磁过滤电弧离子镀TiN薄膜的制备及其强化机理研究
2018-06-15
TiN薄膜是目前研究较多的薄膜材料之一，具有硬度高、耐磨性好、摩擦系数低(0．1～0．4)等优点，广泛应用于各个领域，据统计，在刀具行业中，80％的加工量由涂层刀具完成，而其中80％是TIN涂层。在TiN膜发展初期，刀具表面涂覆2um～3um的一层TIN膜，的确提高了刀具的耐磨性，大大延长了刀具的使用寿命，但是随着加工业的发展和人们对TiN薄膜研究的深入，TiN膜的一些缺陷和不足之处不断显露出来。多弧离子镀技术中，低气压弧光放电的物理过程，决定了多弧离子镀在弧源靶材蒸发的同时，不可避免地会飞溅出一定数量且具有一定尺寸的靶材液滴，这些液滴最终会在薄膜表面形成宏观颗粒(MP)，这些颗粒的存在极大地影响了薄膜表面的光洁度，增大了摩擦系数，降低了薄膜的硬度，因而限制了其在工况较为恶劣情况下的应用。而且，这些液滴的存在会在薄膜内部形成孔洞等缺陷，工件在使用过程中，尤其是在腐蚀介质中使用时，这些液滴造成的孔洞会成为腐蚀源而引起工件的早期失效。
为了减少或者控制薄膜表面的宏观颗粒，研究者们已经进行了大量的研究。一种方法是利用水冷措施，并在阴极上加上拱形磁场，从而减少宏观颗粒的产生；另一种方法就是对宏观颗粒进行过滤，即在宏观颗粒产生之后，利用磁过滤装置将它们从等离子体中分离出去，使之不落到衬底材料上。目前常用的磁过滤装置有直线型和曲线型两种结构，本文使用曲线型磁过滤器，在高速钢基体上制备了高质量的TiN薄膜，讨论了磁过滤电弧离子镀(MFAIP)TiN薄膜的强化机理，并指出磁过滤器是制备高质量TiN薄膜及其复合薄膜行之有效的一种方法，是今后制备高质量TiN及其复合膜的发展方向。
多弧离子镀膜技术已经得到了广泛的应用。与其它技术相比该技术有很多优点，但也存在着明显的缺点，即在制备的涂层中存在“大颗粒”或称“液滴”，造成涂层粗糙，并存在针孔，降低了抗摩擦和耐腐蚀性能。因而限制了多弧离子镀膜技术的应用与发展，特别是在高档模具和耐腐蚀零件上的应用与推广。
为了克服“大颗粒”问题，我们首先从理论上分析了“大颗粒”产生的机理和磁过滤装置过滤“大颗粒”的理论解释，设计并研制r直线型过滤电弧装置，对沉积TiN薄膜进行了一系列工艺实验，对膜层的结构和性能进行了检测。与普通电弧阴极所镀TiN薄膜相比，得出以下结论：
1．沉积薄膜的速率略有下降，但薄膜表面粗糙度明显改善。
2．显微硬度增加。
3．表面形貌明显改善，可“大大减少或完全消除“大颗粒”。
4．耐腐蚀性能明显提高。因此，采用直线型磁过滤装置可以扩大多弧离子镀膜技术的应用范围，是限制和消除普通电弧阴极产生“大颗粒”的有效途径之一。