直流磁控濺射鍍膜在不銹鋼刀片涂層技術(shù)中的應(yīng)用

摘 要：磁控濺射屬于一種真空鍍膜技術(shù)，在微電子、光學(xué)薄膜、材料表面處理等眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著磁控濺射鍍膜技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。文章中，主要在探討磁控濺射鍍膜在刀片涂層技術(shù)中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)磁控濺射真空鍍膜技術(shù)的應(yīng)用機(jī)理、靶的結(jié)構(gòu)、靶的選材與提高鍍膜質(zhì)量的方法進(jìn)行了研究，在文章最后，對(duì)磁控濺射鍍膜刀片的應(yīng)用與發(fā)展前景進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：磁控濺射；鍍膜刀片；涂層技術(shù)；應(yīng)用

1 磁控濺射鍍膜機(jī)理分析

磁控濺射鍍膜所獲得的膜層質(zhì)量較好，膜基強(qiáng)度較高，設(shè)計(jì)性能較好，廣泛應(yīng)用于刀具涂層中。磁控濺射鍍膜機(jī)理如下：

1.1 二極直流濺射鍍膜

通過(guò)離子對(duì)靶材表面進(jìn)行轟擊，將靶材原子擊出的現(xiàn)象被稱(chēng)為濺射，通過(guò)濺射所形成的原子沉積并在基體中成膜的技術(shù)，被稱(chēng)之為濺射鍍膜技術(shù)。二極直流濺射鍍膜屬于最常見(jiàn)的濺射鍍膜，其機(jī)理為：通過(guò)氣體放電形成氣體電離，氣體電離中正離子在電場(chǎng)影響下，對(duì)陰極靶材進(jìn)行快速轟擊，并將陰極靶材中的原子或分子擊出，在被鍍基體的表面成膜。二極直流濺射鍍膜適用于半導(dǎo)體與金屬靶材中，但不適用于絕緣材料，且濺射過(guò)程中陰極靶電流密度較低，成膜速度速度較慢，在低氣壓環(huán)境中不能進(jìn)行濺射，氣壓較低，放電維持困難，氣壓較高，膜層中存在氣體，會(huì)影響膜層質(zhì)量。

1.2 磁控濺射

磁控濺射機(jī)理與二極直流濺射機(jī)理基本是相同的，但在磁控濺射技術(shù)中，在靶的結(jié)構(gòu)中安裝了永久磁鐵，將電場(chǎng)與磁場(chǎng)正交，并形成正交電磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的應(yīng)用，能夠?qū)﹄娮舆\(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行改變，正交電磁場(chǎng)能夠約束并延長(zhǎng)電子運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了氣體電離率，并實(shí)現(xiàn)了電子能量的有效利用。其工作機(jī)理如下圖：

磁控濺射機(jī)理示意圖

磁控濺射機(jī)理的應(yīng)用，在高密度等離子體異常輝光放電過(guò)程中，在正離子對(duì)靶材進(jìn)行轟擊的過(guò)程中，所轟擊的靶材濺射較之二極直流濺射更加有效。電子被正交電磁場(chǎng)約束，在電子能量完全消耗后，會(huì)在基片上進(jìn)行沉積，形成鍍膜。這種磁控濺射機(jī)理充分體現(xiàn)了高速與低溫兩大特征。

2 磁控濺射鍍膜在刀片涂層中應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)

2.1 靶的結(jié)構(gòu)與靶材選擇問(wèn)題

在磁控濺射真空鍍膜技術(shù)中，磁控濺射靶的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)較多，如下圖，為同軸圓柱靶與圓形平面靶：

同軸圓柱靶與圓形平面靶示意圖

圖中，1：水冷系統(tǒng)；2：陰極體；3：法蘭；4：屏蔽罩；5：靶材；6：極靴；7：永磁體；8：螺母；9：密封圈；10：螺帽；11：絕緣；12：壓環(huán)；13：基片；14：輔助陽(yáng)極。

靶的結(jié)構(gòu)除了同軸圓柱靶與圓形平面靶以外，還包括矩形平面靶、旋轉(zhuǎn)式圓柱矩形靶、特殊結(jié)構(gòu)靶等。靶型主要是由陰極體、屏蔽罩、靶材、永磁體、壓環(huán)、基片、輔助陽(yáng)極等共同組成。根據(jù)刀片涂層的用途及對(duì)膜性能的要求選擇合適的靶型。

2.2 合理布局靶內(nèi)永久磁鐵，保證膜層均勻性

靶內(nèi)永久磁鐵的布局直接影響著靶的濺射率，影響著膜層的均勻性。這是因?yàn)榇趴貫R射情況下的膜層均勻性與靶材濺射率是磁場(chǎng)強(qiáng)度存在著極大關(guān)系。為此，在進(jìn)行靶內(nèi)永久磁鐵的設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過(guò)合理分析，保證永久磁鐵在靶內(nèi)布局的合理性。在磁場(chǎng)強(qiáng)度要求下，引入導(dǎo)磁極靴，保證磁場(chǎng)強(qiáng)度水平分量分布均勻，從而提高膜層均勻性與濺射速率。

