磁控濺射在金屬表面強(qiáng)化中的應(yīng)用

王藝霖

摘要：磁控濺射是在近似真空的環(huán)境下，利用低壓氣體放電產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下轟擊靶材，使濺射出來(lái)的原子沉積在基片上的過(guò)程。它有低溫、高速、低損傷的特點(diǎn)，且鍍膜的質(zhì)量高。該技術(shù)用于許多領(lǐng)域，例如光學(xué)、電子通訊等。金屬表面強(qiáng)化是降低金屬損耗，增加金屬材料壽命，降低成本的重要技術(shù)。本文在描述磁控濺射與金屬表面強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了磁控濺射在金屬表面強(qiáng)化中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：磁控濺射 表面強(qiáng)化 鋁合金強(qiáng)化 鎂合金強(qiáng)化

濺射技術(shù)從1852年格洛夫（Grove）發(fā)現(xiàn)陰極濺射開始發(fā)展，上世紀(jì)80年代到現(xiàn)在，磁控濺射技術(shù)已經(jīng)在表面技術(shù)領(lǐng)域有了舉足輕重的地位。

濺射鍍膜是在真空室中，利用氣體在低壓環(huán)境中的放電現(xiàn)象，使其產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)的作用下加速轟擊靶材表面，使濺射出來(lái)的原子（分子）沉積在基片上。而磁控濺射鍍膜技術(shù)更是具有高速、低溫、低損傷的特點(diǎn)，而且可用于制備的靶材料種類更多。其應(yīng)用也十分廣泛。面光整加工技術(shù)、表面涂層制備、金屬表面合金化等，都是磁控濺射鍍膜的應(yīng)用[1]。

一、磁控濺射制備薄膜

（一）基本原理

磁控濺射是指電子在電場(chǎng)的作用下飛向基片，在過(guò)程中與Ar原子碰撞，將它們電離成Ar離子和新電子，新電子飛向基片，Ar離子飛向陰極靶，轟擊靶的表面，使靶材發(fā)生濺射。沉積中性的靶原子（分子）形成薄膜，產(chǎn)生的電子在場(chǎng)的作用下漂移，電離出大量的Ar離子轟擊靶材，這極大地提高了濺射的效率[2]。

（二）工作流程

所有磁控濺射鍍膜的過(guò)程都可以歸納為三步：

1.產(chǎn)生所需粒子

2.將產(chǎn)生的粒子運(yùn)輸?shù)交?/p>

3.讓粒子在基片表面生成連續(xù)性薄膜。

從薄膜生長(zhǎng)的角度來(lái)看，磁控濺射鍍膜可以分為兩種流程：

1.濺射—成核、生長(zhǎng)—成膜

2.濺射—半成膜—熱處理—成核、生長(zhǎng)—成膜

（三）主要特點(diǎn)

相比較于傳統(tǒng)的鍍膜方式，磁控濺射鍍膜可以用作靶材的材料很多，基本上所有的金屬材料、合金材料、陶瓷材料都可以用。磁控濺射還可以同時(shí)進(jìn)行多種靶材的共同濺射，使鍍上的合金膜比例更加精確。

普通的濺射技術(shù)只有電場(chǎng)的作用，在經(jīng)過(guò)多次能量傳遞之后，電子因能量不足只能直接落在基片上。而磁控濺射施加了磁場(chǎng)，因此電子也受到洛倫茲力的約束，運(yùn)動(dòng)軌跡從直線變?yōu)閿[線，這樣增加了高速電子與Ar原子碰撞的可能性，從而增加了Ar原子的電離程度，這降低了對(duì)氣壓的要求，Ar離子在電場(chǎng)的加速下轟擊目標(biāo)表面，使其表面上更多的原子（分子）濺出并飛向基片，在基片上沉淀形成薄膜，由于電子的能量殘留較低，落在基片后引起的溫度變化不明顯，因此這項(xiàng)技術(shù)擁有“高速低溫”的特點(diǎn)。

磁控濺射的局限性主要有：輝光放電期間產(chǎn)生的電子和氣體電離過(guò)程中產(chǎn)生的二次原子，會(huì)被磁場(chǎng)束縛在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，且隨著距離的增加，電子的濃度降低，因此，基片只能放置在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，基片的尺寸因此受到了限制；同時(shí)此過(guò)程中被轟擊而脫離靶材原子的速度因反復(fù)的能量轉(zhuǎn)移而明顯下降，從而導(dǎo)致鍍層與基片之間的粘著力不高的缺點(diǎn)。

二、金屬表面強(qiáng)化方法對(duì)比

（一）常用方法及基本原理

金屬表面強(qiáng)化工藝主要是分為化學(xué)熱處理、高密度能量表面淬火強(qiáng)化、表面形變強(qiáng)化、表面覆層強(qiáng)化、復(fù)合表面強(qiáng)化等方法[3]。

（二）常用方法特點(diǎn)

