摩擦學(xué)表面工程

真空電弧離子鍍王現(xiàn)英.3.8摩擦學(xué)表面工程第1頁真空電弧離子鍍是采取陰極電弧蒸發(fā)源一個離子鍍技術(shù)，其應(yīng)用面廣，實(shí)用性強(qiáng)。陰極靶能夠安裝在鍍膜室壁任一面上，靶形狀能夠依據(jù)需要調(diào)整。真空電弧離子鍍膜層均勻性得以充分確保，而不受沉積速率影響。1.引言摩擦學(xué)表面工程第2頁基本組成圖1多弧離子鍍結(jié)構(gòu)示意圖真空電弧離子鍍基本組成包含：真空鍍膜室、陰極弧源、基片、負(fù)偏壓電源、真空系統(tǒng)等，如圖1所表示。1-陰極弧源（靶材）；2、3-進(jìn)氣口；4-真空系統(tǒng)；5-基片（試樣）；6-偏壓電源摩擦學(xué)表面工程第3頁真空電弧離子鍍基本原理：陰極是在低氣壓下電弧放電陰極源，陰極靶材在與陽極短路時(shí)引發(fā)電弧形成真空電弧放電，在靶表面形成高速無規(guī)則運(yùn)動電弧斑點(diǎn)，使靶材直接由固態(tài)蒸發(fā)并離化產(chǎn)生高能粒子，這些粒子在工件偏壓作用下沉積在工件表面形成所需涂層，當(dāng)真空室內(nèi)通入反應(yīng)氣體則可生成化合物膜。2.基本原理摩擦學(xué)表面工程第4頁陰極弧源所產(chǎn)生金屬等離子體自動維持陰極和鍍膜室之間弧光放電。微小弧斑在陰極靶面快速徘徊?；“唠娏髅芏群艽?，到達(dá)105-107A／cm2，電壓為20V左右。因?yàn)槲⒒∧芰棵芏确浅４?，弧斑發(fā)射金屬蒸氣流速度能夠到達(dá)108m／s。陰極靶本身既是蒸發(fā)源，又是離化源。外加磁場能夠改變陰極弧斑在陰極靶面移動速度，并使弧斑均勻、細(xì)化，以到達(dá)陰極靶面均勻燒蝕，延長靶使用壽命。磁場對陰極弧斑運(yùn)動制約作用如圖2所表示。圖2磁場對陰極弧斑運(yùn)動制約作用示意圖不加磁場磁場過小磁場過大磁場適中摩擦學(xué)表面工程第5頁在靶面前方附近形成金屬等離子體，由電子、正離子、液滴和中性金屬蒸氣原子所組成，如圖3所表示。因?yàn)榻饘僬魵庠觾H占很小部分(低于2％)，因而在基片上沉積粒子束流中幾乎全部由離子和液滴組成。圖3陰極電弧產(chǎn)物組成示意圖摩擦學(xué)表面工程第6頁因?yàn)殛帢O弧斑能流密度非常大，在陰極表面上形成微小熔池，這些微小熔池造成陰極靶材猛烈蒸發(fā)。熱發(fā)射和場致發(fā)射共同造成電子發(fā)射，而且電子被陰極表面強(qiáng)電場加速，以極高速度飛離陰極表面，電子與中性原子碰撞，并使之離化，這個區(qū)域稱為離化區(qū)。因?yàn)殡娮颖戎仉x子輕得多，所以電子飛離離化區(qū)速度要比重離子高得多，這么在離化區(qū)就出現(xiàn)正空間電荷云。圖4陰極靶表面離化區(qū)域示意圖摩擦學(xué)表面工程第7頁離化區(qū)域空間電荷，是導(dǎo)致加速區(qū)強(qiáng)電場主要原因，該電場一方面使電子加速離開陰極表面，其次也使得離子回歸陰極表面，該回歸離子流可能導(dǎo)致陰極表面溫度在一定程度上增加。此外，回歸離子流對熔池表面沖擊作用可能是液滴噴濺原因，在陰極表面附近只有離子和液滴向外空間發(fā)射，即在基片上只能接收到離子和液滴，而無中性原子。摩擦學(xué)表面工程第8頁技術(shù)特點(diǎn)：金屬陰極蒸發(fā)器不融化，能夠任意安放使涂層均勻，基板轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)簡化。外加磁場能夠改進(jìn)電弧放電；使電弧細(xì)碎；旋轉(zhuǎn)速度加緊；細(xì)化膜層微粒；對帶電粒子產(chǎn)生加速作用。金屬離化率高，有利于涂層均勻性和提升附著力，是實(shí)現(xiàn)離子鍍膜最正確工藝。一弧多用，既是蒸發(fā)源，又是加熱源、預(yù)轟擊凈化源和離化源。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，能夠拼裝，適于鍍各種形狀零件，包含細(xì)長桿，如拉刀等。但會降低零件表面光潔度。3.真空電弧離子鍍技術(shù)特點(diǎn)摩擦學(xué)表面工程第9頁存在問題：液滴污染嚴(yán)重降低薄膜性能，嚴(yán)重限制其發(fā)展和應(yīng)用范圍陰極斑點(diǎn)跑偏誘發(fā)放電過程不穩(wěn)定，造成雜質(zhì)氣體產(chǎn)生負(fù)偏壓放電引發(fā)膜層損壞摩擦學(xué)表面工程第10頁真空電弧離子鍍中液滴發(fā)射現(xiàn)象是普遍存在，其尺寸和數(shù)量受弧斑尺寸及運(yùn)動等各種原因影響。液滴尺寸通常為微米量級，有時(shí)可到達(dá)幾十微米。因?yàn)橐旱问侨廴陉帢O材料熔滴，其化學(xué)組成與陰極靶材是相同。對于單組分陰極材料，液滴數(shù)量以及尺寸普通隨靶材熔點(diǎn)增高而降低；對于多元合金陰極材料，情況要復(fù)雜得多。摩擦學(xué)表面工程第11頁圖5不一樣鍍膜方式TiN與Ti膜表面形貌TiN膜層缺點(diǎn)-液滴摩擦學(xué)表面工程第12頁4.1降低液滴產(chǎn)生

