多弧離子鍍技術(shù)及其在高精度儀表中的應(yīng)用

閆春和，劉冰洋，崔　硯，薛鳳舉，蘇義兵

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

多弧離子鍍技術(shù)及其在高精度儀表中的應(yīng)用

閆春和，劉冰洋，崔硯，薛鳳舉，蘇義兵

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

介紹了多弧離子鍍技術(shù)，包括其技術(shù)原理、技術(shù)特點(diǎn)以及主要工藝參數(shù)，闡述了多弧離子鍍技術(shù)在高精度儀表軸承零件表面改性方面的應(yīng)用和存在的技術(shù)問(wèn)題，對(duì)多弧離子鍍技術(shù)在高精度儀表中的應(yīng)用前景作出展望。

多弧離子鍍；高精度儀表；軸承；表面改性

0 引言

多弧離子鍍技術(shù)最早由蘇聯(lián)人發(fā)明，由于鍍膜過(guò)程中基片始終受到高能粒子的轟擊，與真空蒸鍍和濺射鍍相比，具有一系列的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)的Multi-Arc公司購(gòu)買了蘇聯(lián)專利，并把這種技術(shù)市場(chǎng)化，帶來(lái)了刀具涂層行業(yè)的革命。我國(guó)于同期引進(jìn)外國(guó)先進(jìn)設(shè)備，并開(kāi)始自主研制與開(kāi)發(fā)，掀起了一場(chǎng)“多弧熱”，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，多弧離子鍍技術(shù)已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，在高精度儀表軸承零件表面改性方面的成功應(yīng)用推動(dòng)著新一代高精度儀表的研制［1-8］。

以下主要介紹多弧離子鍍技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)、主要工藝參數(shù)以及多弧離子鍍技術(shù)在高精度儀表中的應(yīng)用和存在的問(wèn)題。

1 多弧離子鍍技術(shù)原理

多弧離子鍍技術(shù)的核心是真空弧光放電，通過(guò)作為陰極的金屬蒸發(fā)源與作為陽(yáng)極的殼體之間的弧光放電，產(chǎn)生陰極弧斑，燒蝕、蒸發(fā)、離化膜料靶材，形成空間等離子體，使其在一定電場(chǎng)加速下沉積到基體表面而形成薄膜。具體工藝流程如圖1所示。

圖1　多弧離子鍍技術(shù)原理流程示意圖Fig.1 Procedure of multi-arc ion plating technique

1.1弧光放電機(jī)理

弧光放電的機(jī)理尚不完全清楚，較為認(rèn)可的說(shuō)法由J.E.Daolder提出，利用圖2所示模型可以進(jìn)行解釋［9］:

1）被吸到陰極表面的金屬離子形成空間電荷層，由此產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，使陰極表面上功函數(shù)小的點(diǎn)（晶界或裂紋）開(kāi)始發(fā)射電子；

2）個(gè)別發(fā)射電子密度高的點(diǎn)，電流密度高，焦耳熱使其溫度上升，又產(chǎn)生大量熱電子，進(jìn)一步增加發(fā)射電子，這個(gè)正反饋?zhàn)饔檬闺娏骶植考校?/p>

3）由于電流局部集中產(chǎn)生的焦耳熱，使陰極材料局部地爆發(fā)性地等離子化、發(fā)射電子和離子，留下放電痕，同時(shí)也放出熔融的陰極材料粒子；

4）發(fā)射離子中的一部分被吸回陰極表面，形成空間電荷層，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，又使新的功函數(shù)小的點(diǎn)開(kāi)始發(fā)射電子。

圖2　弧光放電機(jī)理示意圖Fig.2 Mechanism of arc discharge

1.2陰極弧源工作機(jī)理

圖3所示為電磁機(jī)械觸發(fā)式陰極弧源［10-11］，由水冷陰極、磁場(chǎng)線圈和機(jī)械觸發(fā)引弧電極等部件組成。在一定真空度下，接通引弧電路，并使引弧電極與陰極表面瞬間接觸后離開(kāi)，由于導(dǎo)電面積的迅速縮小，電阻增大，局部區(qū)域溫度迅速升高，致使陰極材料熔化，形成導(dǎo)電液橋，最終形成爆發(fā)性的金屬蒸發(fā)，在陰極表面形成局部的高溫區(qū)，產(chǎn)生等離子體，將電弧引燃，在主弧電路維持下，圖2所示的弧光放電機(jī)理過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，在陰極表面形成大量移動(dòng)變化的陰極弧斑，燒蝕靶塊，噴射靶材等離子體，在外加偏壓作用下運(yùn)動(dòng)到零件表面，形成薄膜。

