表面工程技术的作用

表面工程技术的作用表面工程技术的作用是多种多样的， 但其最重要的作用为提高金属机件的耐蚀性、 耐磨 性及获得电、磁、光等功能性表面层。1) 腐蚀保护性即可以提高基体材料的耐大气、海洋大气、天然水及某些酸碱盐的腐蚀作用。例如若在钢构件上喷涂一层8515AI15 合金，可使构件在海水中耐腐蚀 2040 年。2) 抗磨性包括抗磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损等。例如若在刀具表面镀上一层TiC、TiN 或 Al 203 薄膜，成为防止钢屑粘结的表面薄层，从而提高刀具寿命 36 倍。3) 电性能包括绝缘性、导电性等。4) 耐热性包括抗高温氧化、热疲劳等性能。5) 光学特性包括反光性、光选择吸收性、吸光性等性能。6) 电磁特性包括磁性、半导体性、电磁屏蔽性等性能。7) 密封性。8) 装饰性包括染色性、光泽性等性能。9) 其它表面特性诸如耐疲劳性、保油性、可焊接性等性能。表面技术的应用使基体材料表面具有原来没有的性能，这就大幅度地拓宽了材料的应用领域，充分发挥了材料 的潜力。举 例如下：1) 可用一般的材料代替稀有的、昂贵的材料制造机器零件， 而不降低甚至超过原机件的质量。2) 可以把两种以上的材料复合，各取所长，解决单一材料解决不了的问题。3) 延长在苛刻条件下服役机件的寿命。4) 大幅度提高现有机件的寿命。5) 赋予材料特殊的物理、化学性能，有助于某些尖端技术的发展。6) 可成功地修复磨损、腐蚀的零件。表面工程技术的分类 表面工程技术目前还没有统一的分类办法，但一般均认为表面工程技术包括表面涂镀技术、 表面扩渗技术和表面处理技术三个领域。 表面涂镀技术是将液态涂料涂敷在材料表面， 或者 将镀料原子沉积在材料表面，从而获得晶体结构、化学成分和性能有别于基体材料的涂层或镀层，此类技术有 有机涂装、 热？镀、热喷涂、电镀、化学镀和气相沉积等；表面扩渗技术是将原子渗入(或离子注入)基体材 料的表面，改变基体表 面的化学成分， 从而达到改变其 性能，它主要包括化学热处理、 阳极氧化、表面合金化和离子注入等； 表面处理技术是通过 加热或机械处理，在不改变材料表层化学成分的情况下， 使其结构发生变化，从而改变其性 能，常用的表面处理技术包括表面淬火、 激光重熔和喷丸等。可见，表面工程技术远远超出 了最初的化学热处理、电镀的范畴。表面工程技术发展的主攻方向目前，对新型金属表面技术主要集中力量开发的为以下三方面技术离子技术离子技术包括等离子和离子束技术，表 1 使各种离子技术的开发年代及其的工作气压。离子技术种类工作气压133x 10nPa开发年代、表面涂镀技术nW 350等离子喷涂v n270学气相离子镀-460托兹控溅射 3v *-170离子束镀n v5离子束辅助镀n v-5等离口n3、表面改性技术少离子注入n v570离子束共混n v-5离子化学热处理-1 n130、表面处理技术等离子刻蚀 2v *-1辉光放电退火nv2注：有*号者已在金属材料领域中实用化2. 激光技术3. 激光熔融随着机械加工工业水平的提高，对刀具提出了新的要求。除了传统的提高使用寿命外还 要求减少切削时 污染，尽 可能使用干切削。若不能取消切削液则希望其中只含防锈剂而无有机物，这样可以使循环回收的成本 大为降低。 由于切削 工具种类很多，选用陶瓷刀具或镀层 又取决于刀具的工作状态。车削和钻孔不同，铳刀又应考虑其断续冲击的特点。 本文就刀具 镀层发展过程及今后的要求，结合我们所作的研究对这一领域的发展作一概述。