2.3 增加鍍膜穩(wěn)定性及強(qiáng)度

選擇合適的基片溫度，氣體壓強(qiáng)沉積速率等磁控濺射工藝參數(shù)，提高設(shè)備構(gòu)建焊縫質(zhì)量，結(jié)合膜的性能要求，對(duì)濺射參數(shù)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，能夠有效提高膜與不銹鋼刀片基片界面之間的附著強(qiáng)度。

2.4 提高膜純度

在靶材結(jié)構(gòu)中設(shè)置屏蔽罩，通過(guò)屏蔽罩進(jìn)行非靶材零件發(fā)射電子的截獲，從而讓其非靶材電子不產(chǎn)生輝光放電，提高膜的純度。

3 磁控濺射鍍膜在不銹鋼刀片涂層技術(shù)中的應(yīng)用及前景

磁控濺射所獲得膜層具有著質(zhì)量高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，膜基結(jié)合強(qiáng)度較高等較多優(yōu)勢(shì)，在刀具涂層中應(yīng)用十分廣泛。TiN屬于一種硬質(zhì)薄膜材料，TiN膜硬度在20GPa左右，其抗機(jī)械性能與抗磨損性能較好，且與基體結(jié)合牢固性較強(qiáng)，多被應(yīng)用于刀片涂層的底模中。在TiN薄膜材料的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展處了較多的薄膜材料，膜層逐漸向多元化與復(fù)合化發(fā)展。如在TiN涂層的基礎(chǔ)上摻入Al元素，形成一種新型的TiAIN涂層，TiAIN涂層具備更高的硬度，耐熱溫度也大幅度提高。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，難以進(jìn)行加工的材料越來(lái)越多，如何提高不銹鋼刀片刃口的硬度及性能成為了研究的重點(diǎn)。將磁控濺射應(yīng)用于提升不銹鋼刀片刃口涂層中，如利用射頻電源，通過(guò)反應(yīng)磁控濺射技術(shù)可以獲得金剛石涂層，從而提高刀片刃口硬度。然而這種涂層膜基結(jié)合牢固性不足。類(lèi)金剛石涂層是當(dāng)前研究與應(yīng)用較多的一種超硬薄膜，具備著摩擦系數(shù)低、硬度高、耐腐蝕性能好、生物相容性?xún)?yōu)良等較多優(yōu)勢(shì)，在刀片刃口涂層應(yīng)用中效果十分明顯。類(lèi)金剛石薄膜制備的技術(shù)較多，如激光束蒸發(fā)、離子束濺射、脈沖高能量密度等離子體技術(shù)、磁控濺射技術(shù)等，因磁控濺射鍍膜法沉積速率較快，沉積溫度較低，且薄膜均勻性較好，被廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前，刀片刃口涂層發(fā)展主要表現(xiàn)為兩種趨勢(shì)，第一種趨勢(shì)為減少涂層摩擦系數(shù)，進(jìn)行自潤(rùn)滑涂層的開(kāi)發(fā)；第二種趨勢(shì)為提高刀片刃口硬度，進(jìn)行超硬材料開(kāi)發(fā)工作。磁控濺射屬于一種先進(jìn)實(shí)用的真空鍍膜方法，在電子領(lǐng)域、光學(xué)領(lǐng)域、材料處理、刀片刃口表面處理等眾多領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用。相信隨著時(shí)代的發(fā)展，磁控濺射鍍膜技術(shù)會(huì)在更多領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著重要作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

磁控濺射為一種新型的真空鍍膜技術(shù)，在不銹鋼刀片涂層中應(yīng)用磁控濺射技術(shù)，能夠有效提高刀片的硬度及整體性能。磁控濺射在微電子、光學(xué)薄膜、材料表面處理領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。在本文中，主要對(duì)磁控濺射的工作原理、磁控濺射鍍膜在刀片涂層中應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)、磁控濺射鍍膜在不銹鋼刀片涂層技術(shù)中的應(yīng)用及前景進(jìn)行了探討。相信在未來(lái)，磁控濺射技術(shù)將會(huì)在更多領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮更大作用，獲得更好的綜合效益。

參考文獻(xiàn)

[1]郝曉亮.磁控濺射鍍膜的原理與故障分析[J].電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2013，（6）：57-60.

[2]馬騰飛，魏宗壽，董緒偉等.綠色鍍膜用磁控濺射電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2010，44（4）：66-68.

[3]郭明，楊建社.淺析磁控濺射氧化錫鍍膜工藝[J].玻璃，2013，40（2）：27-33.

[4]張勇喜，金秀，胡雯雯等.靶材刻蝕對(duì)磁控濺射鍍膜厚度分布的影響[J].光學(xué)儀器，2011，33（1）：78-82.