多弧离子镀技术及其在切削刀具涂层中的应用

多弧离⼦镀膜机的⼯作原理和应⽤介绍真空镀膜机⾏业最长见的镀膜技术有电阻蒸发镀膜，多弧离⼦镀膜，磁控溅射镀膜，也是⽇常最常⽤的镀膜技术，三种
镀膜技术，各⾃有各⾃的优势，像电阻蒸发镀膜技术⼀般镀熔点低，易汽化的膜材，多弧离⼦镀膜技术的对⼯件材料就是要求⽐较的严格，⽽磁控溅射镀膜技术⼏乎什么材料都能，应⽤⾮常⼴泛，在这就不详细多讲。

真空⾏业中多弧离⼦镀膜机使⽤的是多弧离⼦技术，那么汇成真空⼩编今天要讲的是多弧离⼦镀膜机的⼯作原理和应⽤介绍有哪些？
多弧离⼦真空镀膜机是⼀种⾼效、⽆害、⽆污染的离⼦镀膜设备，具有沉积速度快、离化率⾼、离⼦能量⼤、设备操作简单、成本低、⽣产量⼤的优点。

离⼦镀膜其实是离⼦溅射镀膜，对于导电靶材，使⽤直流偏压电源；⾮导电靶材，使⽤脉冲偏压电源。

有的多弧离⼦镀膜机，可能还需要直流电弧电源或脉冲电弧电源。

偏压电源其实就是在阴极和样品所在位置的阳极之间形成偏压电场，⼀般是阴极加负⾼压。

阴极表⾯的⾃由电⼦在电场作⽤下定向加速发射，发射电⼦轰击⽓体分⼦，使之电离，并且⽓体被驱出的电⼦被电场加速，继续电离其他⽓体分⼦，连续不断，形成雪崩效应，⽓体被击穿，形成恒定的电离电流。

此时离⼦也被加速，轰击靶材，将靶材中的原⼦驱除出表⾯，并沉积在样品表⾯。

多弧离⼦镀膜机的应⽤，多弧离⼦镀膜机⽤于不同档次五⾦产品，⼀般的建筑五⾦件、锁具，⽤多弧离⼦镀膜设备可胜任，中⾼档次产品如表带、表壳、眼镜框、⼿机壳、⾼尔夫球具、卫浴洁具、饰品等，⼀般采⽤电弧/中频（+直流）磁控溅射复合型镀膜设备，根据装载量选⽤⼤⼩机型。

该设备可镀黄⾦⾊、玫瑰⾦、咖啡⾊、棕⾊、古铜⾊、蓝⾊等装饰膜。

多弧离子镀法制备tialnc涂层的微观结构Tialnc涂层是一种多种赋性非常优异的表面涂覆材料，代表一种越来越受欢迎的新兴表面组件的选择。

该涂层可以被用于防腐蚀、超疏水、超疏油表面、腐蚀抗蚀和低磨损，广泛应用于航空、航天、节能、自动化、电子、军工等多个领域。

因此，制备Tialnc涂层具有重要的意义。

一、多弧离子镀法多弧离子镀法是一种用于制备Tialnc涂层的常用技术，这项技术的主要原理是在不同的温度条件下，采用多道源束技术，通过离子镀层形成Tialnc涂层，形成一层覆盖整个表面的涂层。

多弧离子镀法简便，扩散深度较小，因此可以获得较为理想的表面属性。

二、微观结构多弧离子镀法制备的Tialnc涂层通常具有芯壳结构，其内部呈规则珠状，具有剥落表面结构特征，外部表面较为均匀、光滑，形状为球状，由于其尺寸均匀，因此拥有较好的抗磨损性。

另外，大多数的Tialnc涂层表面具有许多细小的凹槽，为了提高涂层的抗腐蚀性，这些凹槽中也含有少量的SiO对，Si-O对能够改善氧化物凝聚性能，能够增强表面的抗腐蚀性。

三、表面性能Tialnc涂层制备出来的表面一般具有良好的硬度和耐腐蚀性，抗腐蚀性在Al-Ti系列金属涂层中最佳，抗磨损性也较高，特别适合在高温高压气体中工作。

另外，Tialnc涂层表面具有较高的热阻性、较低的摩擦系数和表面电阻度，从而可以有效地降低产品的故障率和耐久性。

四、缺陷的管理由于Mulac离子镀法的过程比较复杂，涂层表面通常存在少量的缺陷，包括表面不平整、微小凹痕、涂层破裂等，这些缺陷可能会影响涂层表面性能及对外界环境的抵抗性。

因此，在涂层表面处理过程中，有必要采取一些有效措施来改善缺陷的影响，比如采用微粒均匀分布的抛光方法等，从而赋予Tialnc涂层更好的性能。

多弧离子镀膜技术的主要工艺参数与涂层性能的关系由于影响涂层质量的因素多而复杂，因此研究工艺参数与涂层性能指标之间的关系，以实现涂层性能预测与工艺优化设计，始终是研究人员致力的目标。

