闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术简介

磁控溅射离子镀存在的问题
稳定性差
可重复性差
均匀性差
温度高
英国Teer公司开发的闭合场非平衡磁控溅射 离子镀设备和工艺技术则完全解决了上面的问 题，另外还具有很高的灵活性，如可以镀梯度材 料涂层和在同一基体上镀多层涂层等。目前，该 公司的设备和工艺已经被世界许多国家使用。
截至2001年底，购买Teer镀层设备的国家
闭合场非平衡磁控溅射离子镀工艺
CrTiAlN MoSTTM (MoS2 / Ti )
CrTiAlN 镀层工艺
Al
设备：CFUMSIP 靶材： 1 Ti, 1 Al, 2 Cr 气氛： Ar
2
Cr
Cr
基体 Ti
CrTiAlN 膜层微观组成观察
纳米层
CrTiAlN CrTiAlN CrN
4μm
梯度层 Cr 基体
CrTiAlN 钻孔实验
实验条件 工具: 6.35mm (¼ inch) 直径钻头 工件: 20mm 碳钢板 要求: 通孔 速度: 4050 rpm (＝ 81m/min) 进刀速率: 0.945 m/min
钻头的处理 无镀层 TiN镀层 CrTiAlN镀层 工件的硬度 (HV) 153 钻孔数量 <1 104 225
浴室塑料水龙头上 的装饰镀层
小结 现场测试结果
测试地
加工材料
钻床转速 3600n/min 1490n/min 1000n/min
镀前 镀后 钻孔数 钻孔数 1 12 3 60 243 41
提高 倍数 60 20 13
英国 15mm碳钢 Teer公司 台山港资 40mm碳钢 华一厂 深圳港资 港艺厂 40mm 模具钢
Closed Field Unbalanced Magnetron Sputter Ion Plating (CFUMSIP)
闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术简介
报告人：贾克辉
上海梦溪机电设备有限公司
www.moreseeker.com
目
录
前言 磁控溅射离子镀 闭合场非平衡磁控溅射离子镀原理 闭合场非平衡磁控溅射离子镀工艺 小结
CrTiAlN 应用
高速加工 冷变形工具 挤压工具 易磨损件
MoSTTM (MoS2 / Ti ) 镀层工艺 MoS2 设备：CFUMSIP 靶材：3 MoS2 and 1 Ti 气氛： Ar
2
MoS2
MoS2
基体 Ti
MoSTTM (MoS2 / Ti ) 镀层耐磨损性能
膜层厚度为1um； 极低的摩擦系数，在湿度为45％环境里摩擦系数 介于0.02（受力100牛顿）和0.1（受力10牛顿）之 间，在干燥的氮气环境里摩擦系数为0.005 结合力超过120牛顿（标准的刻划测试）。 工作温度可达到500oC 硬度为1000 - 2000HV 随载荷增加，摩擦系数降低 (µ = 0.045 at 100N) 低的磨损速率 4.0×10-17 m3/Nm
小 结
特色、关键技术和工艺
英国Teer公司开发的闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备和工艺
特色：
离化率高， 膜与基体结合强度好，应用于强切削时刀具和高挤压力 模具上的膜也不易剥落； 可做复合及多层膜镀层；
关键技术和工艺：
是在硬膜中掺入减摩材料，并形成纳米结构。有溅射 效率高、离化率高的工艺设备来保证。
WC基体上镀MoS2镀层与未镀镀层磨损电镜照片
(a)没有MoS2镀层
(b)有MoS2镀层
磨损速率：250 m/min, 磨损体积：2.7 ×105 mm3
MoSTTM (MoS2 / Ti ) 镀层应用
刀具、模具 易磨损件 干加工工具 冲压工具
闭合场非平衡磁控溅射离子镀其它应用
硅树脂环上的金属镀层
ห้องสมุดไป่ตู้
0.3μm 0.2μm
25nm
镀层与基体结合力性能测试
压痕硬度试验 载荷为1500N 刻痕硬度试验 载荷为10 to 60N
压椎: 0.2mm tip Rockwell diamond 距离: 10mm/min
100 μm
60N
实验结果：无严重的裂纹、碎片或分层的现象出现。 表明镀层具有良好的粘结力，高韧性以及抵抗硬材料的刻划能力。
磁控溅射离子镀原理
磁控溅射离子镀原理 镀膜室抽至高真空后， 充入氩气，控制真空度在 10-1－10-2Pa，磁控靶施加负 电压，产生辉光放电，氩离 子轰击靶材表面，使靶材原 子从靶表面溅射下来，向基 体迁移．迁移过程中部分被 电离，并在基体负偏压的作 用下沉积于基体，形成所需 膜层。
1-镀膜室；2-磁电管；3-磁控靶阳极； 4-磁控靶；5-磁控电源；6-真空抽气系统； 7-充气系统；8-基体；9-离子镀电源
前 言 世界表面处理技术的发展过程
1960 1970 1980
渗氮/渗碳处理 热处理 热喷涂 电镀处理 化学气相沉积 物理气相沉积
等离子体
激光
真空 蒸发镀
磁控 溅射
电弧 离子镀
磁控溅射 离子镀
前
言
磁控溅射离子镀
磁控溅射离子镀（MSIP）是指基体带有负偏压的 磁控溅射镀膜工艺，它把磁控溅射的优点(成膜速率高、 源为大平面源，有利于膜层厚度均匀)和离子镀过程的 优点（能改变膜基界面的结合形式，提高膜基附着力， 膜层组织致密等）结合在一起，形成了一种新的镀膜 技术。
Hongkong
闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备
英国专利号 2258343
已获专利
美国专利号 5554519 欧洲专利号 0521045
闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备原理
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 至少包含两个磁控管， 这使磁力线可以从 S 一个磁控管直接 N 延伸到另一个 磁控管。形成 S 封闭的磁阱。可 以有效阻止电子逃逸。 从而提高溅射效率和离化率。
CrTiAlN 镀层磨损性能测试
测试条件 :干燥环境下， 用φ5mm 的WC球 以 200mm/s 速度在工件表面滑动1h。
金属层
CrAlTiN镀层
磨损 痕迹
240 μm
n 基体和镀层在严厉的磨损条件下发生了塑性变形而没有失效，表明 其具有高韧性。 n 无可测量的磨损量表明镀层具有极高的抗磨损性能。
2
N
S
N
靶材
S N 磁控管 S
N
S
N
基体
闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备原理
N
S
N
磁控管示意图
为防止溅射导致的靶材温度过高，磁控管中加入了循环水冷却系统
闭合场非平衡磁控溅射离子镀过程示意图
1.靶材表面的原子受到氩离子撞击后脱离基体(即溅射)， 这些溅射的原子不带电，直接脱离磁阱，撞击到工件上 形成镀层。 2.靶材表面同时释放带负电的电子，由于闭合场的存在， 这些电子不能脱离磁 阱，它们的能量可使 更多的氩离子产生， 这意味着撞击靶材表 面的离子会随时得到 补充，即磁控溅射可 以持续进行。