關于用離子鍍取代部分電鍍及化學鍍的技術論證

1、脈沖多弧等離子體鍍膜技術及設備（關于用離子鍍取代部分電鍍及化學鍍的技術論證）1. 前言離子鍍技術是目前國內外制備高質量涂層的最主要方法之一，其基本原理就是在鍍膜的同時，采用高能粒子轟擊基片表面和膜層。因此，鍍層的質量及膜層與基體的結合力得到大幅度的提高。武漢科技大學從20世紀80年代中期開始該項目的研究工作，通過近二十年的探索與實踐，成功開發(fā)出了“脈沖多弧等離子體鍍膜技術及設備”,并申請了“一種多功能多弧等離子沉積裝置”國家專利（專利號：ZL.9）。該設備主要由真空系統(tǒng)、脈沖蒸發(fā)源系統(tǒng)、高壓電源及控制系統(tǒng)、離化系統(tǒng)及陰極系統(tǒng)等組成，不僅可以代替電鍍及化學鍍制備各種純金屬鍍層，而且還可以制備化合

2、物及陶瓷涂層。此外，通過特殊配備的納米粉收集裝置，該設備還可以制備多種純金屬及陶瓷納米材料。該技術及設備制備的各種耐蝕、耐磨、耐熱、潤滑、裝飾鍍層及納米材料在機械、微電子、冶金、紡織、化工等行業(yè)具有廣闊的應用前景。2.電鍍及化學鍍的原理及應用2.1電鍍原理及其應用電鍍是用電化學方法在固體表面上沉積一薄層金屬或合金的過程。工藝較成熟，應用極廣泛。能在表面鍍覆的單金屬有20多種，合金鍍層也有20種左右。常用的電鍍材料有鉻、鎘、鋅、金、銀、銅等金屬以及黃銅等合金。電鍍層廣泛用作抗蝕、耐磨、裝飾、潤滑鍍層和其它功能性鍍層（如磁性、導電、光學膜等）。對鍍層基本要求是致密的表面結構、均勻的厚度以及鍍層與基

3、體結合牢固（一般為機械結合）。電鍍的優(yōu)點是設備、工藝簡單，便于批量生產。存在的問題是：電鍍的廢液廢氣會造成環(huán)境污染；形狀復雜的零件不易得到均勻的鍍層；與基體不是冶金結合，而是機械結合，很不牢固；氫的析出會引起鋼的氫脆和疲勞強度的下降。2.2化學鍍原理及其應用 含有欲鍍金屬離子的溶液在還原劑的作用下金屬離子還原成金屬而沉積在制品表面的過程稱為化學鍍或自催化化學還原鍍，無電鍍。由于化學鍍優(yōu)于電鍍的特點，近幾十年來獲得很廣泛的應用，主要特點有：（1） 化學鍍可用于更廣泛的基體，適用于金屬、半導體及非金屬。（2） 不管制品的幾何形狀如何復雜，都能獲得厚度均勻的鍍層。（3） 鍍層致密，孔隙少，硬度高。

4、存在的缺點是仍有嚴重的環(huán)境污染，沉積速率慢（約10m/h），槽液溫度高（如鍍鎳時為85100），易老化，壽命短，價格高，成本高于電鍍，使用于電鍍不適合的場合。 用化學鍍能獲得金、銀、銅、鎳、鈷、鉑、鈀等金屬鍍層。耐磨耐蝕方面用的最多是化學鍍鎳，如Ni-P和Ni-B合金鍍層，且為非晶態(tài)，硬度達500600Hv，經400處理后，硬度可達1000Hv。化學鍍銅主要用于非金屬電鍍的底層、印刷板孔的金屬化、電子儀器的電磁屏蔽等。 由于電鍍和化學鍍均存在嚴重的缺點，近年來國內外研究出許多用離子鍍來取代電鍍及化學鍍，解決了以上存在的問題。3. 離子鍍技術及應用3.1離子鍍原理 離子鍍是在真空條件下，利用氣體

5、放電使氣體或被蒸發(fā)物質部分電離，在離子轟擊作用下，把蒸發(fā)物或反應物沉積在基體上，形成沉積薄膜。3.2離子鍍的主要優(yōu)點和特點1. 鍍層材料廣泛，容易獲得各種金屬、合金、化合物和陶瓷鍍層。2. 鍍料汽化方式：可用高溫蒸發(fā)，也可以用低溫濺射。3. 沉積粒子能量可調節(jié)，反應活性高，通過等離子體或離子束介入，可以獲得所需的沉積粒子能量進行鍍膜，提高膜層質量，通過等離子體的非平衡過程提高反應活性。4. 低溫型沉積：沉積粒子的高能量高活性不需遵循傳統(tǒng)的熱力學規(guī)律的高溫過程，就可以實現低溫反應合成和在低溫基體上沉積，一般300500C就可以成膜，擴大沉積基體適用范圍。5. 可沉積各類型薄膜：如金屬膜、合金膜、