国内外研究表明多弧离子镀膜的主要工艺参数有：基体沉积温度、反应气体压强与流量、靶源电流、基体负偏压、基体沉积时间等。

实验对多弧离子镀制备TiC薄膜的工艺与性能进行了研究，得出各工艺参数对涂层显微硬度和涂层/基体结合力的影响程度。

对显微硬度影响程度的主次顺序是反应气体流量、沉积时间、基体负偏压、靶源电流；对涂层/基体结合力影响程度的主次顺序是沉积时间、反应气体流量、基体负偏压、靶源电流。

实验采用多弧离子镀方法制备了TiN/Cu纳米复合涂层，研究了工艺参数对涂层硬度的影响，结果表明对显微硬度影响程度的主次顺序是反应气体压强、沉积时间、基体沉积温度、基体负偏压。

基体沉积温度基体沉积温度对涂层的生成、生长及涂层的性能产生直接的影响。

根据吉布斯的吸附原理可知，温度越高基体对气体杂质的吸附越少。

因此，一般说来，基体沉积温度高，有利于涂层的生成、生长，增大沉积速率；也有利于提高涂层与基体的附着力，使涂层晶粒长大，表面平整光亮。

但温度太高，会引起晶粒粗大，强度和硬度下降。

实验采用多弧离子镀技术在高速钢表面沉积了TiN涂层，研究了不同沉积温度下TiN涂层的表面硬度与涂层/基体的结合力，结果表明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。

并得出了最佳的沉积温度为500℃，此时TiN涂层的硬度、涂层/基体结合力与刀具性能最佳。

对刀具进行涂层时，为使涂层与基体牢固结合，提高涂层质量，需在涂层前将基体加热到一定温度。

对于高速钢刀具一般为500℃左右，硬质合金刀具一般在900℃左右。

反应气体压强与流量反应气体的压强与流量大小直接影响涂层的化学成分、组织结构及性能。

实验在W18Cr4VCo5高速钢基体上采用多弧离子镀技术制备了TiAlN涂层，研究了N2分压对熔滴形成的影响，结果表明随N2分压的增加，涂层中颗粒和熔滴的密度、直径减小，主要是通过靶材表面零中毒，不形成氮化物从而提高材料的熔点引起的。

刀具涂层技术的应用自20世纪60年代化学气相沉积（CVD）涂层硬质合金刀片问世发来，涂层技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。

而20世纪80年代初，TiN物理气相沉积（PVD）涂层高速钢刀具的出现，以使高速钢刀具的性能发生了革命性的变革。

由于涂层技术可有效提高切削刀具的使用寿命，使用刀具获得优良的综合机械性能，大幅度地提高机械加工效率，因此涂层技术已经在切削刀具提高性能的工艺中得到极为广泛的应用于。

刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积（CVD）技术和物理气相沉积（PVD）技术两大类，本文拟从这两方面分别介绍国内外刀具涂层技术的应用情况。

1、刀具涂层技术的应用（1）CVD涂层技术的应用CVD是使挥发性化合气体发生分解或化学反应，并在被镀工件上形成沉积成膜的方法。

在CVD工艺中，气相沉积所需金属源的制备相对容易，可实现TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、AL2O3等单层及多元多层复合涂层。

CVD涂层镀层密实，涂层与基体结合强度高，附着力强，均匀性好，形状复杂的工件也可得到合金副的镀层，薄膜厚度可达5—12微米，因此CVD涂层具有更好的耐磨性。

但其工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度的下降，薄膜内部为拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生，因此只适合于硬质合金车削类刀具的表面涂层，其涂层刀具适合于中型、重型切削的高速加工及半精加工。

自1968年第一批CVD涂层硬质合金刀具问世至今，该涂层技术已发展了近35年。

在这35年间，CVD涂层技术从单一成份发展到多种成份、从单一膜层发展到多元多膜层，经过大量的试验，完成了批量大规模的工业化生产。

如今，CVD涂层硬质合金在涂层硬质合金刀具中占到了80%以上的份额，CVD涂层技术已广泛应用于各类硬质合金刀具。

其涂层工艺的主要发展阶段及应用领域见下表：1968——TiN、TiN——方法CVD——硬质合金刀具、模具涂层1973——TiCN、TiC+AL2O3——CVD ——硬质合金刀具、模具涂层1981——TiC+AL2O3+TiN、AL-O-N——CVD——硬质合金涂层1982——TiCN——MT-CVD——硬质合金刀具涂层1986——Diamond、CBN——CVD、PVD——硬质合金刀具涂层1990——TiN、TiCN、TiC——PCVD——模具、螺纹刀具、铣刀等1993——TiN+TiCN（CVD）+TiN（PVD）——CVD+PVD——硬质合金铣削类刀具涂层1993——厚膜纤维状TiCN——MT-CVD——硬质合金车削类刀具涂层（用于粗、半精加工）从上表可以发现，CVD涂层技术主要用于硬质合金类各种切削刀具。

