關(guān)于用離子鍍?nèi)〈糠蛛婂兗盎瘜W(xué)鍍的技術(shù)論證

1、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(guó)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(shí)，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(kāi)始該項(xiàng)目的研究工作，通過(guò)近二十年的探索與實(shí)踐，成功開(kāi)發(fā)出了“脈沖多弧等離子體鍍膜技術(shù)及設(shè)備”,并申請(qǐng)了“一種多功能多弧等離子沉積裝置”國(guó)家專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：ZL.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

2、物及陶瓷涂層。此外，通過(guò)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(rùn)滑、裝飾鍍層及納米材料在機(jī)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?cè)砑捌鋺?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(guò)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(rùn)滑鍍層和其它功能性鍍層（如磁性、導(dǎo)電、光學(xué)膜等）。對(duì)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

3、體結(jié)合牢固（一般為機(jī)械結(jié)合）。電鍍的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備、工藝簡(jiǎn)單，便于批量生產(chǎn)。存在的問(wèn)題是：電鍍的廢液廢氣會(huì)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(jī)械結(jié)合，很不牢固；氫的析出會(huì)引起鋼的氫脆和疲勞強(qiáng)度的下降。2.2化學(xué)鍍?cè)砑捌鋺?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(guò)程稱(chēng)為化學(xué)鍍或自催化化學(xué)還原鍍，無(wú)電鍍。由于化學(xué)鍍優(yōu)于電鍍的特點(diǎn)，近幾十年來(lái)獲得很廣泛的應(yīng)用，主要特點(diǎn)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。

4、存在的缺點(diǎn)是仍有嚴(yán)重的環(huán)境污染，沉積速率慢（約10m/h），槽液溫度高（如鍍鎳時(shí)為85100），易老化，壽命短，價(jià)格高，成本高于電鍍，使用于電鍍不適合的場(chǎng)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(dá)500600Hv，經(jīng)400處理后，硬度可達(dá)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(diǎn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究出許多用離子鍍來(lái)取代電鍍及化學(xué)鍍，解決了以上存在的問(wèn)題。3. 離子鍍技術(shù)及應(yīng)用3.1離子鍍?cè)?離子鍍是在真空條件下，利用氣體

5、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(diǎn)和特點(diǎn)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(guò)等離子體或離子束介入，可以獲得所需的沉積粒子能量進(jìn)行鍍膜，提高膜層質(zhì)量，通過(guò)等離子體的非平衡過(guò)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)律的高溫過(guò)程，就可以實(shí)現(xiàn)低溫反應(yīng)合成和在低溫基體上沉積，一般300500C就可以成膜，擴(kuò)大沉積基體適用范圍。5. 可沉積各類(lèi)型薄膜：如金屬膜、合金膜、

6、化合物膜等。6. 無(wú)污染，利于環(huán)境保護(hù)。離子鍍技術(shù)已廣泛運(yùn)用于各行各業(yè)，許多技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。如防護(hù)鍍層、減磨鍍層、耐蝕性鍍層、裝飾性鍍層、潤(rùn)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?cè)O(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（原理圖見(jiàn)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)備（國(guó)家專(zhuān)利號(hào)：ZL.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(wú)機(jī)非金屬納米粉末。圖 2 多弧離子鍍?cè)O(shè)備外觀圖該設(shè)備的技術(shù)參數(shù)為：工作室尺寸100010001000，

7、極限真空度為6.6510-4Pa，抽真空時(shí)間少于30分鐘，電弧蒸發(fā)源8個(gè)，脈沖偏壓電源30A，最大裝爐量6鉆頭1000支，測(cè)溫方式：熱電偶和紅外測(cè)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 離子轟擊清洗和刻蝕 離子沉積取件 后處理。如圖4所示。圖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(guó)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(lái)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）。

8、1. 防護(hù)涂層試驗(yàn)表明1030m的離子鍍鋁膜，經(jīng)2100小時(shí)的5鹽水噴霧后還不破壞，比電鍍鉻、銅的性能更好。美國(guó)在飛機(jī)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(lái)代替電鍍化學(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(jī)的葉片，早先是用擴(kuò)散滲鋁層進(jìn)行腐蝕防護(hù)，但存在硫化物的腐蝕問(wèn)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(jìn)行試驗(yàn)可達(dá)900小時(shí)而不發(fā)生損壞。2. 減磨鍍層用離子鍍

