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）

多弧離子鍍技術及其在高精度儀表中的應用

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，包括其技術原理、技術特點以及主要工藝參數(shù)，闡述了多弧離子鍍技術在高精度儀表軸承零件表面改性方面的應用和存在的技術問題，對多弧離子鍍技術在高精度儀表中的應用前景作出展望。

多弧離子鍍；高精度儀表；軸承；表面改性

0 引言

多弧離子鍍技術最早由蘇聯(lián)人發(fā)明，由于鍍膜過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，具有一系列的技術優(yōu)點。20世紀80年代初，美國的Multi-Arc公司購買了蘇聯(lián)專利，并把這種技術市場化，帶來了刀具涂層行業(yè)的革命。我國于同期引進外國先進設備，并開始自主研制與開發(fā)，掀起了一場“多弧熱”，經(jīng)過30多年的發(fā)展，多弧離子鍍技術已經(jīng)在國民經(jīng)濟的各個領域發(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用推動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的工作原理、特點、主要工藝參數(shù)以及多弧離子鍍技術在高精度儀表中的應用和存在的問題。

1 多弧離子鍍技術原理

多弧離子鍍技術的核心是真空弧光放電，通過作為陰極的金屬蒸發(fā)源與作為陽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　多弧離子鍍技術原理流程示意圖Fig.1 Procedure of multi-arc ion plating technique

1.1弧光放電機理

弧光放電的機理尚不完全清楚，較為認可的說法由J.E.Daolder提出，利用圖2所示模型可以進行解釋［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)生強電場，使陰極表面上功函數(shù)小的點（晶界或裂紋）開始發(fā)射電子；

2）個別發(fā)射電子密度高的點，電流密度高，焦耳熱使其溫度上升，又產(chǎn)生大量熱電子，進一步增加發(fā)射電子，這個正反饋作用使電流局部集中；

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)生強電場，又使新的功函數(shù)小的點開始發(fā)射電子。

圖2　弧光放電機理示意圖Fig.2 Mechanism of arc discharge

1.2陰極弧源工作機理

圖3所示為電磁機械觸發(fā)式陰極弧源［10-11］，由水冷陰極、磁場線圈和機械觸發(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，由于導電面積的迅速縮小，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所示的弧光放電機理過程反復進行，在陰極表面形成大量移動變化的陰極弧斑，燒蝕靶塊，噴射靶材等離子體，在外加偏壓作用下運動到零件表面，形成薄膜。

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

2 多弧離子鍍技術特點

多弧離子鍍技術以其獨特的技術原理，具有一系列的技術特點，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，強度和耐久性好；

4）離化率高，一般可達60％～90％，提高膜層均勻性和膜/基的結合力；

5）沉積速率高，鍍膜效率高，繞鍍性好；

6）設備較為簡單，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）外加磁場可以改善電弧放電，使電弧細碎，細化涂層微粒，并可以改善陰極靶面刻蝕的均勻性，提高靶材的利用率。

3 多弧離子鍍技術主要工藝參數(shù)

多弧離子鍍技術工藝過程復雜，各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)較多，所以影響鍍膜質量的因素很復雜。下面介紹幾個主要的工藝參數(shù)及其研究情況。

3.1基體沉積溫度

基體沉積溫度對膜料粒子的形核、擴散，膜層的生成、生長都有影響，對膜層的結構、膜/基間的結合力產(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，膜層越容易長大，提高沉積速率；但溫度過高，會造成膜基間熱應力加大，影響結合力，同時組織發(fā)生粗化，降低機械性能。

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，結果表明鍍膜溫度對TiN與Cr/Cu接觸界面的形成與表面的微結構有直接的影響: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；適當提高離子鍍溫度到120℃，表面層狀生長均勻、微晶粒細化，界面分界處開始呈現(xiàn)模糊；170℃生成膜表面TiN與Cr/Cu界面模糊不清。

3.2反應氣體壓強

反應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，對薄膜的性能有很大影響，還會影響到膜層的內(nèi)應力。

