劉 敏 解 宇 孔凡讓

（①中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系，安徽合肥230027;②深圳市中天精密工具有限公司，廣東深圳 518101）

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展日進(jìn)千里，于是對(duì)工件有了更高的要求，以期能夠在高溫、高壓、高速、高荷重及高腐蝕環(huán)境下工作。此時(shí)單一表面處理技術(shù)便受到了局限，而無法滿足嚴(yán)苛工作要求，于是出現(xiàn)了結(jié)合兩種或兩種以上的表面處理技術(shù)，被稱做復(fù)合表面技術(shù)或復(fù)合處理，透過這一種技術(shù)整合，希望獲得“1+1＞2”的效果。最具代表性的復(fù)合處理是工具鋼先進(jìn)行離子氮化（Ion Nitriding）之后再進(jìn)行硬膜被覆（Hard Coating）。這兩道工序有較高的兼容性（Compatibility），同樣依賴真空設(shè)備和等離子體輔助 （Plasma Assistance），因此讓制造過程簡(jiǎn)化不少，也成為研究人員或設(shè)備制造廠家嘗試復(fù)合處理的試金石。

離子氮化后被覆硬膜的復(fù)合處理（Duplex Treatment或Duplex Coating）已被廣泛地運(yùn)用在各種機(jī)軸、齒輪、軸承、鋼模、切削工具上。氮化是一種材料表面改質(zhì)技術(shù)，藉由氮化處理后，工件表面可以得到高硬度，內(nèi)部則保持原有之韌性。而表面的化合物層及緊鄰其下的擴(kuò)散層更可提高材料耐磨耗、耐腐蝕及耐疲勞等性能。另一方面，陶瓷膜和類金剛石碳膜是具有高硬度、高熔點(diǎn)、高化學(xué)穩(wěn)定性及低摩擦系數(shù)之材料，可藉由不同方法被覆于工件上，提高工件之表面硬度及耐磨耗性等，已廣泛地應(yīng)用于模具及刀具上。結(jié)合上述兩方法，藉由離子氮化產(chǎn)生一個(gè)足夠厚的氮化層，再被覆一層薄、硬且抗磨耗的陶瓷或類金剛石層，其中氮化層對(duì)硬膜提供良好的支持性，在工件受負(fù)荷時(shí)，承受從硬膜所傳下來的應(yīng)力，增強(qiáng)了鋼材對(duì)硬膜的負(fù)荷承載度。因此復(fù)合處理在商業(yè)上已有許多應(yīng)用，其潛力更不可限量。

1 沉積要點(diǎn)、陰極電弧沉積技術(shù)與微粒形成

沉積高質(zhì)量薄膜關(guān)鍵在于兩點(diǎn)，即入射原子或分子的能量，以及不同晶體結(jié)構(gòu)組成的涂層與基體之間的應(yīng)力。入射原子或分子的活化能可以通過增大襯底溫度或在基板上加負(fù)偏壓來加強(qiáng)，即提高離子在陰極弧系統(tǒng)內(nèi)的速度。涂層的結(jié)合力可以通過沉積過渡層來提高，例如等離子體浸沒式離子注入（PIII）技術(shù)中使用了數(shù)千伏的脈沖負(fù)偏壓制備這類過渡層。為了增加涂層的結(jié)合力和厚度，可以在磁控濺射過程中把溫度提高到幾百攝氏度，或在使用陰極電弧沉積時(shí)，施加幾百伏的負(fù)偏壓到基板上。

陰極電弧沉積技術(shù)是一種以離子為沉積來源的鍍膜技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)具有高硬度、高致密性與高沉積速度等，也是硬質(zhì)薄膜制備方法中相當(dāng)成熟且適合量產(chǎn)的技術(shù)，但最大的缺點(diǎn)卻是薄膜中夾雜大量的微粒及微孔隙。因此薄膜表面粗糙且造成許多缺陷，雖然簡(jiǎn)易的冶金鍍膜和基礎(chǔ)的工件保護(hù)可以忽略此缺陷，但在精密的工業(yè)制造或?qū)W術(shù)研究就不容許這些缺陷的產(chǎn)生。

微粒形成主要因素為靶材表面因電弧所產(chǎn)生的熔融態(tài)所造成，當(dāng)熔融態(tài)在離開靶材表面時(shí)會(huì)因?yàn)榕鲎驳诫娀《ㄐ纬呻x子化，但是并不是所有的熔融態(tài)都可以完全離子化，此時(shí)熔融態(tài)就會(huì)直接沉積于基材上，使薄膜出現(xiàn)許多微粒;然而微孔隙的形成主因則是受到微粒的影響，當(dāng)微粒附著在基材表面時(shí)，會(huì)因薄膜的成長(zhǎng)促使微粒不斷地向上推，最后因附著性不佳而掉落，便形成微孔隙。因此，微粒及微孔隙的產(chǎn)生就目前而言，靶材種類、電弧源及制備參數(shù)等都是影響因素。以靶材而言，靶材的熔點(diǎn)越高，熔融態(tài)形成越不易，微粒的大小及數(shù)量都會(huì)有所影響;若為同一靶材而言，微粒的大小及數(shù)量則受到電弧電流、靶材磁場(chǎng)、靶材大小及形狀、氣體種類與流量、腔體壓力及基材偏壓等因素所影響。

