表面合金化原理

表面工程概论实践教学内容

1.等离子表面冶金炉

1）结构特点

该设备抽气系统设置机械泵和扩散泵。根据工作要求，炉内可获得低真空和中高真空。在炉壁设置一弧靶，从炉底引入两阴极柱。当系统抽到高真空时，利用弧靶和一个阴极靶（弧靶提供金属离子，阴极上悬挂工件），可以实现在金属工件上镀金属膜层、镀金属化合物膜层。当系统抽到初、中真空时，利用弧靶和一个阴极靶，可以进行弧光辉光渗金属。利用两个阴极靶，一个阴极靶悬挂欲渗金属，另一个阴极靶悬挂工件，进行双层辉光离子渗金属。本设备实现弧光、辉光渗金属技术的复合。

2)表面合金化原理及设备功能

一、表面合金化原理

①双层辉光渗金属技术

双层辉光离子渗金属技术是利用真空条件下双层辉光放电所产生的低温等离子体而形成的一种等离子表面冶金方法。其主要功能是在可导电材料表面形成具有特殊物理化学性能的合金层。例如在普通碳钢表面形成高速钢、不锈钢和镍基合金等。在钛及钛合金表面形成各种耐磨、耐蚀、抗高温氧化的合金层和在金属材料表面形成高硬耐磨的金属陶瓷复合层等。

双层辉光离子渗金属原理图。抽真空至1Pa左右后，充Ar气至30-50Pa，阴极（即工件）置400-500V负偏压，欲渗金属极（称为源极）置800-1000V负偏压。在偏压的作用下，气体被点燃，产生强烈的辉光放电，在阴极和源极之间产生不等电位空心阴极效应，使得工件被迅速加热到高温，使的欲渗金属原子被溅射出来，沉积到工件表面，在高温下，在工件表面沉积原子浓度梯度的作用下，原子通过扩散，进入工件表层，形成表面合金层。图4给出利用双层辉光离子渗金属技术在普通碳钢表面获得渗铬层，使得普通碳钢变为表面不锈钢，获得优良的耐蚀性。

②加弧辉光离子渗金属技术

加弧辉光离子渗金属原理。其特征是在双层辉光离子渗金属装置中，引入冷阴极电弧源，把辉光放电和弧光放电有机的结合起来，在被处理工件周围设置辅助阴极，利用辉光放电空心阴极效应使工件迅速升温。本设备同时在真空容器壁上设置一个金属阴极电弧靶源，利用真空电弧放电引燃电弧源，不断地发射出高能量、高密度、高离化率的欲渗金属离子流，在工件负偏压的作用下加速到达工件表面。依靠扩散和离子轰击作用快速渗入工件表面，在工件表面可以形成渗层、镀层、渗镀结合层。

二、功能：

利用双层辉光离子渗金属技术，在金属材料表面可渗入特定的合金元素，包括几乎所有的高熔点金属，如W、Mo、Cr、Ni等，可大幅度提高材料表面的耐磨、耐腐蚀性能；强化材料表面，提高抗疲劳性能；提高材料的抗高温氧化性能；同时也可生成具有特殊功能的合金层。用石墨作源极，可在钛合金表面实现无氢渗碳，提高钛合金的耐磨性。双层辉光离子渗金属技术具有节约贵金属，节省能源、无公害，并可大面积处理及表面合金成份可控等显著优点。已成功地应用于手用

锯条，机用锯条，大型钢板，化工用阀门及液体泵，钢窗附件以及汽车排气阀等。是一项有广阔应用前景的表面工程技术。利用双层辉光渗金属技术生产的表面高速钢手用锯条，此锯条具有国外双金属锯条相近的性能，而成本仅为双金属锯条的一半。

利用加弧辉光离子渗金属技术，同样可在金属表面实现特定金属、非金属元素的渗入，提高材料表面的耐磨、耐腐蚀性能、抗疲劳性能；与双辉渗相比，具有一些特点：

1．渗速极快，平均值为300~700µm/h；

2．工件形状不受限制，可以在炉内任意放置；

3．工件可以转动，能实现均匀渗镀；

4．不仅可以渗镀高熔点的金属和合金如Ti,Mo,Cr,Ni,Cr-Ni,W-Mo等，还可以渗镀低熔点的金属和合金Al,Zn,Pb,Al合金等；

2 多功能离子镀膜机

1）结构特点

该设备的真空抽气系统由机械泵、罗兹泵和扩散泵组成，用于获得高真空。炉壁设置4个弧靶和2个磁控靶。该设备可用于多弧离子镀膜和磁控溅射镀膜，也可以同时工作，用途极为广泛。

