有。.02左右的

小圆弧为了减少后隙面的磨损，可合适减小刀具向后角至于抗氧化性能，这是膜

层自身口勺性能具有热硬性附刀具具有最佳的切削效果，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，多种涂层刀具口勺温度耐受程度是有限的，因而选择合适的切削量和

切削液将能明显提高刀具的寿命。为了保证生产率，一般采用的是大走刀，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