為了避免微孔，要求刀具的基材必須不斷拋光并使用高純度鋼。這無疑增加了負(fù)擔(dān)和制造成本，也使得某些技術(shù)手段無法工業(yè)化。在本文中，我們研究了如何在利用陰極弧沉積制備鈦氮氧化物薄膜時(shí)避免電弧所產(chǎn)生的微孔隙以及微顆粒。通過將刀具樣品放置在等電位金屬屏蔽網(wǎng)罩內(nèi)的方式，達(dá)到減少電弧的目的。

2 實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)與結(jié)果

使用全自動(dòng)等離子體離子注入沉積設(shè)備進(jìn)行了概念驗(yàn)證試驗(yàn)，見圖1。該裝置主要包括等離子體發(fā)生系統(tǒng)，不銹鋼真空腔體，靶臺(tái)及相關(guān)電源。該腔體的極限真空度為1.33×10－5Pa，最大注入電壓可達(dá)100 kV，內(nèi)部裝有1 mm厚的X射線屏蔽裝置。此設(shè)備包括一個(gè)不銹鋼等離子擴(kuò)散室（800 mm×1 000 mm）。真空室的水冷和鉛屏蔽使得即使運(yùn)行100 kV的高壓也是安全的。射頻（頻率13.56 MHz）功率從0～2 kW，通過一個(gè)安裝在真空室頂部的直徑為600 mm的環(huán)形天線耦合進(jìn)真空室。負(fù)高電壓脈沖通過陶瓷高壓引線接到旋轉(zhuǎn)的水冷金屬樣品臺(tái)（20 r/min）上。用于產(chǎn)生金屬離子的磁過濾真空陰極?。‵CVA）系統(tǒng)安裝在側(cè)壁。該系統(tǒng)是在脈沖模式下工作的，觸發(fā)電壓為12 V，電弧電流的峰值400 A，脈沖寬度0.2～5 ms，最高頻率為100 Hz。高電壓脈沖可以同步進(jìn)行純金屬離子注入。

磁過濾真空陰極弧產(chǎn)生的鈦離子在刀具表面形成了氮氧化鈦膜。實(shí)驗(yàn)裝置的原理圖如圖2a所示。實(shí)驗(yàn)用的刀具樣品是將立方氮化硼焊接在鋼鐵基底上構(gòu)成的，這些樣品被雙面導(dǎo)電膠帶粘在金屬圓臺(tái)上。圓臺(tái)通過支撐桿放置在靠近陰極弧出口的地方，以提高鈦的沉積率，如圖2b。

我們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在第1組實(shí)驗(yàn)中，在室溫下進(jìn)行了3 h的沉積。真空室先抽到2.7×10－3Pa的氣壓，提供流量為4 sccm（Standard－state Cubic Centimeter per Minute）的氬氣到鈦陰極，以產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧，同時(shí)通過另一氣路提供100 sccm的氮?dú)?。工作壓力?.4×10－1Pa。電弧由強(qiáng)度為12.6 kV、頻率10 Hz與脈寬為3 ms的脈沖源觸發(fā)。應(yīng)用10 A的電流于過濾管道，產(chǎn)生約180高斯的約束磁場(chǎng)。

在第2組實(shí)驗(yàn)中，200 V的負(fù)直流偏壓通過樣品臺(tái)施加于刀具上。但是，刀具的鋼制基底非常粗糙，因此在－200 V偏壓下會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電弧。為了避免電弧破壞的沉積鈦膜，樣品被放進(jìn)半球形的金屬網(wǎng)罩內(nèi)，如圖3所示。金屬網(wǎng)的內(nèi)部是等電位的，任何尖銳邊界或粗糙表面引起的電場(chǎng)都會(huì)被平滑掉。其他的參數(shù)與第1組實(shí)驗(yàn)使用的完全相同。

圖4顯示了刀具表面在常溫?zé)o偏壓下形成的涂層外觀。尖角的表面顯示了金黃的顏色，這意味著成功沉積了氮氧化鈦薄膜，而且尖端表面無裂紋。薄膜的化學(xué)狀態(tài)，由X射線光電子能譜來確認(rèn)，設(shè)定步長(zhǎng)為0.1 eV，通過能量為11.75 eV。XPS能譜揭示了以下組成:鈦為50%，氧為40%，氮為10%。尖角的表面在XPS分析之前用氬離子刻蝕了20 nm。圖5所示是X射線光電能譜（XPS）分析結(jié)果。從圖中可看出，涂層表面含有鈦、氧和氮，表明成功沉積了鈦氮氧化物。

3 結(jié)語

描述了一種可以在室溫下沉積氮氧化鈦薄膜于高端刀具材料上，而且無電弧的方法。鈦金屬離子由磁過濾陰極真空弧源產(chǎn)生，為了避免沉積過程中負(fù)偏壓帶來的電弧，將刀具放置在一個(gè)等電位的半球金屬網(wǎng)內(nèi)。進(jìn)行了一系列概念驗(yàn)證試驗(yàn)，其結(jié)果證實(shí)，在直流偏壓－200 V下電弧可以完全消除。X射線光電子能譜的分析表明成功地沉積了鈦氮氧化物薄膜。

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