9、法獲得的固體潤(rùn)滑膜已在航天工業(yè)中的各種儀器、齒輪、螺絲、軸承以及潤(rùn)滑部件中得到廣泛應(yīng)用。采用的潤(rùn)滑材料有：MoS2、WS2、石墨、CaF2、金、銀、鉛、錫、銦、聚四氟乙烯等。國(guó)外一些噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的輪轂、渦輪軸支承面和直升飛機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，已采用銀潤(rùn)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10m-12m的鋁層，用5%的鹽霧試驗(yàn)，耐蝕時(shí)間達(dá)（170-280）h。離子沉積鋁被美國(guó)海軍列入正式生產(chǎn)工藝；過(guò)去很多高強(qiáng)度鋼采用鍍鎘工藝，常出現(xiàn)氫脆，影響零件的強(qiáng)度而且有毒，離子沉積鋁消除了上述缺點(diǎn)，并保證了耐蝕性能。試驗(yàn)表明

10、10-30m的離子鍍鋁膜，經(jīng)2100小時(shí)的5%鹽水噴霧后還不破壞，比電鍍鉻、銅的性能更好。美國(guó)在飛機(jī)的螺釘、襯套等零件上已廣泛采用離子鍍鋁代替電鍍鎘。在日本已用離子鍍鋁的碳鋼部分代替不銹鋼。航空工業(yè)中過(guò)去對(duì)高強(qiáng)度鋁合金采用陽(yáng)極氧化，使基體的疲勞強(qiáng)度下降，離子沉積鋁層克服了此缺點(diǎn)。鋁層還是電磁波屏蔽的優(yōu)良涂層，如涂0.15m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

11、裝飾性涂層化合物見(jiàn)表1表 1 部分金屬化合物的顏色名稱(chēng)顏色名稱(chēng)顏色名稱(chēng)顏色Be2C赤色NbC亮褐色TiN金黃色YC2黃色TaC金褐色ZrN黃銅色LaC2黃色Cr2C灰色HfN黃褐色CeC2赤黃色WC灰色TaN灰色UC灰色Be2N2灰色Cr2N亮灰色TiC亮黑色Mg2N2黃綠色MnN黑色ZrC灰色LaN黃色VN金色5. 潤(rùn)滑膜層離子沉積膜的摩擦系數(shù)比原來(lái)金屬材料基層要低，涂覆Au、Ag、Pb、Pb-Sn、MoS2、Ca2F、CF等潤(rùn)滑材料。其中Ca2F是良好的高溫潤(rùn)滑劑，在800-900下工作，摩擦系數(shù)為0.05以下。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的輪殼、渦輪軸承表面和直升飛機(jī)旋翼轉(zhuǎn)子軸等部位，用上述的潤(rùn)滑材料，可

12、以防止麻點(diǎn)、裂紋、應(yīng)力腐蝕等，提高了力學(xué)性能，也延長(zhǎng)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)用和開(kāi)拓的主要方面，正因?yàn)槌矎?fù)層應(yīng)用于生產(chǎn)取得了令人滿(mǎn)意的效果，各國(guó)很重視對(duì)該技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究，特別是用于工具表面的強(qiáng)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(guó)外稱(chēng)TiN涂層刀具是工具的外觀和性能上的一次革命。發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家TiN涂層刀具覆蓋率約占80%，而我國(guó)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(zhǎng)

13、310倍。鋁或鋼制的紡錘采用離子鍍鍍覆TiN涂層后，使用壽命提高了35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(jìn)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(duì)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?yàn)門(mén)i（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表面的化學(xué)磨耗。（2）

14、 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(shí)所產(chǎn)生的高溫。由于TiAlN的抗氧化性?xún)?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(shí)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(guó)Gubring公司生產(chǎn)出TiN涂層刀具銷(xiāo)售，有20余家廠商在國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上展出了高速鋼TiN涂層刀具；目前日本汽車(chē)工業(yè)已全部采用TiN涂層滾刀。4、離子鍍與電鍍的比較（鍍Al為例） 類(lèi)型特征電鍍離子鍍硬度/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(qiáng)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(rùn)滑鍍層機(jī)械結(jié)合 不牢固低低（幾萬(wàn)元）適合鍍AlN、TiN大于1500Al-白 TiN-金黃色 光潔312快無(wú)污染300-500純金屬、合金、非金屬、各種復(fù)合涂層等，可做無(wú)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(jià)鍵結(jié)合，牢固低高（幾十萬(wàn)元）適合（做好夾具設(shè)計(jì)）5、結(jié)