1.化學(xué)熱處理

該工藝按照滲入劑在化學(xué)熱處理爐內(nèi)的物理狀態(tài)分類可以分為固體滲、液體滲、氣體滲、固體滲的方法比較簡(jiǎn)便，但是生產(chǎn)效率比較低。氣體滲對(duì)于所用的滲劑有一定的要求，它必須能易于分解為活性原子、經(jīng)濟(jì)、易控制、無(wú)污染、深層性能較好。

2.高密度能量表面淬火強(qiáng)化

該工藝具有工序簡(jiǎn)單、過(guò)程迅速、零件形變微小、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)。但它的缺點(diǎn)也比較明顯.電子束加熱淬火雖然能耗低、零件形變小，但是設(shè)備成本比較高、技術(shù)要求復(fù)雜；高頻沖擊感應(yīng)加熱對(duì)零部件精度要求極高。現(xiàn)在廣泛使用的是激光淬火表面強(qiáng)化。

3.表面形變強(qiáng)化

該工藝能顯著提高高周疲勞性能，而且材料的強(qiáng)度越高效果越顯著 有缺口件的效果高于光滑件，而且耗能少，成本低。

4.表面覆層強(qiáng)化

該技術(shù)主要分為熱噴涂和氣相沉積技術(shù)。熱噴涂又主要分為火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂?；鹧鎳娡吭O(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，但它的噴射速度慢，粘合強(qiáng)度也不高；等離子噴涂的焰流溫度可以達(dá)到10000℃以上，能噴涂基本上所有的固態(tài)工程材料。氣相沉積主要分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積，兩者都是在不斷發(fā)展并且被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。

三、磁控濺射在金屬?gòu)?qiáng)化中的典型應(yīng)用

（一）軸承鋼

軸承鋼是一種十分重要的的冶金產(chǎn)品，在制造柴油機(jī)油泵的精密部件、滾動(dòng)軸承的精密量具、機(jī)床絲杠、滾珠等具有的廣泛的應(yīng)用。因?yàn)檩S承工作環(huán)境相對(duì)苛刻，因此軸承鋼的原材料要求十分嚴(yán)格。摩擦和磨損是軸承鋼的主要失效原因之一。而磁控濺射鍍膜則可以極大幅度地改善鋼材的性能，提高它的耐磨能力，比如較常見(jiàn)的鈦膜[4]。

（二）鋁合金

鋁合金現(xiàn)在在航空航天、電子信息、能源等領(lǐng)域具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但鋁箔的綜合性能有時(shí)不盡如人意，原因就在于它的硬度和光澤度都比較低。而且，鋁箔的表面微觀組織并不特別均勻。因此，提高其整體性能尤為重要。在眾多鍍膜處理工藝之中，磁控濺射鍍膜可以大面積地在基體材料上沉積薄膜，且薄膜沉積得十分均勻，因此可以制作各種功能的薄膜[5]。

（三）鎂合金

鎂合金的耐蝕性比較差，而且因此它在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用收到了極大的限制。而對(duì)電偶腐蝕的敏感性則是耐蝕性差的主要原因。因?yàn)殒V合金在溫度超過(guò)100℃時(shí)，它的抗蠕變性和強(qiáng)度會(huì)大幅度下降。而磁控濺射可以在較低溫度下沉積各種功能的薄膜，所以在這方面的研究也是最多的。磁控濺射在鎂合金表面沉積薄膜現(xiàn)在仍在不斷的研究發(fā)展過(guò)程當(dāng)中[6]。

（四）其他

磁控濺射在在其它材料表面沉積薄膜的應(yīng)用也十分廣泛。比如在玻璃上沉積制備金屬鎳薄膜，可以解決化學(xué)電度法危害環(huán)境、不均勻、附著性差的問(wèn)題；在制造業(yè)輕量化和精密化的事業(yè)當(dāng)中，磁控濺射也是發(fā)揮著不可替代的作用它可以根據(jù)不同環(huán)境中設(shè)計(jì)不同功能的膜層，成倍地提高了材料的性價(jià)比。

四、總結(jié)與展望

總之，磁控濺射因?yàn)槠涞蜏?、高速、低損傷和鍍膜質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)而成為工業(yè)鍍膜的主要方式之一，其種類也越來(lái)越多，非平衡磁濺射、多靶閉合式非平衡磁控濺射、中頻濺射、脈沖濺射，它們的優(yōu)缺點(diǎn)也各不相同。新的高速濺射和自濺射技術(shù)也為該領(lǐng)域開創(chuàng)了新的應(yīng)用領(lǐng)域。磁控濺射也在新材料、新工件、新功能的發(fā)現(xiàn)、應(yīng)用于提升等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。磁控濺射因?yàn)槠浞N種優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)在金屬表面強(qiáng)化方面仍然有著重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]余東海，王成勇，成曉玲，等.磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展[J].真空，2009，（02）：19-25.

[2]郝正同，謝泉，楊子義.磁控濺射法中影響薄膜生長(zhǎng)的因素及作用機(jī)理研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，（01）：62-66.

[3]郭燕，張俊.金屬材料表面改性及強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展[J].資源信息與工程，2015，（06）：94-95.

（作者單位：青島市第二中學(xué)）