6、化合物膜等。6. 無污染，利于環(huán)境保護。離子鍍技術已廣泛運用于各行各業(yè)，許多技術已經實現工業(yè)化生產。如防護鍍層、減磨鍍層、耐蝕性鍍層、裝飾性鍍層、潤滑鍍層、超硬鍍層、多元復合鍍層及其他功能鍍層等。3.3 離子鍍設備 離子鍍的設備主要由真空室、排氣系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)、離子化系統(tǒng)及電控系統(tǒng)所組成（原理圖見圖1）圖1 真空電弧離子沉積示意圖 圖2為武漢科技大學研制成功的DHP-8-C型帶脈沖電源的30KW多弧多功能等離子體設備（國家專利號：ZL.9）；既可制備各種單層和多層納米涂層，又可以制備純金屬和無機非金屬納米粉末。圖 2 多弧離子鍍設備外觀圖該設備的技術參數為：工作室尺寸100010001000，

7、極限真空度為6.6510-4Pa，抽真空時間少于30分鐘，電弧蒸發(fā)源8個，脈沖偏壓電源30A，最大裝爐量6鉆頭1000支，測溫方式：熱電偶和紅外測溫儀。圖3為用該設備涂覆的各種產品。a. 表帶b. 馬具c. 搓絲模具圖3. 脈沖多弧離子鍍的樣品3.4離子鍍膜工藝 離子鍍膜工藝流程：前處理 抽真空 離子轟擊清洗和刻蝕 離子沉積取件 后處理。如圖4所示。圖4 TiN鍍膜工藝流程示意圖 3.5離子鍍膜的應用 離子鍍作為一種新的表面涂層技術受到了各國的重視，它的材料組合范圍廣，不受基體材料的限制（金屬、非金屬均可）。近年來在生產中獲得廣泛應用。用的最多的為多弧離子鍍和等離子體化學氣相沉積（PCVD）。

8、1. 防護涂層試驗表明1030m的離子鍍鋁膜，經2100小時的5鹽水噴霧后還不破壞，比電鍍鉻、銅的性能更好。美國在飛機螺釘、襯套等零件上已廣泛采用離子鍍鋁代替鍍鎘，在日本已用離子鍍鋁的碳鋼代替不銹鋼。用離子鍍AlN，TiN，Al（CN），Ti（CN）來代替電鍍化學鍍Cr，Cr-V，Cr-Mo，Cr-Mo-V，Ni，Ni-P，Ni-B，Ni-Si等是完全可行的，且性能更好，避免了嚴重的環(huán)境污染。 燃氣輪機的葉片，早先是用擴散滲鋁層進行腐蝕防護，但存在硫化物的腐蝕問題。用離子鍍沉積Co-Cr-Al-V鍍層之后，其腐蝕性能大大改善，在870下進行試驗可達900小時而不發(fā)生損壞。2. 減磨鍍層用離子鍍

9、法獲得的固體潤滑膜已在航天工業(yè)中的各種儀器、齒輪、螺絲、軸承以及潤滑部件中得到廣泛應用。采用的潤滑材料有：MoS2、WS2、石墨、CaF2、金、銀、鉛、錫、銦、聚四氟乙烯等。國外一些噴氣發(fā)動機的輪轂、渦輪軸支承面和直升飛機旋轉軸的轉動部分，已采用銀潤滑膜、離子鍍鎘等工藝。3. 純金屬涂層離子沉積是提高涂層附著力的有效工藝方法。純鋁層具有很好的耐蝕性，如在普通的鋼材上沉積10m-12m的鋁層，用5%的鹽霧試驗，耐蝕時間達（170-280）h。離子沉積鋁被美國海軍列入正式生產工藝；過去很多高強度鋼采用鍍鎘工藝，常出現氫脆，影響零件的強度而且有毒，離子沉積鋁消除了上述缺點，并保證了耐蝕性能。試驗表明

10、10-30m的離子鍍鋁膜，經2100小時的5%鹽水噴霧后還不破壞，比電鍍鉻、銅的性能更好。美國在飛機的螺釘、襯套等零件上已廣泛采用離子鍍鋁代替電鍍鎘。在日本已用離子鍍鋁的碳鋼部分代替不銹鋼。航空工業(yè)中過去對高強度鋁合金采用陽極氧化，使基體的疲勞強度下降，離子沉積鋁層克服了此缺點。鋁層還是電磁波屏蔽的優(yōu)良涂層，如涂0.15m鋁膜，可相當于涂40m厚的加鎳導電涂料的電磁屏蔽效果。4. 裝飾性涂層裝飾性涂層在輕工業(yè)、工藝美術品方面應用較廣，目前研究和應用仿金涂層最為廣泛，其中TiN仿金已用于工業(yè)化生產，如表殼、表帶、首飾、餐具、眼鏡架等，不僅節(jié)約了黃金的消耗量，而且耐磨性、抗蝕性等均優(yōu)于黃金，可用于

