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隨著科學技術的飛速發(fā)展，機械制造業(yè)在生產中起著越來越重要的作用。而機械零件表面的腐蝕問題，對機械制造行業(yè)來說是一個重大的問題。因此，如何提高零件表面硬度、耐磨性、耐腐蝕性等性能是機械制造業(yè)的一大關鍵。在零件表面涂覆涂層是提高其性能最常用的方法之一，但是涂層技術有很多缺點，例如：涂層的結合力差，易脫落；涂層與基體材料之間有較大的熱膨脹系數差異，涂層易開裂等。這些缺點限制了它在實際生產中的應用。目前，國內外研究和開發(fā)出了多種方法來解決上述問題。其中利用物理氣相沉積法（PVD）是一種很有發(fā)展前途的技術，而真空離子鍍膜技術則是其中一種新型的技術。

一、什么是真空離子鍍膜技術

真空離子鍍膜技術（簡稱離子鍍）最早由D. M. Mattox于1963年提出并付諸實踐，是蒸發(fā)和濺射相結合的一種鍍膜技術。它以離子的轟擊為基礎，通過將被鍍膜材料或工件加熱到熔融狀態(tài)，利用高能離子轟擊將化學沉積的金屬或半導體薄膜沉積到基底表面，從而獲得具有特定結構和性能的薄膜的技術。

離子鍍膜的作用過程是將蒸發(fā)源接陽極，工件接陰極，當通以三至五千伏高壓直流電以后，蒸發(fā)源與工件之間產生弧光放電。由于真空罩內充有惰性氬氣，在放電電場作用下部分氬氣被電離，從而在陰極工件周圍形成一等離子暗區(qū)。帶正電荷的氬離子受陰極負高壓的吸引，猛烈地轟擊工件表面，致使工件表層粒子和臟物被轟濺拋出，從而使工件待鍍表面得到了充分的離子轟擊清洗。隨后，接通蒸發(fā)源交流電源，蒸發(fā)料粒子熔化蒸發(fā)，進入輝光放電區(qū)并被電離。帶正電荷的蒸發(fā)料離子，在陰極吸引下，隨同氬離子一同沖向工件，當拋鍍于工件表面上的蒸發(fā)料離子超過濺失離子的數量時，則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。

離子鍍的鍍層組織致密、無針孔、無氣泡、厚度均勻，這種方法非常適合于鍍復零件上的內孔、凹槽和窄縫等其他方法難鍍的部位，且不致形成金屬瘤。由于這種工藝方法還能修補工件表面的微小裂紋和麻點等缺陷，故可有效地改善被鍍零件的表面質量和物理機械性能。疲勞試驗表明，如果處理得當，工件疲勞壽命可比鍍前提高20%~30%。

圖 1 真空離子鍍膜技術原理示意圖

二、真空離子鍍膜的特點

與蒸發(fā)和濺射相比，離子鍍具有以下幾個特點：

（1）鍍層附著性能好

普通真空鍍膜時，在工件表面與鍍層之間幾乎沒有連接的過渡層。而離子鍍時，離子高速轟擊工件時，能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴散層，離子鍍的界面擴散深度可達四至五微米。在鍍膜初期，濺射與沉積并存，可在膜基界面行程組分過渡層或膜材與基材的成分混合層，稱之為偽擴散層，能有效改善膜層附著性能。

（2）繞鍍能力強

離子鍍時，蒸發(fā)料粒子是以帶電離子的形式在電場中沿著電力線方向運動，因而凡是有電場存在的部位，均能獲得良好鍍層，這比普通真空鍍膜只能在直射方向上獲得鍍層優(yōu)越得多。因此，這種方法非常適合于鍍復零件上的內孔、凹槽和窄縫等其他方法難鍍的部位。

（3）鍍層質量好

離子鍍的鍍層組織致密、無針孔、無氣泡、厚度均勻。甚至棱面和凹槽都可均勻鍍復，螺紋一類的零件也能鍍復，有高硬度、高耐磨性（低摩擦系數）、很好的耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性等特點，膜層的壽命更長；同時膜層能夠大幅度提高工件的外觀裝飾性能。

（4）簡化清洗過程

現有鍍膜工藝，多數均要求事先對工件進行嚴格清洗，過程較為負責。而離子鍍過程中，利用輝光放電所產生的大量高能粒子對表面產生陰極濺射效應，對基片表面吸附的氣體和油污進行濺射清洗，使基片表面凈化，直至整個鍍膜過程完成，簡化了大量的鍍前清洗工作。

（5）可鍍材料廣泛

離子鍍是利用高能離子轟擊工件表面，使大量的電能在工件表面轉換成熱能，從而促進了表層組織的擴散作用和化學反應，且工件并未受到高溫的影響。因此這種鍍膜工藝的應用范圍較廣，受到的局限性則較小。通常，各種金屬、合金以及某些合成材料、絕緣材料、熱敏材料和高熔點材料等均可鍍復。即可在金屬工件上鍍非金屬或金屬，也可在非金屬上鍍金屬或非金屬，甚至可鍍塑料、橡膠、石英、陶瓷等。