切削加工的现状切削加工是金属材料最基本的成型手段之一，在一个国家的机械制造业中起着举足轻 重的作用。据美国统计，目前每年用于切削加工的费用在1000 亿美元以上，切削加工创造的总产值为5580 亿美元。据 1991年的统计资料，我国拥有的金属切削机床为300 多万台，所创造的总产值为 1000多亿元。随着工业产品的技术水平日益提高，新材料尤其是难加工材料（如高强度、高抗磨性、低导热系数材料等）相继出现，从而迫使人们不断寻找新的切削材料，促进了刀具材料的发展。进入 20 世纪 以来，新的 刀具材料不断涌现（高速钢、硬质合金、金属陶瓷和立方氮化硼等），从而使切削加工技术有了很大发展。镀层刀具材料是在刀具材料（如硬质合金、高速钢等）的基体上，用气相沉积的方法沉积一层几微米厚 的高硬度、 高耐磨损性的镀层。这种刀具材料既有基本的韧性、又有很高的硬度，因而性能优异。从二十世纪八十年代中期开始，随着等离子体技术在镀层技术中的迅速发展，先进国家逐渐推广应用，开发了纳米、非晶等多种硬质镀层。据统计国外一半以上刀具已采用了镀 膜，模具的镀膜 比例也在逐年增加。刀具磨损的主要原因在金属切削加工过程中，刀具与工件之间发生了强烈的摩擦、 热和化学作用，使得刀具 切削部分逐渐磨损或局部破损，最终失去切削能【6-9 】。工件材料中的硬质点，如各种碳化物、氧化物等，在刀具表面刻划沟纹而造成的磨粒磨损；在足够大的切削力和切削温度作用下，刀具材料与工件、切屑发生粘结现象(冷焊)。粘结点逐渐地被工件或切屑剪切、 撕裂而带走， 发生粘结磨损。电化学性质相近的金属，粘结倾向越大；刀具与工件、切削的接触面，在高温下双方金属中的 化学元素从 高浓度向低浓度处迁移， 这种固态下元素相互迁移而造成的刀 具磨损称为扩散磨损；切削温度过高，切削刃处材料易被氧化 ，形成氧化膜，导致氧化磨损； 刀尖负荷过大以及刃口热裂纹造成的崩刃等。基于以上原因，导致刀具很快发生磨损、 氧化、崩刃和变钝从而失效。 由于材料磨损主 要发生在表面，因此在表面镀上一层硬度高、耐磨损、化学性能稳定、不易氧化、抗粘结性 好、和基体附着牢 固的硬质镀 层，对于改善刀具的切削性能，提高刀具的耐用度效果明显。气相沉积技术简介和其在硬质镀层上发展及应用 气相沉积技术利用气相之间的反应，在材料或者制品表面沉积各种成分、形式的薄膜，从而使材料或者 制品获得所需的各种优异性能。一般可以将其分成两大类：化学气相沉积(Physical Vapor Deposition)和物理气相沉积 (Chemical Vapor Deposition) L1,1O硬质镀层首先是用CVD技术进行沉积的(3)。1890年，德国的Erlwein利用化学气相沉积技术首先在白炽灯丝上 形成TiC L11J o后Arkel在灯丝上用CVD方法制备出高熔点金属碳化物薄膜凹。1900年，Balzers制备出金属氮化物CrN,当时他称之为BALINIT D-CrN七】。然而，直到1952年莱 茵金属公司才在 Fe 基材料上成功地制备出具有良好结合力的硬质TiC镀层。CVD技术真正应用于工模具表面改性，则始于1969年4，到1970年瑞典，美国，德国等工模具制造公司纷 纷开始大规模镀层工具的研究与生产。化学气相沉积具有绕镀性 好，膜基结合强度高，膜层质量稳 定，易于大规模生产等 优点。但由于CVD 沉积工艺温度高(900-1000 C),超过了常规工模具钢的回火温度，一般多用于硬质合金工模具的表面镀层制备。但近年来的研究发现CVD 处理的高温也会使硬质合金组织发生变化，性能下降L15： o此外， CVD 易于造成环境的污染，使其应用范围受到一定程度的限制。