圖3　電磁機(jī)械觸發(fā)式陰極弧源示意圖Fig.3 Electromagnetic mechanical trigger cathode arc source

2 多弧離子鍍技術(shù)特點(diǎn)

多弧離子鍍技術(shù)以其獨(dú)特的技術(shù)原理，具有一系列的技術(shù)特點(diǎn)，主要如下［2，7，11-12］:

1）金屬陰極蒸發(fā)器不熔化，直接從陰極產(chǎn)生等離子體；

2）可以采用多個(gè)電弧蒸發(fā)源，提高沉積速率使膜層厚度均勻；

3）工件外加偏壓，入射粒子能量高，涂層致密度高，強(qiáng)度和耐久性好；

4）離化率高，一般可達(dá)60％～90％，提高膜層均勻性和膜/基的結(jié)合力；

5）沉積速率高，鍍膜效率高，繞鍍性好；

6）設(shè)備較為簡(jiǎn)單，可以拼裝，適用于鍍各種形狀的零件；

7）一弧多用，既是蒸發(fā)源和離化源，又是加熱源和離子濺射清洗源；

8）外加磁場(chǎng)可以改善電弧放電，使電弧細(xì)碎，細(xì)化涂層微粒，并可以改善陰極靶面刻蝕的均勻性，提高靶材的利用率。

3 多弧離子鍍技術(shù)主要工藝參數(shù)

多弧離子鍍技術(shù)工藝過(guò)程復(fù)雜，各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)較多，所以影響鍍膜質(zhì)量的因素很復(fù)雜。下面介紹幾個(gè)主要的工藝參數(shù)及其研究情況。

3.1基體沉積溫度

基體沉積溫度對(duì)膜料粒子的形核、擴(kuò)散，膜層的生成、生長(zhǎng)都有影響，對(duì)膜層的結(jié)構(gòu)、膜/基間的結(jié)合力產(chǎn)生直接的影響，最終影響膜層的使用性能。一般情況下，溫度越高，膜層越容易長(zhǎng)大，提高沉積速率；但溫度過(guò)高，會(huì)造成膜基間熱應(yīng)力加大，影響結(jié)合力，同時(shí)組織發(fā)生粗化，降低機(jī)械性能。

徐富春等［13］研究了不同鍍膜溫度下離子鍍TiN與Cr/Cu接觸界面形成與表面特性，結(jié)果表明鍍膜溫度對(duì)TiN與Cr/Cu接觸界面的形成與表面的微結(jié)構(gòu)有直接的影響:較低鍍膜溫度表面TiN膜不均勻，90℃生成膜表面TiN與Cr/Cu接觸界面邊界清晰；適當(dāng)提高離子鍍溫度到120℃，表面層狀生長(zhǎng)均勻、微晶粒細(xì)化，界面分界處開(kāi)始呈現(xiàn)模糊；170℃生成膜表面TiN與Cr/Cu界面模糊不清。

3.2反應(yīng)氣體壓強(qiáng)

反應(yīng)氣體分壓直接影響到生成離子或離子間化合物的種類和比例，間接影響薄膜的物相和組織，對(duì)薄膜的性能有很大影響，還會(huì)影響到膜層的內(nèi)應(yīng)力。

楊英［14］、楊洪剛［15］、謝仕芳［16］、薛鈺芝［17］等都曾對(duì)N2分壓或流量對(duì)TiN或Ti-Al-N系膜層的性能影響作過(guò)研究。其中，薛鈺芝等對(duì)多弧離子鍍（在0.4Pa，0.1Pa，0.05Pa氮分壓下）的TiN鍍層進(jìn)行了研究，比較了不同氮分壓下鍍層色澤、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)果表明，隨氮分壓升高而增加，多弧離子鍍膜層色澤由淺變深，于多弧離子鍍層。在0.4Pa氮分壓時(shí)的顯微硬度高于0.1Pa時(shí)，但當(dāng)?shù)謮涸俳档蜁r(shí)，到0.05Pa時(shí)，顯微硬度反而上升，膜基結(jié)合力隨著氮分壓的上升而增強(qiáng)?？傊磻?yīng)氣體壓強(qiáng)作為一個(gè)重要的工藝參數(shù)，只要合理控制，可控制膜層性能，制作良好性能的薄膜。