多弧离子镀膜技术有效运用分析摘要：多弧离子镀技术实为一种基于离子镀技术而创新改进出的较新型技术，现阶段，其已在多领域中得到广泛应用。

本文首先简要分析了多弧离子镀的基本原理及主要特点，探讨了多弧离子镀在多领域中的实际应用。

关键词：多弧离子镀；镀膜；运用离子镀技术是一种在上个世纪60年代基于真空溅射与真空蒸镀而发展起来的较新型薄膜制备技术，而对于多弧离子镀而言，其则为基于离子镀而不断发展与更新的改进方法，乃是整个离子镀技术架构当中的重要构成。

到了上个世纪80年代，Multi-Arc公司（美国）首次将此技术应用于实践。

本文就多弧离子镀膜技术的特点、原理及实际应用作一探讨。

1.多弧离子镀的基本原理针对多弧离子镀而言，其主要由引弧电极、磁场线圈及水冷阴极等构成，所谓阴极材料，从根本上来讲，即为镀膜材料，当处于真空环境中，将电源接通，且使引弧电极瞬间接触于阴极，当引弧电极瞬间离开时，因导电面积瞬间变小，电阻随之增大，局部温度在短时间内会快速升高，造成阴极材料出现不同程度融化，最终造成液桥导电，形成金属蒸发；另外，还需要指出的是，基于阴极表面，通常会形成局部性的、区域性的高温区，此时，等离子体会不断产生，引燃电弧，电源维持弧光放电，在此影响下，阴极表面便会产生许多比较明亮的高电流密度，而且还呈现出高速变化状态；在此大背景下，阴极弧斑会有非常小的尺寸，通常处于1～100?m区间内；具有比较高的电流密度，通常达到105～107A/CM2。

各弧斑有着并不长的存在时间，当其以一种爆发性的方式离化并发射电子与离子时，会大量蒸发阴极材料，而在此过程中，于阴极表面周围，金属离子受此影响与驱动，会形成比较典型的空间电荷，另外，还会根据实际情况及环境，构建弧斑生成所需条件，形成全新的弧斑，并持续生成，因而可以较好的保持电弧电流的基本稳定。

针对阴极材料而言，通常情况下，其会以每个弧斑60～90%的离化率，在基片表面蒸发与沉积，最终形成膜层。

离子可以穿过隔离屏进入腔体与等离子体中被离化的气体结合对工件表面镀膜。

为了对俄罗斯电弧离子镀涂层的结合力进行对比试验，分别在广东一外资厂的涂层刀片产品、广东省某大学的ＡＩＰ－０１型镀膜机镀制样品和俄罗斯设备镀制样品中取样，同为ＴｉＮ涂层，然后在中科院兰州物理所进行膜／基结合力测试。

该厂刀具产品的结合力最低为４２Ｎ，ＡＩＰ－０１型镀膜机样品结合力为６５Ｎ，而俄罗斯多弧离子镀膜机样品结合力超过１００Ｎ。

我们曾与德国、瑞士的涂层专家探讨过膜／基结合力问题，他们认为目前世界各国的涂层设备的膜／基结合力能达到８０～９０Ｎ，即世界先进水平。

国内权威专家认为只有纳米复合涂层的膜／基结合力才有可能达到１００Ｎ的水平。

（２）俄罗斯设备可以配备快速中性分子束源，采用电子加热或进行气体离子测射清洗不会使刀具的刀锋钝化。

用快速中性分子束对工件进行轰击时可以预先活化表面；也可以在镀膜时调整薄膜参数；在１０～１０００Ｖ的粒子能量范围内，快速中性分子可以生成达１０Ａ的电流。

使用气体和快速原子可以获得任何化学活性气体的分子束。

该束源进行辅助沉积时，可以降低镀膜温度（即可以在８０～１００℃时镀膜）；快速中性分子束源的应用能显著提高非导电材料，如玻璃、陶瓷和塑料等的镀膜质量；由于能降低沉积过程温度，对非耐温材料可以在８０～１００℃时对压电陶瓷镀膜；在刀具沉积过程中不出现电弧镀膜中常见的刀锋钝化现象，反之还能削尖刀刃。

快速中性分子辅助沉积技术可以制造陶瓷镀膜低温合成设备，制造无损内部结构的微电子产品加工设备和制造绝缘陶瓷镀膜设备。

（３）俄罗斯涂层设备还可以配置分离加速系统消除液滴和制造纳米多层膜。

俄罗斯电弧离子镀设备可以配置离子体加速弧源，配备该弧源的离子镀设备沉积的涂层能够有效减少涂层的液滴，甚至使涂层表面细小致密无液滴，大幅度提高涂层质量。

离子体加速弧源还可以制备多层纳米涂层，每层厚度约２０ｒｉｍ。

（４）俄罗斯还有其他难熔金属氮化物和类金刚石涂层的镀膜设备及大型镀膜设备。

离子镀氮化钛薄膜刀具的镀膜工艺与镀膜刀具的实际应用离子镀氮化钛薄膜刀具是一种新型的刀具镀膜技术，它采用离子镀技术在刀具表面形成一层坚硬、耐磨、耐蚀的氮化钛薄膜，从而提高了刀具的切削性能和寿命。

本文将介绍离子镀氮化钛薄膜刀具的镀膜工艺和实际应用。

一、镀膜工艺离子镀氮化钛薄膜的镀膜工艺是一种利用离子束轰击刀具表面形成薄膜的技术。

具体可以分为以下几个步骤：1、预处理：将刀具加热至300℃左右，以去除刀具表面的油垢和氧化物。

2、清洗：用丙酮、乙醇等有机溶剂将刀具表面彻底清洗干净。

3、离子清洗：用氢气、氮气等离子束对刀具表面进行清洗，去除表面杂质和氧化物。

4、离子镀膜：用含氮物质的离子束轰击刀具表面，使其形成一层氮化钛薄膜。

5、后处理：对镀膜刀具进行退火等处理，使其薄膜结构更加致密，提高切削性能和寿命。

二、实际应用离子镀氮化钛薄膜刀具具有优良的性能和广阔的应用前景，在机械加工、航空航天、汽车制造、模具制造、医疗器械等领域都有着重要的应用。

离子镀氮化钛薄膜刀具可以提高刀具的硬度和抗磨性能，使其具有更好的耐磨性和耐蚀性，延长使用寿命，降低工业生产成本。

在数控加工中，离子镀氮化钛薄膜刀具可以提高切削速度、加工精度和表面质量，提高加工效率和生产效益。

总之，离子镀氮化钛薄膜刀具的镀膜工艺和实际应用，不仅推动了制造业的技术进步和产业升级，而且对于推进可持续发展具有重要意义。

离子镀氮化钛薄膜刀具的应用不仅能提高生产效率和降低成本，还能大幅度提高加工质量、精度和稳定性。

该技术广泛应用于高速切削、重切削和大批量生产等领域，极大地促进了工业生产的发展和不断提高。

离子镀氮化钛薄膜刀具不仅可以用于金属材料的加工，也逐渐应用于陶瓷、塑料等材料的加工。

离子镀技术可以改善镀膜的组织结构，提高膜层的密实性和均匀性，从而使刀具在复杂的切削环境中具有更加出色的性能表现。

随着离子镀技术的不断发展和改进，新型离子镀氮化钛薄膜刀具的研制和应用也将不断拓展。

多弧离子镀制备TiAlN和DLC涂层的工艺方法及其对线齿轮副摩擦学性能的影响多弧离子镀（Muti-Arc Ion Plating，简称MAIP）是一种先进的表面处理技术，其制备复合涂层的过程具有高效、环保、可控等优点。

MAIP制备的TiAlN和DLC涂层对于线齿轮副的摩擦学性能具有显著影响。

本文将从MAIP工艺方法出发，探讨TiAlN和DLC涂层对线齿轮副摩擦学性能的影响，并回顾5个相关研究的案例。

1. MAIP工艺方法MAIP是一种在真空环境下利用电子束或离子束轰击材料表面，使工件表面原子释放，同时在工件表面注入镀层原子的技术。

MAIP所能制备的复合涂层包括吸氢氮化钛涂层（TiN-H），碳化钨涂层（WC），碳化金属涂层（MeC），二元合金涂层（TiAlN），硬炭化物涂层（TiC-C），含肽涂层（TiSiN）和Diamond-Like Carbon（DLC）涂层等。

其中TiAlN和DLC涂层在线齿轮副的摩擦学性能上的应用最为广泛。

制备TiAlN复合涂层时，MAIP通常使用弧源发生器，利用瞬时高能电弧的发射物质原子轰击目标材料表面，同时通过氮气化学反应在表面形成Ti-Al-N原子排列的复合层。

相比于传统的物理气相沉积和磁控溅射等制备工艺，MAIP制备TiAlN涂层具有较高的沉积速度和良好的附着性，并能够控制涂层厚度和成分，可作为改进型覆盖层的备选项。

制备DLC涂层时，MAIP常常使用离子源发生器，利用工件表面的离子注入苯环等被镀涂原料来形成薄膜，随后在真空箱内制备硬质涂层，将单质石墨或者石墨相邻聚氢化碳等原材料形成离子束来进行物理沉积，最后通过化学反应使得形成的膜形成高碳和非金属元素化合物。

