多弧离子镀氮化钛

多弧离子镀氮化钛（TiN）超硬反应膜

氮化钛的分子量为61.89，密度5.43，熔点2930℃，可用钼舟加热蒸发，用电子束加热蒸发较好，也可以用溅射或离子镀方法制备氮化钛薄膜。氮化钛膜具有高硬度、低摩擦系数、良好的化学惰性、独特的颜色及良好的生物相容性。

氮化钛薄膜具有一些特殊的物理性质，比如它具有极高的物理硬度（2100HV），非常耐磨损的性能，具有和金属一样的导电性，宽范围的固溶度，很好的高温稳定性和化学惰性。氮化钛薄膜的这些有价值的特性已被应用于刀具工业，以增加切削刀具的使用寿命等方面。氮化钛薄膜具有高金属反射率及随化学计量和晶格畸变而变化的颜色特性。氮化钛薄膜具有类似黄金的外观，可使一些物品具有仿金的外观并且大大增加了物品抗划伤的能力，氮化钛薄膜也可作为一种选择性透射热镜材料，这种玻璃基底上的氮化钛薄膜的选择性，已由不透明氮化钛薄膜的光学常数做了计算。

多弧离子镀氮化钛薄膜的组织机构、力学性能受多种工艺参数的影响，包括：沉积温度、基体偏压、靶电流、离子轰击、氮气分压等。具体影响如下：

（1）沉积温度多弧离子镀氮化钛薄膜，加热温度在200℃，沉积温度在400～600℃。温度太低，形核不均匀，为疏松、粗大的锥状晶组织，膜硬度、结合力、耐磨性等力学性能较差；温度太高，基体过热软化，为疏松的柱状晶，性能较差。沉积温度在500℃时最好，膜层的硬度和结合力较好。

（2）离子轰击离子轰击可以提高基体的温度，使膜层密度提高，并提高膜层硬度和耐磨性，基体温度低易得到疏松的锥状晶，而温度太高又易得到粗大的柱状晶，只有温度适宜才能得到致密的柱状晶，膜层硬度则由于原子排列更加规则、空隙减小和晶界强化等原因而有所提高。

（3）偏压偏压有直流和脉冲两种，偏压直接决定着镀膜过程中基体的沉积温度，偏压越高基体的沉积温度越高。无偏压时，氮化钛膜为（220）择优，硬度较低（2000HV），结合力较差，摩擦系数较高；若施加直流偏压后，为（111）择优，具有强烈的（111）取向，膜层结合力较好，偏压越高，（111）择优越明显，离子轰击增强，基体温度升高，膜层致密度增大，硬度达2500HV，结合力达45N左右，摩擦系数减小到0.3左右；偏压高时（500V）基体过热软化退伙，且（111）择优较弱，膜层界面应力大，硬度、结合力变差，同时偏压太高时，高能粒子轰击薄膜表面时，产生反溅射，沉积速率较低，并在表面形成微坑，组织性能恶化，而且随直流偏压升高，基体温度快速升高，薄膜晶粒快速长大，形成粗大组织，也使性能降低。

（4）靶电流靶电流的影响：在一定偏压下，靶电流决定基体温度和宏观力学性能，靶电流增大，集体温度升高，晶体由柱状晶生长向致密的等轴晶生长转变，膜层硬度随之增加；靶电流太小，沉积速率过低，且在沉积过程中容易熄弧；电流太大则容易形成大颗粒（液滴），硬度等各项性能下降，一般靶电流在80A以内，50A时硬度、结合力最好。

（5）氮气分压影响膜层的相组织，维弧作用。

（6）时间影响基体温度、膜层厚度、膜层色泽等。

沉积氮化钛薄膜的典型工艺如下：

（1）抽真空至6.0 x 10-3Pa时，加热至200℃，充人氩气，真空度降至2～3帕，接通工件偏压电源，对工件进行轰击清洗。

（2）沉积钛底层，真空度调至3.0 x 10-1Pa，偏压调至500V，逐个引燃小弧源产生冷场致弧光放电，在工件负偏压的作用下沉积到工件上形成钛底层，以提高硬质膜层的结合力。钛金属放电时，真空室内的等离子体的光为蔚蓝色。

（3）沉积氮化钛薄膜，真空度调至3～５x 10-1Pa,工件偏压调至100至200V，通入氩气后沉积氮化钛，其中氩气的分压在0.5～0.8 x 10-1Pa，占空比40～６０%，弧流50~80A，时间2~10min。