真空离子镀技术：替代传统湿法电镀的趋势

真空离子镀是一种新型的表面工程技术。它是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分电离，并在气体离子或被蒸发物质离子的轰击下，将蒸发物质或其反应物沉积在基片上的方法。20世纪60年代出现离子镀金技术并应用到航天器，70年代出现磁控溅射及电弧离子镀技术，使得离子镀获得发展，并应用到刀具、模具超硬涂层，装饰镀膜，幕墙玻璃镀膜，光学镀膜，塑料镀膜等。

真空离子镀相对于传统电镀有以下优势：

（1）沉积材料广泛，可沉积铝、钛、锆等传统电镀难以沉积的低电位金属。

（2）节约金属材料，真空离子镀镀层的附着力、致密度、硬度、耐腐蚀性能等相当优良，沉积的镀层厚度可以远远小于传统电镀镀层，从而节约金属材料。

（3）无环境污染，所有镀层材料都是在真空环境下通过等离子体沉积在工件表面上，对环境不产生危害。

随着技术的不断进步，真空离子镀的优势会越来越明显，在多个行业取代传统的湿法电镀是大势所趋。

真空离子镀包括磁控溅射离子镀、阴极电弧离子镀（多弧离子镀）、反应离子镀、空心阴极放电离子镀（空心阴极蒸镀法）等。这里主要介绍前两种真空离子镀。

6.1.1 磁控溅射离子镀技术

1.原理 真空炉通入氩气与电子碰撞使之电离为氩离子（Ar+），在基板（工件）加上负偏压，工件周围形成等离子体，氩离子（Ar+）碰撞磁控溅射靶（负电位），从磁控靶溅射出来金属原子与电子碰撞而电离，Me+e→Me+，被带负电的基板（工件）吸引增加Me+运行速度，并沉积在工件表面上，同时也可将工件的原子溅射出来，这样可以形成Me（靶）+Me（工件）原子之间进行机械混合，形成过渡层，增加附着性，如图7-25所示。

图7-25 磁控溅射离子镀技术示意

2.工艺过程

（1）工件清洗，去油除污，脱水装入真空室。

（2）抽真空，真空度达10^-3～10^-4Pa。

（3）溅射清洗，通入Ar，1～10^-1Pa。

工件加偏压：0～3000V

轰击时间：10～20min

（4）磁控溅射靶源工作，进行磁控溅射离子镀。

3.特点

1）成膜速率高；

2）膜的粘附性好；(www.xing528.com)

3）膜层致密，没有针孔，耐蚀性高；

4）材料表面可以进行合金化，如紫铜表面离子镀铝，可以得到Al₄Cu₉、AlCu₃合金相；

5）可实现大面积镀膜；

6）不产生公害。

4.应用 磁控溅射离子镀目前是一种应用十分广泛的薄膜沉积技术，在微电子、光学存储、现代机械加工工业、高温超导薄膜、铁电体薄膜、巨磁阻薄膜、薄膜发光材料、太阳电池、记忆合金薄膜等领域中发挥重要作用。

6.1.2 阴极电弧离子镀（多弧离子镀）技术

1.原理 将被蒸发材料制成靶材（阴极）装在真空室四周，蒸发电源电压为0～220V、电流为20～140A（直流电焊机电源），基材上负偏压为50～1000V，工作时弧电压为20V、电流为60A（或80A、140A）。阴极弧斑电流密度可达10⁵～10⁷A/㎝²，靶材直径为φ60～φ100mm，金属离化率可达60%～90%，电弧阴极蒸发源处于水冷状态，不形成熔池，能量密度大，阴极斑点以1000m/s的速度发射金属蒸气流，每发射10个电子就可以发射一个原子，磁场可以控制电子和离子的运动方向和运动速率，如图7-26所示。

图7-26 阴极电弧离子镀技术示意

2.特点

1）离化率高达60%～90%，大大提高沉积速率；

2）膜层致密度高、耐蚀性好；

3）膜层附着力好、强度高；

4）对环境不产生公害。

3.应用 由于阴极电弧离子镀技术具有成膜速度高、膜层的致密度大、膜的附着力好等特点，使其在工具、模具的超硬镀膜，装饰镀膜等领域的应用越来越广泛，并将占据重要的地位。

6.1.3 真空离子镀在取代电镀技术上的应用

通过研究人员的不懈努力，真空离子镀在取代传统的电镀技术方面取得了可喜的成绩。

在装饰性方面，真空离子镀氮化钛（金黄色）、碳化钛（枪色）、类金刚石（亮黑色）、氧化钛（宝石蓝色）已用于手表、小五金、浴室器具、眼镜框、工艺品等。

在功能性方面，真空离子镀铝代替电镀镉、真空离子镀不锈钢代替电镀镍、黄铜基材真空离子镀中间合金代替电镀镍或钯-镍合金、铝合金基材离子镀金（或银）代替含氰电镀金（或银）、离子镀碳化物代替电镀硬铬、空心阴极离子镀铬代替电镀铬等已获得成功应用。