11、裝飾性涂層化合物見表1表 1 部分金屬化合物的顏色名稱顏色名稱顏色名稱顏色Be2C赤色NbC亮褐色TiN金黃色YC2黃色TaC金褐色ZrN黃銅色LaC2黃色Cr2C灰色HfN黃褐色CeC2赤黃色WC灰色TaN灰色UC灰色Be2N2灰色Cr2N亮灰色TiC亮黑色Mg2N2黃綠色MnN黑色ZrC灰色LaN黃色VN金色5. 潤滑膜層離子沉積膜的摩擦系數比原來金屬材料基層要低，涂覆Au、Ag、Pb、Pb-Sn、MoS2、Ca2F、CF等潤滑材料。其中Ca2F是良好的高溫潤滑劑，在800-900下工作，摩擦系數為0.05以下。噴氣發(fā)動機的輪殼、渦輪軸承表面和直升飛機旋翼轉子軸等部位，用上述的潤滑材料，可

12、以防止麻點、裂紋、應力腐蝕等，提高了力學性能，也延長了使用壽命。6. 超硬復層超硬復層是物理氣相沉積研究應用和開拓的主要方面，正因為超硬復層應用于生產取得了令人滿意的效果，各國很重視對該技術的開發(fā)和研究，特別是用于工具表面的強化，使切削壽命提高3-10倍，具有高的表面耐磨性能和黃色的外觀色澤。國外稱TiN涂層刀具是工具的外觀和性能上的一次革命。發(fā)達的工業(yè)國家TiN涂層刀具覆蓋率約占80%，而我國在這方面還有很大的差距，發(fā)展空間極大。如：在模具行業(yè)，十字槽頭螺釘用高速鋼沖頭模具，采用離子鍍鍍覆TiN涂層后，使用壽命提高了3倍多；在纖維行業(yè)，在不銹鋼纖維切割刀后隙面鍍TiC涂層后，其使用壽命可延長

13、310倍。鋁或鋼制的紡錘采用離子鍍鍍覆TiN涂層后，使用壽命提高了35倍。7. 多元復合鍍層（1） Ti（C，N）鍍層 在相同切削條件下，采用Ti（C，N）加工低合金鋼，其性能與TiN相近。但在高速和大進給的條件下Ti（C，N）優(yōu)于TiN。由于Ti（C，N）的摩擦系數低，因此特別適合于制作精加工刀具，而TiN用于粗加工較好。被加工材料對于鍍層刀具的使用性能有很大影響，例如加工軟的材料（鍛鋁、黃銅和紫銅），Ti（C，N）鍍層是最好的。同樣，Ti（C，N）鍍層在鋁的熱壓或成型加工中，也顯示出優(yōu)于TiN的性能，這是因為Ti（C，N）鍍層具有較低的摩擦系數，降低了鍍層和被加工材料表面的化學磨耗。（2）

14、 TiAlN鍍層TiAlN是亞穩(wěn)態(tài)的，TiAlN鍍層刀具可以承受在難加工材料切削時所產生的高溫。由于TiAlN的抗氧化性優(yōu)于Ti（C，N）和TiN，因此特別適合于加工低導熱金屬。如鈦合金、不銹鋼和鎳基合金等。TiAlN有較好的韌性，在加工鑄鐵時也有良好的性能。化學氣相沉積（CVD）法制備化合物（碳化物、氮化物、氧化物）硬質涂層、工藝溫度均為1000，而物理氣相沉積則把成膜溫度降至500以下，為高速鋼、模具鋼表面硬化提供了有效的手段。涂層刀具的研究起始于1972年，1980年推廣應用于生產，1981年美國Gubring公司生產出TiN涂層刀具銷售，有20余家廠商在國際機床展覽會上展出了高速鋼TiN涂層刀具；目前日本汽車工業(yè)已全部采用TiN涂層滾刀。4、離子鍍與電鍍的比較（鍍Al為例） 類型特征電鍍離子鍍硬度/HV外觀厚度/m速度污染基體溫度可鍍層范圍特征用途與基體結合強度成本設備投資批量性生產鍍Cr小于800白 光潔6 10慢有污染幾十度純金屬及合金各20種左右抗蝕、耐磨、裝飾、潤滑鍍層機械結合 不牢固低低（幾萬元）適合鍍AlN、TiN大于1500Al-白 TiN-金黃色 光潔312快無污染300-500純金屬、合金、非金屬、各種復合涂層等，可做無限多種鍍層除能做電鍍的各種鍍層外，尚能做金屬及各種復合鍍層價鍵結合，牢固低高（幾十萬元）適合（做好夾具設計）5、結