降低放電功率密度，提升弧斑運(yùn)動速度，降低高電荷態(tài)含量，提升電離度，以及加強(qiáng)冷卻辦法等方法可有效地降低液滴產(chǎn)生。1）降低高電荷態(tài)離子含量高電荷態(tài)離子動能比單電荷態(tài)離子動能高，它們傳給陰極液面能量和作用力大，所以它們產(chǎn)生液滴能力比單電荷態(tài)離子大。采取低于第二電離電位放電電壓，就能夠適當(dāng)?shù)亟档透唠姾蓱B(tài)離子含量，從而降低液滴產(chǎn)生。4.降低液滴辦法摩擦學(xué)表面工程第13頁2）提升弧斑運(yùn)動速度提升約束磁場強(qiáng)度和降低殘余氣體壓力，可降低弧斑運(yùn)動阻力，提升弧斑運(yùn)動速度，降低斑在靶材上停留時(shí)間能夠降低液滴產(chǎn)生。3)加強(qiáng)陰極冷卻辦法擴(kuò)大陰極冷卻面積和提升冷卻劑流速等辦法可顯著加強(qiáng)陰極冷卻，從而降低液滴發(fā)射4)降低放電功率密度

放電功率密度大小直接影響液滴產(chǎn)生，降低放電功率密度可有效地降低液滴產(chǎn)生。摩擦學(xué)表面工程第14頁5)提升放電電離度在維持一定放電電壓時(shí)，提升真空度，降低殘余氣體壓強(qiáng)可顯著地降低殘余氣體碰撞，電荷交換與離子復(fù)合等損失，降低發(fā)散角以及提升約束和傳輸能力也是很有效方法。對于一定沉積速率，提升電離度就意味著降低放電功率，也就是降低陰極熔池深度及熔融金屬含量，從而降低液滴發(fā)射。摩擦學(xué)表面工程第15頁離子抵達(dá)基片能量主要由基板負(fù)偏壓供給；經(jīng)過對弧源電流調(diào)整來改變離子流密度。因?yàn)榈入x子體中離子較高能量，易于使已沉積渙散粒子被濺射下來，從而造成膜層高致密度。真空電弧離子鍍膜層與基體結(jié)合牢靠，高能粒子造成膜層與其片之間以原子鍵結(jié)合，并于界面處建立一互擴(kuò)散層，同時(shí)還能降低或消除膜層與其體界面之間孔隙缺點(diǎn)。所以使鍍層含有良好附著性。摩擦學(xué)表面工程第16頁4.2提升液滴過濾效果和等離子體傳輸效率磁過濾標(biāo)準(zhǔn)：在軸向磁場中，電子運(yùn)動注定是沿著磁力線方向，它們沿著磁力線方向螺旋前進(jìn)，直到受到其它粒子碰撞。假如磁場是彎曲。正如在一個彎曲螺線管內(nèi)部磁場，電子會沿著曲率運(yùn)動。這么電子可認(rèn)為是磁化，相反，離子通常不被磁化，因?yàn)樗鼈冃D(zhuǎn)半徑比電子要大得多，比過濾器特征尺寸也要大。不過，離子也會被迫沿著磁力線方向運(yùn)動，因?yàn)殡娮雍碗x子間存在電場，當(dāng)離子被電子推出去時(shí)電場就會存在。所以，等離子體宏觀上是電中性，等離子體沿著磁力線方向輸運(yùn)是磁(電子)和電(離子)復(fù)合機(jī)制。