磁過濾真空陰極弧沉積技術制備及在刀具上的實驗

劉 敏 解 宇 孔凡讓

（①中國科學技術大學精密機械與精密儀器系，安徽合肥230027;②深圳市中天精密工具有限公司，廣東深圳 518101）

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展日進千里，于是對工件有了更高的要求，以期能夠在高溫、高壓、高速、高荷重及高腐蝕環(huán)境下工作。此時單一表面處理技術便受到了局限，而無法滿足嚴苛工作要求，于是出現(xiàn)了結合兩種或兩種以上的表面處理技術，被稱做復合表面技術或復合處理，透過這一種技術整合，希望獲得“1+1＞2”的效果。最具代表性的復合處理是工具鋼先進行離子氮化（Ion Nitriding）之后再進行硬膜被覆（Hard Coating）。這兩道工序有較高的兼容性（Compatibility），同樣依賴真空設備和等離子體輔助 （Plasma Assistance），因此讓制造過程簡化不少，也成為研究人員或設備制造廠家嘗試復合處理的試金石。

離子氮化后被覆硬膜的復合處理（Duplex Treatment或Duplex Coating）已被廣泛地運用在各種機軸、齒輪、軸承、鋼模、切削工具上。氮化是一種材料表面改質技術，藉由氮化處理后，工件表面可以得到高硬度，內(nèi)部則保持原有之韌性。而表面的化合物層及緊鄰其下的擴散層更可提高材料耐磨耗、耐腐蝕及耐疲勞等性能。另一方面，陶瓷膜和類金剛石碳膜是具有高硬度、高熔點、高化學穩(wěn)定性及低摩擦系數(shù)之材料，可藉由不同方法被覆于工件上，提高工件之表面硬度及耐磨耗性等，已廣泛地應用于模具及刀具上。結合上述兩方法，藉由離子氮化產(chǎn)生一個足夠厚的氮化層，再被覆一層薄、硬且抗磨耗的陶瓷或類金剛石層，其中氮化層對硬膜提供良好的支持性，在工件受負荷時，承受從硬膜所傳下來的應力，增強了鋼材對硬膜的負荷承載度。因此復合處理在商業(yè)上已有許多應用，其潛力更不可限量。

1 沉積要點、陰極電弧沉積技術與微粒形成

沉積高質量薄膜關鍵在于兩點，即入射原子或分子的能量，以及不同晶體結構組成的涂層與基體之間的應力。入射原子或分子的活化能可以通過增大襯底溫度或在基板上加負偏壓來加強，即提高離子在陰極弧系統(tǒng)內(nèi)的速度。涂層的結合力可以通過沉積過渡層來提高，例如等離子體浸沒式離子注入（PIII）技術中使用了數(shù)千伏的脈沖負偏壓制備這類過渡層。為了增加涂層的結合力和厚度，可以在磁控濺射過程中把溫度提高到幾百攝氏度，或在使用陰極電弧沉積時，施加幾百伏的負偏壓到基板上。

陰極電弧沉積技術是一種以離子為沉積來源的鍍膜技術，其優(yōu)點具有高硬度、高致密性與高沉積速度等，也是硬質薄膜制備方法中相當成熟且適合量產(chǎn)的技術，但最大的缺點卻是薄膜中夾雜大量的微粒及微孔隙。因此薄膜表面粗糙且造成許多缺陷，雖然簡易的冶金鍍膜和基礎的工件保護可以忽略此缺陷，但在精密的工業(yè)制造或學術研究就不容許這些缺陷的產(chǎn)生。

微粒形成主要因素為靶材表面因電弧所產(chǎn)生的熔融態(tài)所造成，當熔融態(tài)在離開靶材表面時會因為碰撞到電弧而爆炸形成離子化，但是并不是所有的熔融態(tài)都可以完全離子化，此時熔融態(tài)就會直接沉積于基材上，使薄膜出現(xiàn)許多微粒;然而微孔隙的形成主因則是受到微粒的影響，當微粒附著在基材表面時，會因薄膜的成長促使微粒不斷地向上推，最后因附著性不佳而掉落，便形成微孔隙。因此，微粒及微孔隙的產(chǎn)生就目前而言，靶材種類、電弧源及制備參數(shù)等都是影響因素。以靶材而言，靶材的熔點越高，熔融態(tài)形成越不易，微粒的大小及數(shù)量都會有所影響;若為同一靶材而言，微粒的大小及數(shù)量則受到電弧電流、靶材磁場、靶材大小及形狀、氣體種類與流量、腔體壓力及基材偏壓等因素所影響。

