物理气相沉积硬质涂层技术及进展.pdf

第九次全国热处理大会论文集(2 0 0 7 年9 月大连)物理气相沉积硬质涂层技术及进展童洪辉(核工业西南物理研究院，四川成都6 1 0 0 4 1)摘要：本文概要介绍了离子镀、磁控溅射、离子束辅助沉积和复合沉积技术的原理和优缺点，并指出了这些技术近年在制备硬质涂层的发展。关键词：物理气相沉积(P V D)；硬质涂层以过渡族金属碳化物、氮化物，硼化物和金刚石膜等为代表的硬质涂层由于具有超硬和耐磨等特点，已在机械加工工具、模具及机械零件等方面获得广泛应用。上世纪7 0 年代化学气相沉积(C V D)法开创了硬质涂层的“黄金刀具”，但因C V D 法沉积硬质涂层要求的温度高和有环境污染等问题，为了降低沉积温度，减少处理工序，拓宽所能应用的工件材料种类，同时就开展了物理气相沉积(P V D)硬质涂层技术的研究并于8 0 年代取得了突破；为了兼具C V D和P V D 法的优点。又发展了等离子体辅助化学气相沉积(P A C V D)硬质涂层技术，使硬质涂层具有沉积温度较低和膜基结合好等特性。不过由于磨损状况的千差万别造成所需涂层性能及处理成本的不同，目前市场上沉积硬质涂层C V D、P A C V D 和P V D 三种技术并存，但随P V D 技术的进步，P V D 正逐渐成为沉积硬质涂层的主导技术。P V D 工艺是指在真空条件下。至少有一种沉积元素被离化情况下，进行的气相沉积涂层工艺，P V D技术主要包括蒸发、离子镀、磁控溅射及离子束辅助沉积四种类型，而且在此基础上发展了复合沉积涂层技术。其中蒸发主要采用电子束方式，目的是为了提高蒸发原子的离化率，而且为了进一步提高离化率，引入了辅助电子枪、空心阴极放电和霍尔离子源等，由于该方法具有沉积速率高和易实现大面积等优点，常被用于薄板和钢带的表面强化处理。所以本文主要概述离子镀、磁控溅射和离子束辅助沉积硬质涂层技术和发展，以及复合沉积技术。1离子镀离子镀是在真空的条件下，利用气体放电或者被蒸发物部分离化产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在工件上。它具有所镀膜层与工件的结合好；到达工件的沉积粒子绕射性好；可用于镀膜的材料广泛；工件处于电场中，使得镀膜材料的离子能够达到工件的所有表面，镀膜粘结性好，组织致密。常用的有三极离子镀、空心阴极离子镀、活化反应离子镀、多弧离子镀等。但离子镀尤其是电弧离子镀技术在原子离子沉积的同时，伴随着靶面电弧斑点灼坑喷涌出大量的微米级颗粒或液滴，而且这些颗粒或液滴亦将直接沉积到工件上，影响到涂层的质量如致密性和粗糙度。一般地高熔点靶材产生相对较少的液滴。为了减少或消除颗粒，通常采用优化改进电弧靶的结构、运行工艺参数和过滤沉积粒子中颗粒等方法。M c C l u r e总结了产生液滴数的表达公式：N：kl o t DI V PN 一液滴数以电弧电流；t 沉积时间；D 靶厚；1 一靶基距离：V 一基片偏压；P 一气体压力；K 一比例系数，K 值与材料性质、靶材温度、真空室的设计等因素有关。因此目前大家在努力通过优化电弧靶磁场和结构以减小工作的弧流密度，减少沉积时间，增加靶基距离，提高真空压力和偏压，提高靶的冷却效率，有选择地设置工件位置等方法减少沉积到工件上的液滴数量。另外与平面电弧靶相比，圆柱电弧靶由于具有较好的冷却效果，工作弧流密度相对较小，因此产生的液滴数量较少，而且具有靶材利用率高和处理量大等优点，亦被常用于硬质涂层的制备，但为了提高离化率，辅助电离如阴极电子枪和等离子体源等技术被引入用以提高涂层质量。1 3 6以降低沉积速度为代价，许多过滤颗粒的方法被研究并得到了一定程度的应用。最具代表性的为弯管磁场过滤，原理为弯管内靶蒸发电离的离子随等离子体中电子沿磁力线做螺线运动，而靶面喷射的颗粒由于不带电作近似直线运动，所以离子被磁场导出弯管沉积涂层，而大部分颗粒轰击和淀积到弯管器壁上，达到减少弯管出口颗粒的目的。根据不同需要，发展了不同弯管角度、S 型和内置百叶窗等弯管。为了提高引出效率，往往对弯管加几十伏的正偏压，使引出效率能有一定程度的提高。综合考虑过滤效果和生产效率，直管磁场和偏压百叶窗式过滤技术已在生产中得到了较广泛使用。脉冲负偏压电源技术的应用大大改善了离子镀沉积硬质涂层的质量，拓宽了离子镀的应用范围。沉积涂层时直流偏压电压为1 0 0 V 左右。因此轰击工件的离子能量较低，而脉冲负偏压技术通过调整脉冲占空比，脉冲峰值可达1 0 0 0 V，这大大增强了离子轰击涂层的能量，改善了涂层性能，又能实现高速沉积的目的。该技术已在我国得到了推广。2 磁控溅射溅射是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子(工作气体一般为氩气)发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子。电子飞向基片，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，一方面溅射出大量的靶材原子，另一方面产生大量的二次电子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。磁控溅射与其他二极，三极等非磁控溅射的本质区别就在于用闭合的磁场束缚和延长电子的运动路径，提高了工作气体的电离率和电子能量有效利用率。