2）镀膜原理与设备功能

一、镀膜原理

①多弧离子镀膜原理

多弧离子镀技术是采用阴极电弧蒸发源的一种离子镀技术。阴极电弧蒸发源可以使Ti、Al、Zr、Cr等单项靶材，也可以是由它们组成的合金靶材。多弧离子镀应用面广，实用性强。除了具有其他各种离子镀方法的广泛用途外，特别是在高速钢刀具镀覆TiN膜层的应用方面发展的最为迅速，并进入了工业化阶段。多弧离子镀的基本组成包括真空镀膜室、阴极弧源、基片、负偏压电源、真空系统等。阴极弧源是多弧离子镀的核心，它所产生的金属等离子体自动维持阴极和镀膜室之间的弧光放电。微小弧斑在阴极靶面迅速徘徊，弧斑的电流密度很大，达到105-107A/cm²，电压为-20V左右。由于微弧能量密度非常大，弧斑发射金属蒸汽流的速度可以达到103m/s。阴极靶本身既是蒸发源，又是离化源。外加磁场可以改变阴极弧斑在极靶面的移动速度，并使弧斑均匀、细化，以达到阴极靶面的均匀烧蚀，延长靶的使用寿命。工件加500V左右的负偏压。通入真空室的氮气在阴极等离子区被离化为N离子或活性N原子,这样从弧靶蒸发出来的Ti离子或活性Ti原子与N离子或活性N原子生成TiN并沉积在工件表面，生成TiN 膜。

②磁控溅射镀膜原理

磁控溅射源系统可以是平面磁控溅射源、圆柱面磁控溅射源和S抢型磁控溅射源。本设备采用平面磁控溅射源。其工作原理是在二极溅射的阴极靶面上建立一个环形封闭磁场，它具有平行于靶面的横向磁场分量，该磁场由靶体内的磁体产生。此外，磁控溅射装置的阳极就在阴极四周，基片不在阳极上，而在靶对面

的悬浮基片架上。镀膜时，基片架可以加负偏压，也可不加。磁控溅射与多弧离子镀的主要区别就是用磁控溅射源取代多弧离子镀的离子蒸发源。因此，磁控溅射的工作电压在-400--600V。

二、功能：

该设备既能制备纯金属膜，也能制备金属化合物膜或复合材料膜，既能制备单层膜，又能制备多层复合膜；既能用于装饰镀，也能用于功能镀。如Ti-Al-Cr 涂层用于钛合金高温防护涂层；TiN用于装饰镀；TiN、ZrN、TiC、（Ti,Al）N 等超硬涂层，用于刀具或耐磨件。资料介绍，用多弧离子镀TiN后的M3滚刀与未镀膜层的M3滚刀的切削对比试验表明，前者加工的工件数是后者的8倍多，由于TiN涂层的高硬度和低的动、静摩擦因数，使滚刀使用寿命显著提高.表1给出不同钻头的切削性能比较，结果显示，随钻速从500r/min提高到1000r/min，镀TiN的钻头的相对寿命是无涂层钻头的寿命从5.38倍提高到7.24倍。

B品制备及前处理工艺

1）样品的打磨

2）样品的清洗

小样品：用丙酮、酒精清洗

大样品及样品多时用超声波机。水中加金属清洗剂。洗完后清水冲洗干净。最后手接触样品时戴塑料进行，以免汗啧污染。

3）装炉待处理

C 多功能镀膜机操作规程

多功能离子镀膜机操作要点

1.确认各开关置于“关”位置

2.合上各空气开关

3.开电源、开气泵、开水泵，待指示灯亮后，开维持泵，开扩散泵（扩散泵加

热50分钟后处于工作状态）

4.开放气阀，打开炉门，装入工件，检查工件转动情况，各工件之间，工件与

转架不得有碰撞现象

5.关闭炉门，开机械泵，开旁通阀，开钟罩阀

6.开压强控制仪。当P≤2×102P a时，关旁通阀，开罗兹泵

7.当P≤1×100P a时，关钟罩阀，开系统阀，开高阀

8.P≤1×10-1P a时，关系统阀，关罗兹泵，关机械泵（当工件较大时，开加热，

开转动）

9.当P≤8×10-3P a时，开氩气、氮气、钢瓶阀开关

10.开氩气流量计电源，开关置于“阀控”处，调节电位器，充入氮气，使压力

达到要求

11.开转动电源，设定转动频率15-20之间，按确认键，加载