硬质薄膜技术的最新发展(2)

2010-01-26 杨林生 合肥工业大学机械与汽车工程学院

  Platit 当前的主流产品同样是采用阴极电弧技术,但蒸发源已由原来的平面结构改造为可旋转的圆柱源, 也就是其宣称的LARC(LateralRotating ARC Cathodes)和CERC(Central RotatingARC Cathodes)技术,该技术能获得最佳的膜基附着力和靶材利用率。其最新产品π313 镀膜设备就是采用3(+1)旋转阴极圆柱源,在此设备基础上开发的的三层结构纳米复合涂层(Triplet- Structure Nanocomposites)nACo3 技术,也就是由基底层+ 常规层+ 纳米复合层(TiN +AlTiN+nACo)组成,它能有效提高表面强度和改善表面粗糙度,刀具使用寿命是TiN 薄膜的三倍以上。

  ARCTIC 与传统TiAlN 工艺的磨损寿命曲线

测试条件:钻深:34 mm Vc=120m/min n=5,617rpm Vf = 1,123mm/min f = 0.2mm/rev

图1 ARCTIC 与传统TiAlN 工艺的磨损寿命曲线

  采用阴极电弧技术在硬质薄膜业占据一席之地的企业有很多,他们有一些共有的特点:在提高靶材利用率、缩短镀膜时间、消除液滴等方面各施其法,开发自己的工业化应用技术专利。例如:德国PVT 公司开发的MAC (magnetic arcconfinement)技术应用于PVT */ARC 系列设备中,在镀膜过程中能够对电弧进行优化,使靶材各个部分能得到同等强度的电弧,均匀蒸发和离子化,有效地提高靶材利用率,很好地解决了“液滴”问题,薄膜微结构非常细密,薄膜表面光亮。IONBOND 的Tetrabond 技术,它是一项基于物理气相沉积的先进电弧技术,这一先进的电弧加工过程可以沉积极高硬度、光滑、非氢化的类金刚石(DLC) 膜层;新加坡纳峰科技开发的阴极真空电弧(FCVA)技术,能够产生能量稳定的电弧和纯离子束流,能量可以根据不同的要求精确控制,因而能够有效消除宏观颗粒,制备的薄膜致密、均匀、平滑、坚硬、防腐、耐磨;VTI 公司开发的HC2500 在利用其专利CatArc 技术能够在低温条件下制备具有高硬度和表面光滑的硬质膜。下表所列为各企业在利用阴极电弧技术制备硬质薄膜中所采用的不同工艺方法:

表1 阴极电弧技术

 阴极电弧技术

3.2、磁控溅射技术

  磁控溅射技术是一项较为成熟且被广泛应用于功能性和装饰性镀膜领域的技术。在真空磁控溅射过程中,离子与阴极碰撞使得靶材被溅射出带有4~6 eV 的颗粒,其离化率在10%左右。受制于较低离化率等问题,利用平衡磁控溅射技术难以合成硬度高且表面平滑的硬质薄膜。为此,在改进现有磁控溅射系统的同时,人们逐步开发出新型溅射装置,以下将主要描述利用非平衡磁控溅射技术和离子辅助溅射沉积技术在制备硬质薄膜的领域的应用。

  非平衡磁控溅射是相对于平衡磁控溅射而言,最早是在1985 年由B.Window 开发的,它们在溅射源的结构上类似但功能差异却十分显著。在非平衡磁控源装置中,通过调整磁场结构,将磁力线从源表面区域“引”出来,使溅射源的磁场处于所需要的非平衡状态,如图2 所示。在磁力线作用下的电子可在远离源表面处形成密集等离子体:在反应溅射过程中,形成的等离子体能够活化处于基体附近等离子体区中的反应性气体;在离子溅射过程中,基体能够得到离子流轰击。因而该技术在提高膜层表面硬度、膜基结合力和沉积速率等方面都有优异的表现。

 平衡和非平衡溅射源比较

图2 平衡和非平衡溅射源比较

  1993 年D.G.Teer 推出了具有四靶闭合磁场布置的非平衡磁控溅射装置,此后不断改进、完善的闭合场非平衡磁控溅射离子镀(CFUBMSIP)设备和工艺技术则完全解决了磁控溅射镀膜所存在问题。闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备的独特之处在于该设备至少包含两个溅射源,这使磁力线可以从一个溅射源直接延伸到另一个溅射源,形成封闭的磁阱,可有效阻止电子逃逸,从而提高溅射效率和离化率。图3 为闭合场非平衡磁控溅射系统示意图。

  膜基结合力、磨损和寿命试验结果表明,由CFUBMSIP 设备制备的硬质薄膜具有:良好的镀层粘结力、高韧性以及抵抗硬材料的刻划能力;薄膜具有极高的抗磨损性能;刀具寿命极大提高。图4为利用Teer 的CFUBMSIP 设备在φ8mm 工具刚钻头表面制备CrTiAlN 薄膜的性能测试结果。

 闭合场非平衡磁控溅射系统示意图CrAlTiN 涂层钻孔性能

图3 闭合场非平衡磁控溅射系统示意图  图4 CrAlTiN 涂层钻孔性能

  Ceme Con公司采用高能离子磁控溅射(H.I.S )技术,获得先进的TiAlN 薄膜。该技术可直接将靶材从固态转化为气态,因此可完全避免在采用其它PVD 技术(例如ARC 技术)时蒸发材料在熔融状态中以液滴的形式沉积于工件表面的现象,从而使薄膜表面非常光滑平整,薄膜沉积温度也可控制在450℃左右。最新开发的H.I.P 工艺(高能离子脉冲) 是基于双极脉冲原理,可以在100℃ 的温度下制备高效、高性能薄膜,可应用于高速旋转如引擎发动机上的零件,并且在医学领域也有广阔的应用前景。在此基础上开发了SUPERTIN 涂层,是一种致密立方晶格超级氮化物,该薄膜在中等切削条件下加工不锈钢或有色金属,与传统的TiN 相比具有明显的优势。

3、国内硬质薄膜业

  随着我国加工制造业及高新技术产业的迅速发展,对硬质薄膜制备技术及相关装备的需求急剧增加。遗憾的是,国内高质量的硬质镀膜服务几乎全是国外公司的天下,文中所提及世界著名薄膜制备企均在国内开设了薄膜制备中心。虽然国内企业也进口或自行设计了不少镀膜设备,但薄膜质量和国外先进水平依然有差距。究其原因,主要有以下几个方面: