磁控溅射技术在刀具涂层中的应用

科技信息 磁控溅射作为一种应用广泛的真空镀膜技术，被普遍和成功地应 用于许多方面，如材料 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面处理、微电子、光学薄膜等，目前磁控溅射技 术应用的领域还在不断扩展。 1.常用的镀膜技术 目前常用的镀膜技术从大的方面可分为两种：化学气相沉积 （ChemicalVaporDeposition，CVD）和物理气相沉积（PhysicalVaporDepo- sition，PVD）。 CVD通常在高温下进行，因此应用范围受到很大的限制。PVD技 术包括三个基本方法，即真空蒸镀、离子镀和溅射法，而每种基本方法 又派生出许多改进的方法。近年来，在PVD技术中引入了反应气体，因 此在物质迁移过程中还伴随着化学反应的进行和化合物的生成，所以 PVD法已并非是一种单纯的物理过程。 1.1溅射镀膜 用离子轰击靶材表面，靶材的原子被击出的现象称为溅射。溅射产 生的原子沉积在基体表面成膜称为溅射镀膜。通常是利用气体放电产 生气体电离，其正离子在电场作用下高速轰击阴极靶材，击出阴极靶体 原子或分子，飞向被镀基体表面沉积成膜。最常用的二极直流溅射镀膜 的原理如图1。 图1 二极直流溅射镀膜示意图 直流二极溅射的优点是装置简单，适用于溅射金属和半导体靶材。 直流二极溅射的缺点： (a)不适于溅射绝缘材料; (b)溅射时阴极靶电流密度低，因而沉积速度低; (c)放电电压高，基体易受高能粒子轰击损伤，基体温升高; (d)低气压（＜0.1Pa）下不能进行溅射。因为低气压下，阴极位降区 展宽（可达阳极表面），放电无法维持。气压较高，膜层含有气体会影响 膜层质量。 1.2磁控溅射 磁控溅射是在普通的二极溅射的基础上经过一系列的发展而形成 的镀膜技术，跟二极溅射比较起来，具有很多的优点。 图2磁控溅射原理图 图2为磁控溅射的工作原理图，如图所示，电子e在电场E作用下 加速飞向基片的过程中与氢原子发生碰撞，若电子具有足够的能量（约 为30ev），就会电离出一个Ar+和另一个电子e，电子飞向基片，Ar+在电 场作用下加速飞向阴极并以高能量轰击靶表面使靶材发生溅射。在溅 射粒子中，中性的靶原子（分子）沉积在基片上形成薄膜；二次电子el在 加速飞向基片的过程中同时受到电场E和磁场B的作用，以摆线和螺 旋线状的复合形式在靶表面作圆周运动。该电子e1在环状磁场的控制 下，运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内， 在该区域中电离出大量的离子Ar+用来轰击靶材，从而实现磁控溅射沉 积速率高的特点。随着碰撞次数的增加，电子e1的能量逐渐降低。同时 e1逐步远离靶面，并沿着磁力线来回振荡，待电子能量消耗尽时，在电 场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传给基片的 能量很小，致使基片升温较低。由于磁极轴线处电场与磁场平行，电子 e2将直接飞向基片。但是，在磁控溅射装置中，磁极轴线处离子密度很 低，所以e2类电子很少，对基片升温作用极小。 综上所述，磁控溅射的基本原理就是以磁场改变电子的运动方向， 并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工件气体的电离几 率和有效地利用了电子的能量。因此在形成高密度等离子体的异常辉 光放电中，正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更有效。同时受正交电 磁场束缚的电子只能在能量将消耗尽时才能沉积在基片上，这就是磁 控溅射具有“低温”、“高速”两大特点的机理。 2.磁控技术在刀具涂层技术中的应用 由于磁控溅射得到的膜层具有质量好、膜基结合强度高、可 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 性 强等优点，所以在刀具涂层中得到广泛的应用。 2.1磁控溅射在刀具硬质涂层中的应用 TiN是第一个产业化并广泛应用的硬质薄膜材料，是最早应用于切 削刀具的硬质涂层，目前仍在广泛使用。TiN膜硬度大约为20GPa，具有 较高的抗机械摩擦和抗磨料磨损性能，它的膨胀系数和硬质合金相近， 因而与基体结合牢固，适于作硬质合金刀片多涂层的底膜。在此基础上 又出现了VN、NbN、CrN以及VC、NbC、CrC等二元氮化物和碳化物薄 膜。但是单一的碳化物薄膜较脆，耐热温度低，很少单独使用。实际中使 用较多的为氮化物薄膜。由于单一的二元膜性能比较单一，难以满足现 代化的加工要求，所以膜层向多元化、复合化、多层化发展。 TiN涂层的基础上，添加Al元素，形成TiAlN涂层，具有更高的硬 度和耐热性能，目前可以用磁控溅射等多种PVD的方法制备出TiAlN 薄膜，通过调节Ti和Al的相对含量可以得到不同性能的薄膜，最高硬 度可到4500HV，耐热温度可达700℃。在TiAlN镀层中加入Cr元素，可 以得到CrAlTiN镀层，CrAlTiN镀层比AlTiN镀层具有更高的硬度，并 且使用温度更高，达到900℃，可以满足苛刻条件下加工要求。 TiCN膜也是研究比较多的一种多元膜，在刀具表面的应用也比较 多，TiCN膜兼有TiC和TiN膜的韧性和硬度，比常用的TiN刀具的耐用 度高2～4倍，在此基础上又出现了(Ti,Zr)CN，(Ti,Al)CN，(Ti,Si)CN多元 膜层。 在膜层复合化、多层化发展方面，国内外科研工作者也做了很多工 作。比如用磁控溅射的方法制备CrC涂层，可以先在基体上沉积一层纯 Cr层，然后逐渐增大C含量，得到CrC层，CrC层就可以借助纯Cr层与 基体牢固结合在一起。TiC/TiN双层涂层兼有TiC涂层的高硬度和高耐 磨性，并有TiN涂层良好的化学稳定性和高抗“月牙洼”磨损性能。由于 TiC的热膨胀系数比TiN更接近基体，涂层的残余应力较小，与基体结 合牢固，并有较高的抗裂纹扩展能力，所以常用作多层涂层的底层。 Al2O3涂层有很多优良的性能，但Al2O3与基体的结合强度较差，在基体 上先沉积一层TiC，然后再沉积Al2O3，得到TiC/Al2O3，可以明显改善 Al2O3涂层与基体的结合力。 2.2磁控溅射在超硬刀具涂层中的应用 一般把硬度超过40GPa的材料叫做超硬材料。随着现代制造业的 进步，难加工材料越来越多，对金属切削刀具提出了越来越苛刻的技术 要求。国内外科研工作者在超硬薄膜材料方面也取得了很多成果。 2.2.1金刚石涂层 目前制备金刚石涂层的方法很多，多为CVD方法。通过磁控溅射 的方法，采用射频电源用反应磁控溅射的方法可以得到金刚石涂层。金 刚石涂层的应用目前还比较少，主要是膜基结合力差，所以金刚石薄膜 的研究重点之一就是提高膜基结合力，以此来提高涂层的使用寿命。 2.2.2类金刚石涂层 类金刚石薄膜（Diamond-likecarbon，DLC）是目前研究较多和应用 广泛的一种超硬薄膜。DLC薄膜具有极低的摩擦系数、极高的硬度以及 良好的耐腐蚀、光透过率、生物相容性等一系列优异性能，使得其作为 工模具的强化涂层以及磁记录、光记录器件的表面保护膜等得到了越 来越多的应用；类金刚石薄膜在半导体、发光、电磁介质等方面的优异 性能也正在开发研究中。 磁控溅射技术在刀具涂层中的应用 河南煤炭建设集团有限责任公司焦作弹簧分公司 闫继超 溅射靶 NSN e3 B軑 e2 e1 Ar Ar+ e e1 c e E 基片 靶原子 Ar Ar+ （下转第283页） 工程技术 282— — 科技信息 DLC膜中的C原子是由sp1（量很少，可忽略不计）、sp2（与石墨结构 相同）、sp3（与金刚石结构相同）三种杂化键组成，DLC膜其实是由金刚 石微晶、石墨以及无定形碳组成的混合物，因此不同的制备方法，得到 的DLC膜在结构上、性能上会存在很大的差异。 类金刚石薄膜制备的方法很多，如磁控溅射、离子束溅射、激光束 蒸发、脉冲高能量密度等离子体技术等物理气相沉积(PVD)方法以及化 学气相沉积(CVD)方法如：微波等离子体CVD、热丝CVD、射频辉光等 离子体CVD、电子回旋共振(ECR)CVD等。