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磁過濾電弧離子鍍TiN薄膜的制備及其強(qiáng)化機(jī)理研究
發(fā)布時(shí)間：2018-06-15
TiN薄膜是目前研究較多的薄膜材料之一，具有硬度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)低(0．1～0．4)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在刀具行業(yè)中，80％的加工量由涂層刀具完成，而其中80％是TIN涂層。在TiN膜發(fā)展初期，刀具表面涂覆2um～3um的一層TIN膜，的確提高了刀具的耐磨性，大大延長了刀具的使用壽命，但是隨著加工業(yè)的發(fā)展和人們對(duì)TiN薄膜研究的深入，TiN膜的一些缺陷和不足之處不斷顯露出來。多弧離子鍍技術(shù)中，低氣壓弧光放電的物理過程，決定了多弧離子鍍在弧源靶材蒸發(fā)的同時(shí)，不可避免地會(huì)飛濺出一定數(shù)量且具有一定尺寸的靶材液滴，這些液滴最終會(huì)在薄膜表面形成宏觀顆粒(MP)，這些顆粒的存在極大地影響了薄膜表面的光潔度，增大了摩擦系數(shù)，降低了薄膜的硬度，因而限制了其在工況較為惡劣情況下的應(yīng)用。而且，這些液滴的存在會(huì)在薄膜內(nèi)部形成孔洞等缺陷，工件在使用過程中，尤其是在腐蝕介質(zhì)中使用時(shí)，這些液滴造成的孔洞會(huì)成為腐蝕源而引起工件的早期失效。
為了減少或者控制薄膜表面的宏觀顆粒，研究者們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。一種方法是利用水冷措施，并在陰極上加上拱形磁場，從而減少宏觀顆粒的產(chǎn)生；另一種方法就是對(duì)宏觀顆粒進(jìn)行過濾，即在宏觀顆粒產(chǎn)生之后，利用磁過濾裝置將它們從等離子體中分離出去，使之不落到襯底材料上。目前常用的磁過濾裝置有直線型和曲線型兩種結(jié)構(gòu)，本文使用曲線型磁過濾器，在高速鋼基體上制備了高質(zhì)量的TiN薄膜，討論了磁過濾電弧離子鍍(MFAIP)TiN薄膜的強(qiáng)化機(jī)理，并指出磁過濾器是制備高質(zhì)量TiN薄膜及其復(fù)合薄膜行之有效的一種方法，是今后制備高質(zhì)量TiN及其復(fù)合膜的發(fā)展方向。
多弧離子鍍膜技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。與其它技術(shù)相比該技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在著明顯的缺點(diǎn)，即在制備的涂層中存在“大顆粒”或稱“液滴”，造成涂層粗糙，并存在針孔，降低了抗摩擦和耐腐蝕性能。因而限制了多弧離子鍍膜技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，特別是在高檔模具和耐腐蝕零件上的應(yīng)用與推廣。
為了克服“大顆粒”問題，我們首先從理論上分析了“大顆粒”產(chǎn)生的機(jī)理和磁過濾裝置過濾“大顆粒”的理論解釋，設(shè)計(jì)并研制r直線型過濾電弧裝置，對(duì)沉積TiN薄膜進(jìn)行了一系列工藝實(shí)驗(yàn)，對(duì)膜層的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了檢測。與普通電弧陰極所鍍TiN薄膜相比，得出以下結(jié)論：
1．沉積薄膜的速率略有下降，但薄膜表面粗糙度明顯改善。
2．顯微硬度增加。
3．表面形貌明顯改善，可“大大減少或完全消除“大顆粒”。
4．耐腐蝕性能明顯提高。因此，采用直線型磁過濾裝置可以擴(kuò)大多弧離子鍍膜技術(shù)的應(yīng)用范圍，是限制和消除普通電弧陰極產(chǎn)生“大顆粒”的有效途徑之一。
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