DLC涂层具有优异的低摩擦性、耐磨性和较高的化学惰性，适合用于恶劣工况下的摩擦副件。

2. MAIP制备的TiAlN和DLC涂层对线齿轮副摩擦学性能的影响2.1 TiAlN涂层对线齿轮副的影响（1）摩擦学性能Chunlei Liu等人使用MAIP技术制备不同厚度的TiAlN涂层，并将其用于线齿轮副表面。

多弧离子镀法制备tialnc涂层的微观结构TiAlN/C多层复合膜是一种具有良好性能的涂层，在热切削、干摩擦、高温氧化等环境下具有优异的磨损和腐蚀性能。

制备TiAlN/C涂层的多弧离子镀法是一种常用的工艺方法。

在制备TiAlN/C涂层时，多弧离子镀法通过控制工艺参数和材料选择，可以调控涂层的微观结构，进而影响其性能。

下面将详细介绍多弧离子镀法制备TiAlN/C涂层的微观结构。

首先，多弧离子镀法中的钛和铝靶材会受到高电流、高温和大气气氛中的反应导致弧放电。

在钛和铝靶材的弧放电下，生成的金属离子以高速带电粒子的形式引入到微弱真空中。

在引入的金属离子中，Ti离子和Al离子都是活泼的金属离子，易于与氮气反应生成TiNx和AlNx，其中x的值根据气氛和工艺参数可调节。

在反应过程中，TiAlN涂层主要由TiNx和AlNx组成。

其次，TiAlN涂层与底层的覆盖物反应会改变其结构和性能。

因此，在多弧离子镀法制备TiAlN/C涂层时，可以在底层覆盖一层C膜。

C膜是非晶态碳膜，具有高硬度、低摩擦系数和优异的耐磨性能等特点。

在制备多层复合膜时，通过在C层表面引入TiAlN层，形成TiAlN/C多层结构，可以使TiAlN/C涂层既具有C膜的优异性能，又能充分发挥TiAlN涂层的增粘性和抗蚀性能的优点。

