多弧离子镀技术及其应用

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1、万方数据2006年10月第29卷第10期重庆大学学报(自然科学版)JoumalofChongqinguniversity(NQturQlScienceEdition)Oct．2006V01．29No．10文章编号：1000一582X(2006)10—0055—03多弧离子镀技术及其应用+姜雪峰，刘清才，王海波(重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆400030)摘要：多弧离子镀技术是离子镀技术的一种改进方法，它是把弧光放电作为金属蒸发源的表面涂层技术．由于多弧离子镀技术具有镀膜速度高，膜层的致密度大，膜的附着力

2、好等特点，使多弧离子镀镀层在工具、模具的超硬镀膜、装饰镀膜等领域的应用越来越广泛，并将占据越来越重要的地位．介绍了多弧离子镀技术的原理、特点，并在总结和归纳了以往大量实验研究及国内外文献的基础上，分析了多弧离子镀技术的工艺发展及其在各个领域的应用，为今后多弧离子镀技术的研究与应用提供了有利借鉴．关键词：镀膜；多弧离子镀；氮化钛中图分类号：TGl74．444文献标识码：A离子镀技术是在真空蒸镀和真空溅射的基础上于20世纪60年代初发展起来的新型薄膜制备技术．多弧离子镀属于离子镀的一种改进方法，是离子镀技术中的皎

3、皎者，最早由苏联人开发，80年代初，美国的Multi_Arc公司首先把这种技术实用化．1多弧离子镀的原理多弧离子镀的蒸发源结构如图1所示⋯，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一10—Pa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

4、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．阴极材料以每一个弧斑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，适当的磁场强度可以使弧斑细小

5、、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．图1阴极强制冷却多弧离子镀结构示意图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+收稿日期：2006—06—11基金项目：机械传动国家重点实验室访问学者项目作者简介：姜雪峰(1974一)，男，湖南汉寿人，重庆大学讲师，硕士研究生，主要从事

6、陶瓷材料的研究．万方数据56重庆大学学报(自然科学版)2006年镀膜室适当的位置，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

7、．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)氮分压的影响一。1¨．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¨卜16J．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

8、有较高的结合强度．3)温度Ⅲ锄J．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忙2。231．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．AL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