摩擦學(xué)表面工程第17頁大顆粒會輕微帶電，不過質(zhì)量和電荷之比與電子和離子相比是很大，所以，大顆粒因?yàn)樗鼈儜T性所以沿著直軌跡運(yùn)動。假如等離子體(電子和離子)從陰極表面出來后不沿直線引導(dǎo)，大顆粒將與等離子體分離，假如沒有其它問題，經(jīng)過磁過濾將大顆粒完全去除將能夠完成。不過，還有一些問題會影響大顆粒去除，這些問題是：大顆粒從壁反彈，等離子體在過濾器中大量失去，以及因?yàn)榈入x子體一粒子交互作用所造成納米粒子輸運(yùn)(“等離子體風(fēng)”)。摩擦學(xué)表面工程第18頁圖6電弧過濾器系統(tǒng)示意圖a-直管；b-直管和彎曲束；d-環(huán)形；e-圓頂型摩擦學(xué)表面工程第19頁

真空電弧離子鍍薄膜組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能受各種工藝參數(shù)影響，主要包含：沉積溫度、基體偏壓、靶電流、離子轟擊、氮?dú)夥謮旱取?.工藝操作摩擦學(xué)表面工程第20頁1、操作前準(zhǔn)備檢驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)備及電源、冷水源；檢驗(yàn)真空室體、控制柜和偏壓電源均要妥善接地；清洗真空室及工件卡具，按需要安裝好工件2、真空取得關(guān)好真空室門，關(guān)好門窗，將全部閥門關(guān)好；接通電源，開氣泵、水泵、維持泵擴(kuò)散泵預(yù)熱；擴(kuò)散泵進(jìn)入狀態(tài)后，開機(jī)械泵、鐘罩閥、旁通閥對真空室抽氣。摩擦學(xué)表面工程第21頁3、工件進(jìn)行預(yù)處理：拋光（除銹）、清洗并烘干4、鍍膜離子濺射清洗與轟擊預(yù)熱加熱、鍍膜5、關(guān)機(jī)摩擦學(xué)表面工程第22頁1、試樣制備試樣經(jīng)磨光、拋光、清洗后安裝在工件轉(zhuǎn)架上。2、操作過程制備前預(yù)真空,開啟工件轉(zhuǎn)架、烘烤加熱工件,再對工件進(jìn)行10～20min等離子體(Ar+)轟擊以便清洗去油并將其加熱至500℃。樣品制備完成后,對TiN膜在700℃下進(jìn)行0.5h大氣退火。試樣在真空室內(nèi)冷卻至80℃充氣,取出工件。以TiN為例：摩擦學(xué)表面工程第23頁1、施加磁場對氮化鈦涂層質(zhì)量影響氮化鈦涂層相結(jié)構(gòu)采取X射線衍射儀測定了對弧源施加磁場與不加磁場時(shí),氮化鈦涂層相結(jié)構(gòu)。由圖1可知,與標(biāo)準(zhǔn)峰相比,不論施加磁場是否,氮化鈦涂層結(jié)構(gòu)均發(fā)生了(111)晶面擇優(yōu)取向,二者結(jié)構(gòu)基本相同,說明磁場對氮化鈦涂層晶體結(jié)構(gòu)沒有影響。