三、真空離子鍍膜分類

不同的蒸發(fā)源和不同原子的電離與激發(fā)的方式有多種組合，因此出現了許多種蒸發(fā)源離子鍍的方法，常見的有根據膜層粒子的獲得方式，離子鍍可分為濺射型離子鍍和蒸發(fā)型離子鍍。

1、濺射型離子鍍

通過采用高能離子對膜材表面進行濺射而產生金屬粒子，金屬粒子在氣體放電空間電離成金屬離子，它們到達施加負偏壓的基片上沉積成膜。

2、蒸發(fā)型離子鍍

通過各種加熱方式加熱鍍膜材料，使之蒸發(fā)產生金屬蒸汽，將其引入以各種方式激勵產生的氣體放電空間中使之電離成金屬離子，它們到達施加負偏壓的基片上沉積成膜。

其中蒸發(fā)型離子鍍根據放電原理不同又可分為直流二級型離子鍍、空心陰極離子鍍、熱絲弧離子鍍以及陰極電弧離子鍍等。直流二級離子鍍，是穩(wěn)定的輝光放電；空心陰極離子鍍與熱絲弧離子鍍，是熱弧光放電，產生電子的原因均可簡單概括為金屬材料由于被加熱到很高的溫度，導致核外電子的熱發(fā)射；陰極電弧離子鍍的放電類型與前面幾種離子鍍的放電類型均不相同，它采用的是冷弧光放電。

（1）空心陰極離子鍍（HCD）

利用空心熱陰極放電產生等離子電子束。空心陰極離子鍍特點:①HCD空心陰極槍既是膜料氣化的熱源又是蒸發(fā)粒子的離化源，離化方式是利用低壓電子束碰撞;②用0V 至數百伏的加速電壓，離化和離子加速獨立操作;③能良好地進行反應性離子鍍;④基材溫升小，鍍膜時還要對基材加熱;⑤離化效率高，電子束斑較大，各種膜都能鍍。

圖 2 空心陰極離子鍍膜結構示意圖

（2）陰極電弧離子鍍

陰極電弧離子鍍是目前主流離子鍍膜技術的集大成者，它采用冷弧光放電，膜層粒子離化率在眾多PVD鍍膜技術中最高。

工作原理為：帶有正電位的引弧針（陽極）靠近帶有負電位的靶材（陰極），陰陽兩極距離足夠小時，兩極間的氣體會被擊穿，形成弧電流，這與電焊的引弧相類似。此時，部分N2發(fā)生離化，形成氮的陽離子以及電子。受到電場力的吸引，接下來氮的陽離子會向飛向陰極即靶材附近，而電子則會飛向引弧針，但是由于離子的質量遠遠大于電子，因此在受到相同電場力的情況下，電子的移動距離會大于陽離子的移動距離，于是當電子到達陽極時，離子將不會到達陰極靶面，而是在距離靶面較近的位置處富集，形成正離子堆積層。陽離子與陰極靶面的距離很小，可達微米級。根據E=U/d，可知此時空間中的電場強度極高，這種極強的電場會把靶材中的電子拖拽出來。被拖拽出的電子從陰極靶面飛向正離子堆積層，形成電流，堆積層與靶面被導通，于是在靶面附近產生電弧。電弧會使靶材發(fā)生蒸發(fā)，同時正離子會被陰極靶面吸引，使得正離子轟擊靶表面，產生濺射。由于不論蒸發(fā)還是濺射出的膜層粒子都需要經過正離子堆積層，并且在其飛出陰極靶面的過程中，膜層粒子會受到靶面處電弧的作用，因此到達工件處的粒子絕大多數為離子態(tài)。工件處一般會加有負偏壓，于是正離子受到電場力作用飛向工件，并對工件產生轟擊，這種轟擊會提高膜層的附著力，并使得磨蹭致密，這對于改善膜層質量是十分有益的。

圖 3 陰極電弧離子鍍示意圖

四、真空離子鍍材料選擇

離子鍍應用廣泛，可以用于日常用品、工藝品、航天航空以及光學器件等各類工業(yè)產品的覆鍍。主要包括：

金屬材料：如銅、銀、金、鉻、鎳、鈷等。

陶瓷材料：如氧化鋁、氧化鋯等。

塑料材料：如聚酰胺、聚碳酸酯等。

玻璃材料：如玻璃、石英等。

半導體材料：如硅、鍺等。需要注意的是，離子鍍的材料選擇與性能表現之間存在一定的關系，因此需要根據具體應用場景選擇合適的材料進行處理。