TiAlN/C涂层的微观结构主要由两部分组成：表面的多晶TiAlN和底部的非晶态C膜。

多晶TiAlN主要由TiNx和AlNx组成，晶粒尺寸通常在10-100纳米之间，并具有较高的硬度和韧性。

该涂层的硬度主要取决于TiNx和AlNx的成分、晶粒尺寸和晶界结构等因素。

而非晶态C膜由非晶碳组成，碳的化学键以sp3和sp2杂化形式存在，具有高度的流动性和平滑性。

TiAlN/C涂层的成核和生长机制主要受到工艺参数的影响。

影响涂层成核和生长的主要参数包括离子能量、离子流密度、沉积温度等。

较高的离子能量和离子流密度可以促使Ti和Al离子在靶材表面释放更多的金属原子，进而增加TiAlN涂层的生长速率。

2006年10月重庆大学学报(自然科学版)Oc.t2006　第29卷第10期Jour nal of Chongqi n g Unive rsity(Nɑt u rɑl Sc i e nce Edition)V o.l29　No.10 文章编号:1000-582X(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:T G174.444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皎者,最早由苏联人开发,80年代初,美国的M u lti-A rc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[1],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10～10-1Pa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1～100μm;电流密度很高,可达105～107A/c m2.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、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-),男,湖南汉寿人,重庆大学讲师,硕士研究生,主要从事陶瓷材料的研究.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.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[2-6].主要影响因素分析:1)氮分压的影响[7-11].研究表明,如果提高氮分压则会改变Ti N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Ti N涂层的耐磨性.2)择优取向的影响因素[12-16].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[17-20].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Ti N涂层的性能.4)基体硬度影响[21].基体材料的硬度越高,Ti N涂层的结合力越好,选择含V量高的材料沉积Ti N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[22-23].由于T i N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原子的加入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的含量与薄膜硬度并不是完全的线形关系,实验表明:薄膜硬度随薄膜中AL的含量的增加呈先升后降的趋势.因此AL含量的确定是关键.另外,工艺因素对T i A l N涂层也有较大的影响. Ti A l N涂层的组成要受到N2分压、阴极弧流等的影响.4　多弧离子镀的应用自20世纪80年代以来,随着离子镀氮化钛超硬耐磨镀层工艺逐渐完善、镀膜质量的提高,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[24-27].4.1　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Ti N.经过Ti N涂层的高速钢刀具比没有涂层的高速钢刀具硬度提高2～3倍,镀Ti N后的高速钢刀具的摩擦系数大大降低,耐磨性大大提高,说明Ti N涂层具有一定的减摩作用.另外,经过Ti N涂层的高速钢刀具可以提高刀具的使用寿命1～5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都有广泛的应用.4.2　多弧离子镀膜技术在车辆零部件上的应用离子镀表面涂层技术可在以下场合应用于车辆零部件.1)在轴类零件的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的显微硬度,改善表面耐磨性,减小摩擦系数,从而降低表面磨损,延长零件使用寿命,还可降低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,使这些零件可在高温下工作,降低其冷却要求,可使大部分热量通过排出的气体带走,大大提高发动机的有效系数和经济性.如果不使用冷却系统,还可减小动力装置的重量和体积,并且有利于降低噪声.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)是多弧离子镀范畴内的一种薄膜制备方法,它可镀制出具有良好润滑性能的固体润滑膜.4.3　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达到理想的效果,这是因为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优点.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照相机的镜片托架、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,可满足产品使用要求.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)离子镀工艺镀制热障膜层.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N i C r A l Y热障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,取得了满意效果,并逐步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的优质复合膜层,正研究用于喷气发动机的叶片制造上.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N i C r A l Y涂层和压气56重庆大学学报(自然科学版) 2006年机叶片镀Ti N涂层等工艺.4.4　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,在高能量的离子轰击下,可使膜的致密度高,强度和耐久性好.特别是膜层和基体界面原子扩散,因此不仅膜的附着强度好,而且形成了一个有一定厚度的高硬度过渡层.涂层膜本身具有很高的硬度,最高达2000HV左右,故涂层膜和过渡层组成了稳定的耐磨损耐冲击强化区,这显著提高了冲模的耐磨性能和抗冲击疲劳性能.冲孔冲头经多弧离子镀Ti N涂层处理后,使用寿命比原冲头可提高5倍,可显著降低冲模的制造费用.4.5　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各种钟表表面Ti N装饰膜,充分利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的理想耐磨损和耐腐蚀的T i N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.当前,多弧离子镀是沉积Ti N装饰膜的最佳工艺,该技术具有较高的金属离化率和较高的离子能量,因而有利于提高涂层的均匀性和附着性.4.6　多弧离子镀膜技术在装饰上的应用目前很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,或富丽堂煌,其实这些都是多弧离子镀的杰作.多弧离子镀不仅膜层具有较好的耐磨性和耐蚀性,而且还可在多种材料(包括金属与非金属)上镀制,其色泽变化多样,十分丰富,这是传统的电镀等方法所不能比拟的.5　结　语多弧离子镀能获得普通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.离子镀工艺的可镀性极好,基体和镀材的限制很少,在各行各业多弧离子镀镀层的应用正在逐步扩大之中,并将占据越来越重要的地位.参考文献:[1]　胡传.表面处理技术手册[M].北京:北京工业大学出版社,1997.[2]　KAM AR N.Fa ilure M echanis m s o f T i N T hin F il m D iffusionBarriers[J].T hin Soli d F il m s,1988,164:417-420.[3]　M A TTAX D M.Pa rtic l e Bo m bard m ent E ffec ts on Th i n F il mDepo sition:A R ev ie w[J].J V ac Sci Technol,1989,17(3):1105-1110.[4]　TANAKA Y,GUR T M.P rope rties of(T i,XA IX)N Coat-ing for Cutti ng T oo ls P repared by the C athodic A rc Ion P lat-ing M e t hod[J].J V ac Sci T echno l,1992,10(4):1749-1756.[5]　WANG Y K,X I A L F,LEI T O,et a.l A Resea rch onM icro-structure and P roper ties o f(T i,A1)N Coa ting[J].Surf＆Coat Techno l,1995,72:71-75.[6]　SAN C HETTE F,CZERW IEC T.Sputt e ri ng o f A1-Cr andA l-T i Co m po sit e T arge ts in P ure A r and i n Reac tive A r-Cr P las m as[J].Su rf＆Coa t Technol,1997,96:184-190.[7]　曾凤章,徐新乐,吴玉广.多弧离子镀膜工艺的技术开发[J].北京工业大学学报,1999,19(1):127-132.[8]　周细应,万润根,陈凯旋.T i N涂层的正交设计工艺分析[J].热加工工艺,1996,(4):22-23.[9]　王福贞.表面沉积技术[M].北京:机械工业出版社,1989.[10]　薛钰芝,林纪宁,周立梅,等.氮分压对T i N离子镀层影响的研究[J].大连铁道学院学报,1998,19(1):25-29.[11]　严岱年.表面处理[M].南京:东南大学出版社,1996.[12]　周细应,万润根,陈凯旋.T i N涂层的工艺分析[J].南昌大学学报,1994,16(3):30-35.[13]　宫秀敏,叶卫平,孙伟,等.T i N涂层中的择优取向及其对涂层性能的影响[J].机械工程材料,2000,24(1):20-22. [14]　陈国平.薄膜物理与技术[M].南京:东南大学出版社,1993.[15]　黄子勋.电镀理论[M].北京:中国农业机械出版社,1982.[16]　宋人娟.多弧离子镀T i N低温涂层的研究[J].金属热处理,1994,(6):17-20.[17]　胡树兵.多弧离子镀T i N涂层在冲孔模上的应用[J].金属热处理,1997,(2):16-20.[18]　孙伟,宫秀敏,叶卫平,等.多弧离子镀沉积温度对T I N涂层性能的影响[J].电加工与模具,2000,(5):26-28.[19]　R IC HERBY D S,BULL S J.Engineering w it h Surface Coat-ing s:T he Ro l e o f Coati ng M icro struc t ure[J].Surf＆Coa tT echno l,1989,66:39-40.[20]　汪泓宏.离子束表面强化[M].北京:机械工业出版社,1992.[21]　孙伟,宫秀敏,叶卫平,等.基体材料硬度和化学成分对T i N涂层结合力的影响[J].金属热处理,2000,(8):13-14.[22]　熊仁章,夏立芳,雷廷权.工艺因素对T i A l N多元涂层成分的影响[J].兵器材料科学与工程,2000,23(5):55-58.[23]　王永康.T i0.5A l0.5N涂层的抗高温氧化行为[J].材料工程,2001,(1):12-14.[24]　吴玉广,任德亮,徐前.离子镀膜技术在制造业中的应用[J].航空制造技术,2003,(9):64-66.[25]　吴玉广,李荣雪.多弧离子镀技术在航天航空制造维修业中的应用实例[J].航空工程与维修,1999,(2):47-48.[26]　杨建宏.多弧离子镀技术在钟表行业中的应用[J].钟表,1994,(2):26-29.[27]　许樵府.离子镀在航空发动机中的应用[J].航空制造技术,2002,(7):71-72.(下转第68页)57第29卷第10期 姜雪峰,等:　多弧离子镀技术及其应用68重庆大学学报(自然科学版) 2006年Auto m ati c M eas uri ngM et hod of Eyegl ass Le ns PowerYANG B i n g-shang,LI A O Ha i-yang(Key Laborato r y ofOp t o e l e c tronic Technology and Syste m s,M inistr y o f Education,Chongqing Universit y,Chongqing400030,China)Abst ract:A m ethod of m easu ring eyeg lass lens po w er is proposed.A position detector and3bea m s o f r ay a r e used to m easure the pris m atic,sphe rical and asti g m atic po we rs.Based on t h e m ethod,an auto m a tic foci m e terw it h si m ple str uc-t u re can be deve loped.The m easure e rrors o f pris m atic and sphe rical po w ers are anal y zed,fr o m wh ich it is conc l u ded t h at t h e precision of the po sition de t e cto r is t h e key to the m ethod.K ey w ords:eyeg lasses;eyeg l a ss lens po w er;position detector;foci m eter(编辑　张小强)(上接第57页)Technology and Application ofM ulti-Arc Ion P l ati ngJI A NG Xue-feng,LI U Q i n g-ca i,W ANG Hai-bo(Srate Key Laboratory o fM echanical Trans m issions Chongqing Un i v ersit y,Chongqing400030,China)Abst ract:M ulti-A rc I on pla ting t e chno l o gy is an i m pr oved m ethod o f Ion plating and it is a su rface coa ting techno logy t h at uses arc as t h e founta i n of vaporizi n g.It p lats rapidly w ith fine-tissued coa.t It can be app lied to m any aspec ts such as high-rigidity coati n g of too ls and mould and decoration coati n g m o r e w i d ely and occupy a m o r e i m portant p lace.Th is paper introduces the pri n ciple and charac teristics o fmu lti-arc ion p lating,and on the concl u si o n o fm any st u dies and ex-peri m en ts done in the prev ious years,this paper also ana l y ses the deve lopm ent and applicati o n o fm ulti-arc ion plating techno l o gy in so m e areas.Itw illo ffer favorab l e reference for t h e study and applicati o n o fm u lti-arc ion pla ting techno logy i n future.K ey w ords:mu lti-arc ion plating;coating;Ti N(编辑　李胜春)。

