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隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)在生產(chǎn)中起著越來越重要的作用。而機(jī)械零件表面的腐蝕問題，對機(jī)械制造行業(yè)來說是一個(gè)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(jī)械制造業(yè)的一大關(guān)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(shù)有很多缺點(diǎn)，例如：涂層的結(jié)合力差，易脫落；涂層與基體材料之間有較大的熱膨脹系數(shù)差異，涂層易開裂等。這些缺點(diǎn)限制了它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。目前，國內(nèi)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(shù)，而真空離子鍍膜技術(shù)則是其中一種新型的技術(shù)。

一、什么是真空離子鍍膜技術(shù)

真空離子鍍膜技術(shù)（簡稱離子鍍）最早由D. M. Mattox于1963年提出并付諸實(shí)踐，是蒸發(fā)和濺射相結(jié)合的一種鍍膜技術(shù)。它以離子的轟擊為基礎(chǔ)，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(xué)沉積的金屬或半導(dǎo)體薄膜沉積到基底表面，從而獲得具有特定結(jié)構(gòu)和性能的薄膜的技術(shù)。

離子鍍膜的作用過程是將蒸發(fā)源接陽極，工件接陰極，當(dāng)通以三至五千伏高壓直流電以后，蒸發(fā)源與工件之間產(chǎn)生弧光放電。由于真空罩內(nèi)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(fù)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(jìn)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(dāng)拋鍍于工件表面上的蒸發(fā)料離子超過濺失離子的數(shù)量時(shí)，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(fù)零件上的內(nèi)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(bǔ)工件表面的微小裂紋和麻點(diǎn)等缺陷，故可有效地改善被鍍零件的表面質(zhì)量和物理機(jī)械性能。疲勞試驗(yàn)表明，如果處理得當(dāng)，工件疲勞壽命可比鍍前提高20%~30%。

圖 1 真空離子鍍膜技術(shù)原理示意圖

二、真空離子鍍膜的特點(diǎn)

與蒸發(fā)和濺射相比，離子鍍具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）鍍層附著性能好

普通真空鍍膜時(shí)，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(shí)，離子高速轟擊工件時(shí)，能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴(kuò)散層，離子鍍的界面擴(kuò)散深度可達(dá)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(kuò)散層，能有效改善膜層附著性能。

（2）繞鍍能力強(qiáng)

離子鍍時(shí)，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(yùn)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(fù)零件上的內(nèi)孔、凹槽和窄縫等其他方法難鍍的部位。

（3）鍍層質(zhì)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(fù)，螺紋一類的零件也能鍍復(fù)，有高硬度、高耐磨性（低摩擦系數(shù)）、很好的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，膜層的壽命更長；同時(shí)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(xiàn)有鍍膜工藝，多數(shù)均要求事先對工件進(jìn)行嚴(yán)格清洗，過程較為負(fù)責(zé)。而離子鍍過程中，利用輝光放電所產(chǎn)生的大量高能粒子對表面產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)，對基片表面吸附的氣體和油污進(jìn)行濺射清洗，使基片表面凈化，直至整個(gè)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(zhuǎn)換成熱能，從而促進(jìn)了表層組織的擴(kuò)散作用和化學(xué)反應(yīng)，且工件并未受到高溫的影響。因此這種鍍膜工藝的應(yīng)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(diǎn)材料等均可鍍復(fù)。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(xiàn)了許多種蒸發(fā)源離子鍍的方法，常見的有根據(jù)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(jìn)行濺射而產(chǎn)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(dá)施加負(fù)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(chǎn)生金屬蒸汽，將其引入以各種方式激勵產(chǎn)生的氣體放電空間中使之電離成金屬離子，它們到達(dá)施加負(fù)偏壓的基片上沉積成膜。

其中蒸發(fā)型離子鍍根據(jù)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(chǎn)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(dǎo)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(chǎn)生等離子電子束。空心陰極離子鍍特點(diǎn):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(shù)百伏的加速電壓，離化和離子加速獨(dú)立操作;③能良好地進(jìn)行反應(yīng)性離子鍍;④基材溫升小，鍍膜時(shí)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)中最高。

工作原理為：帶有正電位的引弧針（陽極）靠近帶有負(fù)電位的靶材（陰極），陰陽兩極距離足夠小時(shí)，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(shí)，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(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dāng)電子到達(dá)陽極時(shí)，離子將不會到達(dá)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(dá)微米級。根據(jù)E=U/d，可知此時(shí)空間中的電場強(qiáng)度極高，這種極強(qiáng)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(dǎo)通，于是在靶面附近產(chǎn)生電弧。電弧會使靶材發(fā)生蒸發(fā)，同時(shí)正離子會被陰極靶面吸引，使得正離子轟擊靶表面，產(chǎn)生濺射。由于不論蒸發(fā)還是濺射出的膜層粒子都需要經(jīng)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(dá)工件處的粒子絕大多數(shù)為離子態(tài)。工件處一般會加有負(fù)偏壓，于是正離子受到電場力作用飛向工件，并對工件產(chǎn)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(zhì)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(yīng)用廣泛，可以用于日常用品、工藝品、航天航空以及光學(xué)器件等各類工業(yè)產(chǎn)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(dǎo)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(xiàn)之間存在一定的關(guān)系，因此需要根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇合適的材料進(jìn)行處理。