楊英［14］、楊洪剛［15］、謝仕芳［16］、薛鈺芝［17］等都曾對N2分壓或流量對TiN或Ti-Al-N系膜層的性能影響作過研究。其中，薛鈺芝等對多弧離子鍍（在0.4Pa，0.1Pa，0.05Pa氮分壓下）的TiN鍍層進行了研究，比較了不同氮分壓下鍍層色澤、顯微硬度、結合強度，結果表明，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氮分壓時的顯微硬度高于0.1Pa時，但當?shù)謮涸俳档蜁r，到0.05Pa時，顯微硬度反而上升，膜基結合力隨著氮分壓的上升而增強?？傊磻獨怏w壓強作為一個重要的工藝參數(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性能，結果表明，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獲得最好的薄膜性能是離子鍍TiN薄膜的關鍵問題之一。盧龍等［19］研究了靶電流對TiAlN/TiN復合膜組織及硬度的影響，結果表明靶材電流對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，促進膜層生長，提高膜層生長速率，同時，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］等都對基體偏壓對膜層的性能影響進行過研究。其中，劉天偉等研究了偏壓對鈾表面多弧離子鍍Ti/TiN多層膜的結構及抗腐蝕性能的影響。結果表明，脈沖偏壓不但影響多層膜物相各衍射峰的強度，還誘導新相Ti2N的出現(xiàn)。制備的多層膜呈“犬牙”交錯的層狀、柱狀結構生長。隨脈沖偏壓的增加，柱狀晶結構細化，薄膜變得更加致密。

4 多弧離子鍍技術在高精度儀表中的應用及存在的問題

4.1多弧離子鍍技術在高精度儀表中的應用

高精度儀表采用動壓氣浮軸承技術，具有抖晃小、噪聲低、轉速高、壽命長等優(yōu)點［8，23］，圖4所示為高精度儀表動壓氣浮軸承結構示意圖［24］，軸承摩擦副由半球和球碗組成。

圖4　高精度儀表軸承結構示意圖Fig.4 Structure of high precision instruments' hemisphere hydrodynamic bearing

為了改善動壓氣浮軸承零件的摩擦磨損情況，提高儀表運行的穩(wěn)定性和使用壽命，需要提高軸承零件的表面機械性能，主流方法是對軸承零件進行表面改性，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的面心立方結構，由金屬鍵和共價鍵混合而成，同時具有金屬晶體和共價晶體的特點，具有高硬度（HV可達2000以上）、高強度、高耐磨性、優(yōu)良的熱和化學惰性、優(yōu)良的導電性以及高溫強度和耐蝕性等，是多弧離子鍍技術幾十年發(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HV2700以上，經(jīng)精研表面粗糙度Ra達0.033μm時顯微硬度仍能達到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厚膜結合性能的因素，探討了多弧離子鍍制備的TiN厚膜的失效機理，針對特材半球形零件，分析了鍍TiN厚膜結合性能的影響因素。

經(jīng)過多年的理論研究和工藝實踐，我國已經(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，各項指標達到技術條件要求，成功應用于型號產(chǎn)品。圖5所示為我們采用多弧離子鍍技術鍍覆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，結構類似金剛石，碳原子主要以sp2和sp3雜化鍵結合，sp3鍵含量越高，越接近金剛石，具有超高硬度、超高強度、低摩擦系數(shù)、高電阻率、良好的光學性能等優(yōu)良性能［29］。

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

經(jīng)過多年的理論研究和工藝實踐，我國已經(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，各項技術指標達到設計要求，成功應用于型號產(chǎn)品。圖6所示為我們采用多弧離子鍍技術鍍覆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多弧離子鍍技術在高精度儀表應用中存在的問題

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發(fā)生碳化，使用環(huán)境較惡劣時會發(fā)生膜層脫落等。這些都是對我們提出的新挑戰(zhàn)、新問題，需要進一步研究解決。

5 結論

經(jīng)過40多年的發(fā)展，多弧離子鍍技術原理、特點、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用也取得了突破性的成果，推動了我國新一代高精度儀表的研制。雖然還存在一些問題有待研究解決，但多弧離子鍍技術在半球動壓馬達中的應用前景非常廣闊。

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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，研究方向為慣性器件離子鍍膜工藝。

2015-05-29