磁控溅射和电弧离子镀技术和应用介绍薄膜/涂层制备技术 (磁控溅射和电弧离子镀)及应用雷浩薄膜/涂层的概念与特点概念：薄膜/涂层是一类用特殊方法获得的，依靠基体支撑并具有与基体不同的结构和性能的二维材料。

薄膜(Films)：厚度 < 1m,如光电功能薄膜等；涂层(Coatings)：厚度≥ 1m,如硬质涂层、防护涂层等。

薄膜/涂层特征： 1）厚度（纳米，微米，毫米） 2）有基体支撑（不是单独存在的） 3）特殊的结构和性能（与块体材料相区别） 4）特殊的形成方式薄膜/涂层的概念与特点与分类应用：光学薄膜、微电子薄膜、光电子学薄膜、集成电路薄膜、防护功能薄膜。

种类：（1）以材料种类划分：金属、合金、陶瓷、半导体、化合物、高分子薄膜等。

（2）以晶体结构划分：单晶、多晶、纳米晶、非晶（3）以厚度划分：纳米薄膜，微米薄膜和厚膜。

（4）以薄膜组成结构划分：多层薄膜，梯度薄膜，复合薄膜。

薄膜/涂层的种类及应用电子工业：电极、电阻膜、电介质膜、绝缘膜、透明导电膜、超导膜等。

光学工业：荧光膜、反射膜、增透膜、干涉膜等。

机械工业：硬化膜、耐热膜、耐腐蚀膜等。

? 能源工业：聚热膜、防反射膜、透射膜等。

? 传感器：热敏、气敏、压敏、氧气传感器、红外线传感器等。

? 其它：装饰膜等。

薄膜和涂层的制备方法湿式成膜干式成膜电镀化学镀微弧氧化溶胶-凝胶膜涂敷法（喷涂、甩胶、浸涂）热浸渗（化学热处理）、热扩散法电阻热蒸发物理气相沉积（PVD）真空蒸发镀溅射沉积电子束蒸发激光蒸发电弧离子镀化学气相沉积（CVD）等离子体增强CVD(PECVD) 辉光CVD，热丝CVD薄膜和涂层的制备方法热蒸发磁控溅射电弧离子镀物理气相沉积(PVD)定义：薄膜材料通过物理方法输运到基体表面代表技术：蒸发镀膜、溅射沉积、电弧离子镀、离子束辅助沉积、脉冲激光沉积、离子束沉积、团簇沉积等。

技术特点：沉积温度低、工作气压比较低磁控溅射 (Magnetron Sputtering)的介绍概念：利用气体放电产生的正离子在电场作用下轰击作为阴极的靶，使靶材中的原子（或分子）逸出并沉积到基板表面上形成所需要的膜。