在所有技术中，磁控溅射法 具有沉积温度低、沉积速率较高、沉积薄膜光滑、致密、均匀、结合力好、 在较高真空下工作因而薄膜质量较高、容易掺杂并能够精确控制掺杂 量等优点，是应用最多的方法之一。 2.3磁控溅射在自润滑刀具涂层中的应用 目前，刀具涂层的发展存在两种趋势，一种是提高硬度，开发超硬 涂层；另一种是减小涂层摩擦系数，开发自润滑涂层。硬涂层主要是元 素周期表中ⅣA、ⅤA、ⅥA族金属元素与C、N、O等元素的化合物；减摩 涂层则主要是MoS2、WS2等硫族化合物以及金属基石墨涂层。 开发自润滑涂层可以减少刀具与工件之间的摩擦，提高刀具使用 寿命，并且可以少用或不用润滑介质，不仅可以减少加工成本，而且可 以实现“绿色生产”。 2.3.1类石墨涂层 1996年，Amaruatnga提出了高硬度sp2碳结构的存在。学者称这种 sp2碳结构为主的碳膜为类石墨碳膜（Graphite-LikeCarbon，GLC）。近年 来的研究发现，以sp2结构为主的类石墨碳膜硬度可以达到20～40GPa， 却不存在与黑色金属起触媒效应的顾虑，其摩擦系数低又有很好的抗 湿性，切削时可以采用干切削，其寿命比非镀层刀具有成倍的提高。适 中的硬度，低的摩擦系数且可加工黑色金属等特点，能够解决类金刚石 膜在机械方面应用中存在的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，使其在刀具和模具方面有着比类金 刚石薄膜更为广泛的应用前景。 目前利用直流磁控溅射石墨靶的方法可以得到GLC薄膜，并已经 成功实现工业化应用。 2.3.2高硬/MoS2复合镀层 MoS2具有很低的摩擦系数，是一种常用的固体润滑材料。如果能使 MoS2弥散分布在硬质涂层中，则可以在不降低硬度或稍微降低硬度的 前提下显著降低摩擦系数，得到自润滑涂层，一些科研单位已经在这方 面做了一些探索性的研究。上海大学材料学院利用非平衡磁控溅射的 方法制备了CrTiAlN/MoS2复合涂层，与CrTiAlN硬质涂层相比，虽然硬 度有所降低，但是摩擦系数大大降低，磨损率也大为降低。 2.3.3高硬/石墨复合镀层 石墨与MoS2一样，也是常用的固体润滑材料，如果用磁控溅射的 方法溅射石墨靶使石墨弥散分布在硬质涂层中，同样可以大大降低涂 层的摩擦系数，在这一方面，国内外很多的科研单位和院校进行了很多 科研工作，并取得了一定的研究成果，很多已实现工业化应用。 3.结束语 磁控溅射方法是一种新型的真空镀膜方法，在刀具表面处理、电 子、光学等领域得到广泛的应用，并且其应用领域在不断扩大，但是其 还存在一定的问题，比如靶材利用率低等。相信在不久的将来，关于此 技术的设备研究开发和应用领域的拓展都能有大的突破。 （上接第282页） 能见度观测做为气象观测的一个重要要素，其观测资料直接关系 着对大气层结的稳定度、大气污染指数等的判断，能见度的好坏影响着 航空、航海、高速公路等交通安全，其观测的准确性为人类的活动提供 安全保障。在目前广范使用自动仪器观测的情况下，能见度观测是少数 仍采用人工观测的要素之一。在白天，由于光线充足，目标物充分，对于 能见度的观测还是能够满足地面观测 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 要求的，但在夜间，特别是在 无目标灯的情况下，能见度的观测就有一定的难度，难免产生一定的误 差。为了做好夜间能见度的观测，减少误差，总结以下几个方面的经验 与方法： 1.何谓能见度,能见度是反映大气透明度的一个重要指标，具有正 常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大距离。 能见度和当时的天气情况密切相关。当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气 过程时，大气透明度较低，因此能见度较差。测量大气能见度一般可用 目测的方法，也可以使用大气透射仪、激光能见度自动测量仪等测量仪 器测量。