二次电子在加速飞向基片的过程中受磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面做螺线运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断撞击电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次的碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材。磁控溅射可以按照电源、磁场、形状和溅射方式进行分类，由于它具有低温高效，沉积速率大和易实现大面积镀膜等特点。首先被广泛用于装饰镀膜，但随着非平衡如闭合场及对靶和中频磁控溅射技术的发展，结合辅助电离手段，使溅射原子的离化率得到了很大程度提高，而又克服了离子镀固有的存在颗粒缺陷，该技术被认为是沉积硬质涂层最好的方法之一，受到广泛的重视，特别是在高速运动场合下使用的耐磨刀具涂层的制备。3 离子束辅助沉积离子注入是将所需注入的元素电离成离子，经电场加速使离子获得很高的速度，从而打入工件材料中的改性过程，目前已发展了气体离子源和金属蒸发真空电弧离子源，使注入的元素可几乎包括周期表上所有的元素。离子注入的元素可以任意选取，处理温度低，几乎不改变工件尺寸，剂量可精确控制，使其成为工模具表面强化改性的重要手段。但离子注入在工件材料表面形成的改性层较薄，结合低能离子束溅射、磁控溅射和离子镀沉积涂层技术，发展了离子束辅助沉积技术：而为了克服常规离子注入的视线限制，又发展了全方位离子注入增强沉积技术，这些技术的发展，为制备硬质涂层提供了新的重要手段。离子束辅助沉积可分为静态和动态混合注入沉积，一般在同一真空室内完成，制备涂层时要考虑离子束流密度与沉积速率的匹配。以及沉积和注入的工作真空度是否相近等问题。为了实现全方位离子注入的目的，配置的沉积源亦要求能实现全方位沉积，因此往往同一装置有多个沉积源，以实现全方位处理工件的目的。4 复合沉积目前硬质涂层技术的发展具有以下趋势：由于单一涂层材料难以满足提高刀具综合机械性能的要求，因此涂层成分将趋于多元化、复合化；为满足不同的要求，涂层成分将更为复杂、更具针对性；在复合涂层中，各单一成分涂层的厚度将越来越薄，并逐步趋于纳米化；某些特殊要求的P V D 涂层工艺温度将越来越低。为了满足复合涂层制备的需要，核工业西南物理研究院研制了等离子体渗注镀复合表面处理系统如图1。该系统主要由大面积高能气体离子源、非平衡对称磁控靶、大电流条形霍尔等离子源、电弧靶和脉冲偏压电源组成，利用中央计算机控制各子系统的P L C，下行控制设备的各系统及监测和反馈控制耋量麓絮冀?戮埴系统町实现对I 件等5 结论离子体渗、镀和注入等功能。“一随着我国汽车、航空、航天、重机等工业的发展以及数控机床的迢速普及，我茸机械加工技术正朝若高速加工、绿色制造的方向发展，高速滚齿、l 蜀速铣削以及千式切削|岂的应用对P V D 硬质涂层技术提 r 更岛要术。市场的需求迫使目内必颁加逮P V D 新技术研究和开发，特别足制备工艺技术船开发。参考文献(f j 血5f 口，t 十H i，o#+H，f f“$f 坼J#n#T“E H 2 0 0 7【2 1sp a I D e y,s CD c。v tS i n g l e l a y e ra n d m u l l i t l，e r e s l m a n c n I”oo C(T 1A 1)N ar c v t c w l J lM a t e r i a l ss c I e n c。a n dE n g i|l e e r l n g A 3 4 2(2 1 J 0 3)5 8-7 9【3 Y c o n gY G u uj e nF i nL i n，C b lF o n gA i 丁h ct r i b o o g l c a lc b a r n g t e；ii t l c so f t mn i t t i d et l t a n h】mc a m o n l【r I d dL l t a n i u mc b i d c u a l m”T h i nS o l i dF i l m3 0 2 I l 7 1 9 32 0 0【4 1#t t“，*【l】_ f M ，1*，、4 m“。m，】9 9 0。洲s 鄙Z h o”g，D e nS U n，n 朗I“gF u 嫡叽D uR c v】c wR c e ma d v a 眦so fs u p er h o r dn a“o c【”p。c o a t i n g s：v】c w S u r f a c ea n dC o a t i n g sF e e h n o l o g)r 6 7 O I 3-9【6 C l e i n i b，KP i p l i t sFK u h e lAS c h i n l l m e s i s”rEp I l u g e r,H f l u t t e f，S I M S I n a r i a no f M o$2b“c ds p u E I t I n”f j A p p l i e ds u r m c eS e i c e l7 9f 2 0 0 I)2 6 9-2 7 4【7 T c 目D MH e m l e y RJL o w c o m p r i b i l l t y Ca r b o nN i t f i d e s，1 9 9 6 2 7 l5 3 5 5物理气相沉积硬质涂层技术及进展物理气相沉积硬质涂层技术及进展作者：童洪辉作者单位：核工业西南物理研究院,四川 成都 610041 本文链接：