多弧离子镀的发展及应用摘要：本文从多弧离子镀技术的提出及其引入国内为背景，回顾了多弧离子镀技术的发展历程，从基本原理、工艺设备以及镀膜特点和影响因素到多弧离子镀技术的发展前景以及应用。

关键词：多弧离子镀镀膜材料设备原理应用前言：自20世纪70年代以来，表面技术得到突飞猛进的发展，无论在学术上还是在实际应用中都取得了丰硕的成果。

离子镀技术是当今使用面最广、最先进的表面处理技术之一，而多弧离子镀更是其中的佼佼者[1]。

多弧离子镀技术是离子镀技术中的一种改进方法，将蒸发源作为阴极，真空壳体接地，阴极蒸发源与壳体之间产生弧光放电，工件基体与壳体之间产生辉光放电[2]，使阴极靶材蒸发离化，碰撞激发空间气体离子，产生空间等离子体，轰击、加热基体，最后沉积镀覆。

由于其蒸发源多，离化率高，一弧多用，膜层均匀，沉积速度快，膜层致密高，强度耐磨好等优点，被广泛应用于实际生产中[3]。

在改性材质使之超硬、耐磨、耐热研究上，多弧离子镀成为首选技术，如超硬度要求的冲孔冲模工件镀膜，高耐磨要求的航天用球轴承镀膜，高耐热要求的发动机涡轮叶片镀膜。

并由于膜层成分不一产生不同的色泽，使其在装饰、钟表行业上也得到进一步应用。

离子镀的发展20世纪80年代，多弧离子镀技术开始兴起，引进过后国内研究者首先对其工艺流程操作参数进行大量实验研究和应用探讨，发现多弧离子镀技术中存在靶材局部烧蚀，镀膜出现液滴等问题，提出外加磁场进行改进。

由于多弧离子镀阴极的材料熔点相对较低，故使其局限于某些低熔点金属作为镀膜，应用最多的则是在TiN等薄膜上，而后大量研究集中于TiN薄膜沉积制备的工艺上。

经实践和应用，TiN薄膜在高温下抗氧化、抗扩散能力和耐磨性能不足，一般通过添加其他元素改性或者进行多层化处理。

同时，还对多弧离子镀技术进行改进，采用脉冲偏压代替直流偏压，将离子渗透、离子浸没等手段与多弧离子镀结合起来进行复合镀膜。

基本原理、工艺及设备简介多弧离子镀的原理多弧离子镀的蒸发源结构如图，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。

多弧离子镀DLC 涂层的结构与力学性能文献综述1.1多弧离子镀概述1.1.1多弧离子镀概念多弧离子镀与一般的离子镀相比有很大区别。

多弧离子镀采用弧光放电，而不是传统离子镀的辉光放电以进行沉积。

简单说，多弧离子镀的原理就是将阴极靶作蒸发源，通过靶与阳极壳体之间的弧光放电，使靶材蒸发，从而在空间中形成等离子体，对基体进行沉积。

离子镀技术是结合了蒸发与溅射技术而发展的一种PVD 技术。

它对产品，特别是刃具之类的工具表面起着装饰和提高寿命的作用。

多弧离子镀最早起源于苏联，美国于1980 年由Multi-arc 公司引进，是上世纪80 年代兴起的高新表面处理技术，Multi-arc 公司推广并使之实用化，它的发明使薄膜技术进入了一个崭新的阶段。

在随后的几十年的时间里，该技术有了突飞猛进的发展。

至今欧美国家仍然大力发展多弧离子镀膜技术。

[1]1.1.2多弧离子镀的基本结构多弧离子镀的基本组成包括真空镀膜室，阴极弧源，基片，负偏压电源，真空系统等。

阴极弧源是多弧离子镀的核心，它所产生的金属等离子体自动维持阴极和镀膜室之间的弧光放电。

微小狐班在阴极靶面迅速徘徊，狐班的电流密度很大，电压为20V左右。

由于微弧能量密度非常大，狐班发射金属蒸汽流的速度可达到10 的8次方m/s.阴极靶本身既是蒸发源，又是离化源。

外加磁场可以改变阴极狐班在靶面的移动速度，并使狐班均匀，细化，以达到阴极靶面的均匀烧蚀，延长靶的使用寿命。

[1]在靶面前方附近形成的金属等离子体，有电子，正离子，液滴和中性金属蒸汽原子组成，由于金属蒸汽原子仅占很小部分（低于百分之二），因而在基片上沉积的粒子束流中几乎全部由粒子和液滴组成。

为了解释这种高度离化的过程，已建立了一种稳态的蒸发离化模型。

该模型认为，由于阴极狐班的能流密度非常大，在阴极的表面上形成微小熔池，这些微小熔池导致阴极靶材的剧烈蒸发。

热发射和场至发射共同导致电子发射，而且电子被阴极表面的强电场加速，以极高的速度飞离阴极表面，在大约一个均匀自由程之后，电子与中性原子碰撞，并使之离化，这个区域称之为离化区。