夜间能见度观测表现在：其一，假定总体照明增加到正常白天 水平，适当大小的黑色目标物能被看到和辨认出的最大水平距离。其 二，中等强度的发光体能被看到和识别的最大水平距离。“能见”，在白 天是指能看到和辨认出目标物的轮廓和形体；在夜间是指能清楚看到 目标灯的发光点。凡是看不清目标物的轮廓，认不清其形体，或者所见 目标灯的发光点模糊，灯光散乱，都不能算“能见”。 2.能见度观测目标物的选择，目标物的选定应根据测站四周不同方 位、不同距离，选择比较有代表性的、固定的目标物，对于夜间的目标 物，应尽量选择带有灯光的建筑物或灯塔、引航灯等，而带灯光的建筑 物必须是常亮的。目标物的选择也要符合地面规范要求，做到有代表性 和指示性，从而提高依赖能见度而确定的天气现象的判定。由于本测站 的实际地理位置，测站附近无常亮的建筑物灯光，也无灯塔、引航灯等， 故夜间能见度观测只能采取无目标灯观测。 3.从地面观测规范要求出发，严格遵循夜间能见度观测要求，在观 测前应提前5分钟到达观测点，待眼睛适应后，再进行观测；再者，能见 度的观测应遵循连续性原则，在黄昏时能见程度迅速下降，这并不一定 是能见度的下降，有时是因为人眼的视感对比度的减小，光线不足而引 起的原来看得见的目标物变得模糊。如没有新的天气系统影响时，短时 间内能见度不会突然产生大的变化。故在进行交接班的时候，接班员应 对上班的工作记录与交待事项认真校对，熟悉当下的天气情况；并主动 询问未来天气情况，对当下及未来将影响本地的天气系统有所了解，即 可根据天气系统对能见度的影响程度对能见度进行 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。一般情况下， 冷空气来临前能见度较差，而冷空气控制时，由于水汽少，所以能见度 将转好；暧空气影响时，由于其水汽含量多，能见度较差；台风靠近时， 由于上升运动剧烈，将近地面的杂质带走，故能见度很好；当降水过后， 由于空气中杂质含量少，所以能见度均很好。 4.在本测站虽没有固定的灯光目标物，但是随着社会的发展，测站 四周出现成片或成带的灯光，由于其无常亮等诸多原因不能成为固定 的目标物，但在夜间能见度的观测中仍可根据其是否能见及清晰度进 行趋势变化分析，如灯光清晰，无模糊，则说明能见度好，反之，则能见 度差。如在测站的东南面前两年新建了一幢15层的高楼，在楼层四面 及屋顶安装了霓虹灯，除停电外，夜间常亮，其距测站1公里内，对此目 标物灯光的观测，可很好的判断夜间雾或轻雾等能见度低的天气现象。 5.晴朗少云时夜间能见度的观测 5.1当月光较亮时，可利用白天观测时所用的目标物进行观测，由 于光照条件不足，当目标物隐约可见时即可定为可见，该距离即为可见 距离；如目标物清晰可见，则能见距离大于此目标物距离。 5.2当无月光或月光较暗时，则应根据能见度连续性观测原则，首 先分析天气现象，湿度等气象要素变化情况，分析能见度的变化趋势。 当湿度增大，或有降水产生时，能见度将减小，湿度减小能见度将增大。 当然，能见度的变化不能只凭一个要素，应综合分析各气象要素及天气 现象，最终确定能见度值。 6.结论 能见度的观测受人为因素影响较大，大部分只凭经验累积和传统 习惯估计，存在一定的误差，特别是在夜间，因无法按照观测规范要求 设置夜间目标灯，观测只是根据四周的建筑物灯光来确定距离，存在较 大的误差。在实际工作中，应不断总结经验，加强对比观测，为使能见度 观测更符合气象要素“三性”要求。 参考文献 ［1］谭海涛,王贞龄,余品伧.地面气象观测.1980 ［2］吴益平.浅谈无目标灯下夜间能见度的观测.广西气象,2004 浅淡夜间能见度的观测 福建省漳浦县气象局 陈跃清 杨珂玲 ［摘 要］能见度观测是气象观测的一个重要要素，表征着大气层结的稳定度、大气污染指数等，能见度的准确观测为航空、航海、高 速公路等交通和人类的生活提供安全保障。能见度观测是少数仍采用人工观测的项目之一，本文就能见度的观测总结了几点的经验 和方法，为提高观测准确度做探讨。 ［关键词］夜间 能见度 无灯光 目标物 观测 工程技术 283— —