２００６年１０月重庆大学学报（自然科学版）
Ｏｃｔ．２００６第２９卷第１０期
ＪｏｕｍａｌｏｆＣｈｏｎｇｑｉｎｇｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮＱｔｕｒＱｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．２９
Ｎｏ．１０
文章编号：１０００一５８２Ｘ（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：ＴＧｌ７４．４４４
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
离化率蒸发沉积于基片表面形成膜层．阴极弧斑的运２０世纪６０年代初发展起来的新型薄膜制备技术．多动方向和速度受磁场的控制，适当的磁场强度可以使弧离子镀属于离子镀的一种改进方法，是离子镀技术弧斑细小、分散，对阴极表面实现均匀刻蚀．
中的皎皎者，最早由苏联人开发，８０年代初，美国的
多弧离子镀的基本原理就是把金属蒸发源（靶
Ｍｕｌｔｉ＿Ａｒｃ公司首先把这种技术实用化．
源）作为阴极，通过它与阳极壳体之间的弧光放电，使
１多弧离子镀的原理
靶材蒸发并离化，形成空间等离子体，对工件进行沉积镀覆．
多弧离子镀的蒸发源结构如图１所示…，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ｌＯ一１０—Ｐａ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１～１００斗ｍ；电流密度很高，可达１０５—
图１阴极强制冷却多弧离子镀结构示意图
１０
７
Ａ／ｃｍ２．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２多弧离子镀的特点
附近，金属离子形成空间电荷，又建立起弧斑产生的条多弧离子镀是２０世纪７０年代开始研究的一种新件，产生新的弧斑，众多的弧斑持续产生，保持了电弧的物理气相沉积工艺，这种工艺的特点如下：
总电流的稳定．阴极材料以每一个弧斑６０％～９０％的
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（１９７４一），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．
万方数据
５６
重庆大学学报（自然科学版）
２００６年
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拉山Ｊ．
主要影响因素分析：１）氮分压的影响一。１¨．研究表明，如果提高氮分压则会改变ＴｉＮ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ＴｉＮ涂层的耐磨性．２）择优取向的影响因素¨卜１６Ｊ．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Ⅲ锄Ｊ．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．４）基体硬度影响∞¨．基体材料的硬度越高，ＴｉＮ涂层的结合力越好，选择含Ｖ量高的材料沉积ＴｉＮ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忙２。２３１．由于ＴｉＮ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原子的加人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ＴｉＡｌＮ涂层也有较大的影响．ＴｉＡｌＮ涂层的组成要受到Ｎ：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ＴｉＮ．经过ＴｉＮ涂层的高速钢刀具比没有涂层的高速钢刀具硬度提高
万方数据
２～３倍，镀ＴｉＮ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ＴｉＮ涂层具有一定的减摩作用．另外，经过ＴｉＮ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ＮｉｃｒＡｌＹ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ＮｉＣｒＡｌＹ涂层和压气
第２９卷第１０期姜雪峰，等：多弧离子镀技术及其应用
５７
机叶片镀ＴｉＮ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２
０００
ＨＶ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ＴｉＮ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ＴｉＮ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ＴｉＮ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ＴｊＮ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．
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．
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（下转第６８页）
４．６多弧离子镀膜技术在装饰上的应用
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重庆大学学报（自然科学版）
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（编辑张小强）
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（上接第５７页）
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（编辑李胜春）
万方数据
多弧离子镀技术及其应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
姜雪峰， 刘清才， 王海波， JIANG Xue-feng， LIU Qing-cai， WANG Hai-bo重庆大学,机械传动国家重点实验室,重庆,400030
重庆大学学报（自然科学版）
JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)2006,29(10)4次
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