TiN涂層分析

摩擦學(xué)表面工程第24頁圖1施加與不施加磁場X射線衍射峰曲線(a)ASTM卡片標(biāo)準(zhǔn)衍射峰(b)不加磁場時(shí)衍射峰(c)加磁場時(shí)衍射峰摩擦學(xué)表面工程第25頁2、氮化鈦涂層組織形貌采取金相顯微鏡觀察,對比了弧源施加磁場是否氮化鈦涂層表面組織形貌見圖2。由照片可知,施加磁控后,涂層中熔滴尺寸減小,而且粗大熔滴數(shù)量降低。摩擦學(xué)表面工程第26頁圖2TiN涂層表面組織金相照片a未加磁控b施加磁控摩擦學(xué)表面工程第27頁3、氮化鈦涂層硬度分析由表1可知，涂層硬度均在1831HV以上，未加磁控試樣都比較薄，硬度偏低。數(shù)據(jù)表明，工件架上中下部位涂層厚度是均勻。摩擦學(xué)表面工程第28頁4、氮化鈦圖層厚度由表2可知，隨氮分壓增高，涂層厚度增加。摩擦學(xué)表面工程第29頁5、氮化鈦涂層組織形貌對涂層斷口組織形貌掃描電鏡照片觀察可知,不一樣氮分壓時(shí),得到涂層組織均是細(xì)密柱狀晶組織。除了涂層厚度隨氣壓降低而減薄外,未觀察到顯著差異。摩擦學(xué)表面工程第30頁表3兩種鍍TiN涂層工藝條件

由表3可知,B工藝試樣,在沉積TIN之前,工件溫度較A工藝試樣高,與回火試樣進(jìn)行對比,前者相當(dāng)400℃左右,后者在200℃以下。在沉積TIN工序,B工藝試樣一直施加20V偏壓，對鈦離子、氮離子提供加速能量。故在TIN形成過程中，工件溫度不停上升；

而A工藝試樣則一直處于低溫條件。摩擦學(xué)表面工程第31頁表4A、B工藝TIN涂層厚度、硬度和色澤由表4可知,A工藝TIN厚度薄,硬度低,呈棕紅色；B工藝TIN涂層較厚、色澤金黃。此結(jié)果表明,基板偏壓對鈦、氮離子吸引而提升沉積速率；較高基板TIN涂層；反之,基板溫度低時(shí),使氮、鈦離子不能充分反應(yīng),取得氮化鈦硬度低,色澤棕紅。摩擦學(xué)表面工程第32頁

1)施加磁控能夠加緊弧斑運(yùn)動速度,從而降低熔滴尺寸,細(xì)化氮化鈦涂層組織。2)在選定氮分壓條件范圍內(nèi),氮化鈦組織、晶體結(jié)構(gòu)、硬度、色澤沒有顯著差異。3)沉積氮化鈦時(shí)基板溫度和等離子體場條件,對形成氮化鈦涂層硬度、色澤有顯著影響。4)在大弧源真空電弧離子鍍膜機(jī)中沉積氮化鈦涂層,不論弧源是否施加磁控,改變氮分壓及工件溫度和是否施加工件偏壓,其涂層晶體結(jié)構(gòu)基本一致,均展現(xiàn)了(111)晶面擇優(yōu)取向,(111)峰很強(qiáng),其它晶面均很低。試驗(yàn)結(jié)論摩擦學(xué)表面工程第33頁伴隨離子鍍氮化鈦超硬耐磨鍍層工藝逐步完善和鍍膜質(zhì)量提升多弧離子鍍在冶金、機(jī)械加工、高溫防護(hù)、裝飾材料等眾多行業(yè)得到廣泛實(shí)際應(yīng)用。應(yīng)用于鉆頭、絲錐、拉刀等各種模具,使其壽命提升三倍以上；應(yīng)用于表帶、表殼、眼鏡架、牌匾、字號、餐具和建筑五金等,使其光彩奪目,耐磨耐蝕。顏色從金黃到淡金色,并可到達(dá)槍黑色,提升產(chǎn)品藝術(shù)價(jià)值和使用價(jià)值。在電子、輕工、化工、機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。6.真空電弧離子鍍應(yīng)用摩擦學(xué)表面工程第34頁KMARC高真空電弧離子鍍摩擦學(xué)表面工程第35頁真空電弧離子鍍膜技術(shù)在車輛零部件上應(yīng)用包含：（1）在軸類零件表面鍍制硬質(zhì)耐磨膜，降低表面磨損，延長零件使用壽命，還可降低零件運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生噪聲，降低環(huán)境污染。

（2）在發(fā)動機(jī)零件上鍍制耐磨耐蝕膜，在活塞頂部、活