為了避免微孔，要求刀具的基材必須不斷拋光并使用高純度鋼。這無疑增加了負擔和制造成本，也使得某些技術手段無法工業(yè)化。在本文中，我們研究了如何在利用陰極弧沉積制備鈦氮氧化物薄膜時避免電弧所產(chǎn)生的微孔隙以及微顆粒。通過將刀具樣品放置在等電位金屬屏蔽網(wǎng)罩內(nèi)的方式，達到減少電弧的目的。

2 實驗細節(jié)與結果

使用全自動等離子體離子注入沉積設備進行了概念驗證試驗，見圖1。該裝置主要包括等離子體發(fā)生系統(tǒng)，不銹鋼真空腔體，靶臺及相關電源。該腔體的極限真空度為1.33×10－5Pa，最大注入電壓可達100 kV，內(nèi)部裝有1 mm厚的X射線屏蔽裝置。此設備包括一個不銹鋼等離子擴散室（800 mm×1 000 mm）。真空室的水冷和鉛屏蔽使得即使運行100 kV的高壓也是安全的。射頻（頻率13.56 MHz）功率從0～2 kW，通過一個安裝在真空室頂部的直徑為600 mm的環(huán)形天線耦合進真空室。負高電壓脈沖通過陶瓷高壓引線接到旋轉的水冷金屬樣品臺（20 r/min）上。用于產(chǎn)生金屬離子的磁過濾真空陰極?。‵CVA）系統(tǒng)安裝在側壁。該系統(tǒng)是在脈沖模式下工作的，觸發(fā)電壓為12 V，電弧電流的峰值400 A，脈沖寬度0.2～5 ms，最高頻率為100 Hz。高電壓脈沖可以同步進行純金屬離子注入。

磁過濾真空陰極弧產(chǎn)生的鈦離子在刀具表面形成了氮氧化鈦膜。實驗裝置的原理圖如圖2a所示。實驗用的刀具樣品是將立方氮化硼焊接在鋼鐵基底上構成的，這些樣品被雙面導電膠帶粘在金屬圓臺上。圓臺通過支撐桿放置在靠近陰極弧出口的地方，以提高鈦的沉積率，如圖2b。

我們進行了一系列實驗。在第1組實驗中，在室溫下進行了3 h的沉積。真空室先抽到2.7×10－3Pa的氣壓，提供流量為4 sccm（Standard－state Cubic Centimeter per Minute）的氬氣到鈦陰極，以產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧，同時通過另一氣路提供100 sccm的氮氣。工作壓力為2.4×10－1Pa。電弧由強度為12.6 kV、頻率10 Hz與脈寬為3 ms的脈沖源觸發(fā)。應用10 A的電流于過濾管道，產(chǎn)生約180高斯的約束磁場。

在第2組實驗中，200 V的負直流偏壓通過樣品臺施加于刀具上。但是，刀具的鋼制基底非常粗糙，因此在－200 V偏壓下會產(chǎn)生嚴重的電弧。為了避免電弧破壞的沉積鈦膜，樣品被放進半球形的金屬網(wǎng)罩內(nèi)，如圖3所示。金屬網(wǎng)的內(nèi)部是等電位的，任何尖銳邊界或粗糙表面引起的電場都會被平滑掉。其他的參數(shù)與第1組實驗使用的完全相同。

圖4顯示了刀具表面在常溫無偏壓下形成的涂層外觀。尖角的表面顯示了金黃的顏色，這意味著成功沉積了氮氧化鈦薄膜，而且尖端表面無裂紋。薄膜的化學狀態(tài)，由X射線光電子能譜來確認，設定步長為0.1 eV，通過能量為11.75 eV。XPS能譜揭示了以下組成:鈦為50%，氧為40%，氮為10%。尖角的表面在XPS分析之前用氬離子刻蝕了20 nm。圖5所示是X射線光電能譜（XPS）分析結果。從圖中可看出，涂層表面含有鈦、氧和氮，表明成功沉積了鈦氮氧化物。

3 結語

描述了一種可以在室溫下沉積氮氧化鈦薄膜于高端刀具材料上，而且無電弧的方法。鈦金屬離子由磁過濾陰極真空弧源產(chǎn)生，為了避免沉積過程中負偏壓帶來的電弧，將刀具放置在一個等電位的半球金屬網(wǎng)內(nèi)。進行了一系列概念驗證試驗，其結果證實，在直流偏壓－200 V下電弧可以完全消除。X射線光電子能譜的分析表明成功地沉積了鈦氮氧化物薄膜。

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