3.3弧源電流

弧源電流是弧源參數(shù)中最重要的參數(shù)，對(duì)靶材的蒸發(fā)和沉積速率有重要的影響，一般情況下，弧源電流越大，靶材的蒸發(fā)和離化率越高，但相應(yīng)地產(chǎn)生較大金屬或合金的液滴相幾率增大，產(chǎn)生膜層缺陷的幾率也增大，影響膜層性能。

史新偉［18］研究了不同弧源電流TiN薄膜的表面形貌及其摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，隨著弧源電流的增大，薄膜沉積速率增大、硬度提高，但薄膜表面熔滴（MP）數(shù)量增多、尺寸變大，表面粗糙，摩擦系數(shù)增大，因此控制最佳弧源電流來(lái)獲得最好的薄膜性能是離子鍍TiN薄膜的關(guān)鍵問(wèn)題之一。盧龍等［19］研究了靶電流對(duì)TiAlN/TiN復(fù)合膜組織及硬度的影響，結(jié)果表明靶材電流對(duì)膜層組織和硬度有顯著影響，電流越高膜層表面越不平整，顯微硬度隨靶材電流的升高先上升后降低。靶電流越高，膜層中Ti、Al原子的含量就越高。

3.4基體偏壓

基體偏壓對(duì)鍍膜等離子體中的帶電粒子形成加速，可以轟擊基體，提高溫度，促進(jìn)膜層生長(zhǎng)，提高膜層生長(zhǎng)速率，同時(shí)，荷能粒子轟擊，可以使膜層更加致密。

劉天偉［20］、宮永輝［21］、楊洪剛［15］、辛煜［22］等都對(duì)基體偏壓對(duì)膜層的性能影響進(jìn)行過(guò)研究。其中，劉天偉等研究了偏壓對(duì)鈾表面多弧離子鍍Ti/TiN多層膜的結(jié)構(gòu)及抗腐蝕性能的影響。結(jié)果表明，脈沖偏壓不但影響多層膜物相各衍射峰的強(qiáng)度，還誘導(dǎo)新相Ti2N的出現(xiàn)。制備的多層膜呈“犬牙”交錯(cuò)的層狀、柱狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)。隨脈沖偏壓的增加，柱狀晶結(jié)構(gòu)細(xì)化，薄膜變得更加致密。

4 多弧離子鍍技術(shù)在高精度儀表中的應(yīng)用及存在的問(wèn)題

4.1多弧離子鍍技術(shù)在高精度儀表中的應(yīng)用

高精度儀表采用動(dòng)壓氣浮軸承技術(shù)，具有抖晃小、噪聲低、轉(zhuǎn)速高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［8，23］，圖4所示為高精度儀表動(dòng)壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)示意圖［24］，軸承摩擦副由半球和球碗組成。

圖4　高精度儀表軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of high precision instruments' hemisphere hydrodynamic bearing

為了改善動(dòng)壓氣浮軸承零件的摩擦磨損情況，提高儀表運(yùn)行的穩(wěn)定性和使用壽命，需要提高軸承零件的表面機(jī)械性能，主流方法是對(duì)軸承零件進(jìn)行表面改性，其中多弧離子鍍膜處理方法效果顯著［8，25-26］。

（1）高精度儀表球形零件多弧離子鍍TiN膜

TiN膜呈金黃色，具有類似NaCl的面心立方結(jié)構(gòu)，由金屬鍵和共價(jià)鍵混合而成，同時(shí)具有金屬晶體和共價(jià)晶體的特點(diǎn)，具有高硬度（HV可達(dá)2000以上）、高強(qiáng)度、高耐磨性、優(yōu)良的熱和化學(xué)惰性、優(yōu)良的導(dǎo)電性以及高溫強(qiáng)度和耐蝕性等，是多弧離子鍍技術(shù)幾十年發(fā)展的主流薄膜［27］。