由于CVD技术的这些缺点推动了PVD技术的发展。这种镀膜技术无公害、节能、沉积温度较低，其沉积工艺温度通常低于高速钢的回火温度，从而避免了高速钢镀膜后的二次热处理，节省了能源，降低了废品率，能很好地满足工业生产地要求。现在工模具PVD 技术中常用的离子镀最早是由D.M.Mattox于1963年提出并付诸实现的加。随后各种离子镀技术(多弧离子镀、溅射离子镀、活性反应离子镀等)逐渐发展和完善，始于60年代初Bell实验室和WE公司利用溅射方 法制取集成电路上的Ta膜，从而开始了它在工业上的应用。特别是 1974 年， J.Chapin 发明了磁控溅射技术，使高速、低温溅射成为现实。由于磁控溅射的日臻完善，使其能以崭新的面貌出现在技术和工业领域中。磁控溅射基本原理及发展早期溅射镀膜最大缺点是溅射速率较低，与蒸镀相比要低一个数量级6心此人们一直在寻找一种高速 溅射源。磁控 溅射由于其高效的特点，得到大家的重视，并迅速被应用到工业生产中。与二级溅射相比，传统 的磁控溅射由于采用了辅 助磁场，通过控制电子的运动轨迹， 增加了气体的离化率，降低工作气压，提 高离子电流密度，不仅提高了沉积速度，而 且镀层质量也较好2引。图1.1为平面型磁控溅射的原理图。在过去的十几年里，宙于市场不断增长的需求，传统 的磁控溅射难以满足要求。非平衡磁控溅射，闭合场非平衡 磁控溅射等4,潔新型的磁控溅射技术已成为众多科图匸1平面磁控溅射原理Fig 1.1 Schematic of magn etron arra ngeme nt研工作者的研究对象。图 1.2 中为传统磁控溅射、非平衡磁控溅射和闭合场磁控溅射的原理图。非平衡磁场分 布将磁场区域 延伸到基体的表面；闭合场磁场分布形成了闭合的磁场线， 阻止电子流失到炉壁因而极大地提高了离子电流密度，离子轰击 效果增强，可获得更佳的镀层质量。并且目前也有将磁控溅射和离子镀相结合的磁控溅射离子镀，如Teer公司的非平衡 磁控溅射离子镀设备，进一步提 高了离子电流密度。ICD 5-20叵 I 貳 TCD v 1ICD 2PSSubstrateConvenlional MagnairanUnbalanced MagrwlronPLASMAN SCI&wd-FieW UnbalancedMagnetron24图 1.2 传统磁控溅射、非平衡磁控溅射及非平衡闭合场磁控溅射原理图Fig.1.2 Theoretic diagram of conven tio nal magnetron sputteri ng, un bala nee magn etro n sputteringand un bala nee close-mag netic field sputteri ng采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术对于工业生产而言具有独特的优势：1) 非平衡磁控溅射离子镀设备具有优良的稳定性和可重复性，适于大规模生产；2) 非平衡闭合磁场提高了气体离化率，可在较低的气压、基体 偏压下获 得高离子电流密度。提高了膜基结合强度，而膜基结合强度的提高使工模具能够承受更高的工作速度与负荷，提高工作效率且延长其使用寿命；3) 镀层性能优异，膜层致密、空洞少、晶粒细小，机械性能好，且均匀性好；4) 靶材和气源可以方便更换，工艺参数易于控制，有利于研制具有优良性能的新型膜层，如化合物膜、合 金膜、梯度膜 和多层膜等。目前利用非平衡磁控溅射离子镀技术对工模具等进行表面改性已得到广泛应用， 并且越来越受到世界各国的 重视。