吳玉廣等［3］指出，多弧離子鍍TiN可以有效提高儀表軸承耐磨性，在鈦鋁合金制造的球及碗的表面采用離子鍍工藝鍍制2μm～5μm的TiN膜層后，表面顯微硬度可達(dá)HV2700以上，經(jīng)精研表面粗糙度Ra達(dá)0.033μm時(shí)顯微硬度仍能達(dá)到HV2100以上，不僅耐磨性提高，且摩擦系數(shù)降低，使用壽命提高。崔硯等［28］研究了影響特材工件表面鍍制TiN厚膜結(jié)合性能的因素，探討了多弧離子鍍制備的TiN厚膜的失效機(jī)理，針對(duì)特材半球形零件，分析了鍍TiN厚膜結(jié)合性能的影響因素。

經(jīng)過(guò)多年的理論研究和工藝實(shí)踐，我國(guó)已經(jīng)掌握了較為成熟的特材高精度儀表球形零件離子鍍TiN工藝技術(shù)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到技術(shù)條件要求，成功應(yīng)用于型號(hào)產(chǎn)品。圖5所示為我們采用多弧離子鍍技術(shù)鍍覆TiN膜的半球零件。

圖5　多弧離子鍍TiN膜的半球零件Fig.5 Hemisphere parts with TiN coating plated bymulti-arc ion plating technique

（2）高精度儀表球形零件多弧離子鍍DLC膜

DLC薄膜是一種非晶碳膜，結(jié)構(gòu)類似金剛石，碳原子主要以sp2和sp3雜化鍵結(jié)合，sp3鍵含量越高，越接近金剛石，具有超高硬度、超高強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)、高電阻率、良好的光學(xué)性能等優(yōu)良性能［29］。

資料表明［30］，蘇聯(lián)最早將多弧離子鍍DLC技術(shù)應(yīng)用于高精度儀表動(dòng)壓氣浮軸承，成功研制出高精度且永不磨損型高精度儀表，其動(dòng)壓氣浮軸承采用DLC-TiN膜層配對(duì)，摩擦系數(shù)可低至0.05，對(duì)于軸承的摩擦磨損有非常顯著的改善。美國(guó)等國(guó)對(duì)于DLC薄膜在宇航儀表的動(dòng)壓軸承方面的應(yīng)用也有研究，但報(bào)道較少。

經(jīng)過(guò)多年的理論研究和工藝實(shí)踐，我國(guó)已經(jīng)掌握了較為成熟的特材高精度儀表球形零件離子鍍DLC膜工藝技術(shù)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，成功應(yīng)用于型號(hào)產(chǎn)品。圖6所示為我們采用多弧離子鍍技術(shù)鍍覆DLC薄膜的半球零件。

圖6　多弧離子鍍DLC薄膜的半球零件Fig.6 Hemisphere parts with DLC coating plated by multi-arc ion plating technique

4.2多弧離子鍍技術(shù)在高精度儀表應(yīng)用中存在的問(wèn)題

隨著研究的不斷深入，我們發(fā)現(xiàn)高精度儀表軸承球形零件多弧鍍膜技術(shù)中還存在一些不足，比如多弧離子鍍TiN薄膜中存在大顆粒等膜層缺陷，破壞膜層的連續(xù)性和機(jī)械性能，影響儀表軸承零件的使用性能，降低了鍍膜生產(chǎn)的合格率；類金剛石膜層在高溫下會(huì)發(fā)生碳化，使用環(huán)境較惡劣時(shí)會(huì)發(fā)生膜層脫落等。這些都是對(duì)我們提出的新挑戰(zhàn)、新問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究解決。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，多弧離子鍍技術(shù)原理、特點(diǎn)、工藝參數(shù)等方面的研究已經(jīng)較為成熟，在高精度儀表軸承零件表面改性方面的應(yīng)用也取得了突破性的成果，推動(dòng)了我國(guó)新一代高精度儀表的研制。雖然還存在一些問(wèn)題有待研究解決，但多弧離子鍍技術(shù)在半球動(dòng)壓馬達(dá)中的應(yīng)用前景非常廣闊。

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Multi-arc Ion Plating Technique and Its Application for High Precision Instruments

YAN Chun-he，LIU Bing-yang，CUI Yan，XUE Feng-ju，SU Yi-bing
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

In this paper，multi-arc ion plating technique are introduced，including its operating principle，technical features and main process parameters.The application of multi-arc ion plating technique for high precision instruments and the remaining problems are elaborated.The prospect of the multi-arc ion plating technique's application in the high precision instruments is expected in the end.

multi-arc ion plating technique；high precision instruments；bearing；surface modification

TN305.8

A

1674-5558（2016）07-01156

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.005

閆春和，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)閼T性器件離子鍍膜工藝。

2015-05-29