真空离子镀技术及其应用

真空离子镀属于气相沉积技术。它可分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两大类。其中PVD不仅可以对钢铁材料进行表面处理，还可以对纸张、塑料、玻璃、陶瓷等非金属材料进行表面镀膜。不仅可以镀防腐膜、装饰膜和超高硬度的抗磨膜、半导体、绝缘体、不同成分比的合金、化合物及部分有基聚合物等的薄膜，还可以镀各种功能膜如微电子膜、超导薄膜、太阳能膜、气敏光敏膜等，其适用范围之广是其他方法无法与之比拟的。同时，可以不同的沉积速率、不同的基材温度和不同的蒸气分子入射角蒸镀成膜，因而可得到不同显微结构和结晶形态（单晶、多晶或非晶等）的薄膜，且薄膜的纯度很高，易于在线检测和控制薄膜的厚度与成分。厚度控制精度最高可达单分子层量级，排出污染物很少且基本上没有，无“三废”公害。

真空离子镀膜是在真空条件下进行的，需要专门的设备。它是真空技术的一个重要应用分支。它置待镀材料和被镀基材于真空室内，采用一定方法加热待镀材料，使之蒸发或升华，并飞溅到被镀基材表面凝聚成膜的工艺。在真空条件下成膜可减少蒸发材料的原子、分子在飞向基材过程中与分子的碰撞，减少气体中的活性分子和蒸发源材料间的化学反应（如氧化等），以及减少成膜过程中气体分子进入薄膜中成为杂质的量，从而提高膜层的致密度、纯度、沉积速率、和基材的附着力。对钢铁零件主要是镀制各种氧化物、氮化物、碳化物等膜，以获取高硬度、耐磨损、低摩擦因数、防腐蚀及装饰等效果。

CVD技术因其工艺温度高，并有盐酸废气对真空系统腐蚀和对环境的污染，所以用于钢铁表面处理的较少，而PVD技术因工艺温度低、洁净无污染，其发展前景十分可观。在PVD技术中目前应用最多的方法有两种，其一是磁控溅射法，另一是冷阴极弧光离子镀。

（1）磁控溅射法 是利用低压气体辉光放电时，在阴极表面上发生的阴极溅射效应——阴极上的物质以分子或分子团形式向外飞溅。这些飞溅下来的物质沉积到工件表面就会形成一层涂层。因辉光放电行为受所加磁场的控制故称磁控溅射。如果在辉光放电的同时向真空镀膜室内通入某反应气体，则会与阴极溅射下来的物质形成化合物。这些化合物沉积到工件表面就会得到化合物涂层。例如，阴极为金属钛，反应气体是氮，在200～300℃就可以在工件表面形成结合强度很高的TiN涂层。TiN颜色酷似黄金，所以把镀TiN俗称为“仿金镀”“镀钛金”。TiN不仅有金黄的颜色，而且有2000HV的高硬度及很低的摩擦因数和很高的耐蚀性、抗氧化性。刀具、冷作模具镀TiN不仅外观漂亮，而且使用寿命提高2～10倍，目前已广泛得到应用。

磁控溅射法工艺温度可以很低，50℃左右就可以镀Al膜。所以也广泛用于纸张、塑料、玻璃等材料表面上的各种装饰膜和功能膜。只要更换阴极靶的材料和反应气体，利用同一台设备就可以镀制不同物质的膜层，使用起来很方便。

（2）冷阴极弧光法 是利用在低压气体中冷阴极的弧光放电来蒸发阴极物质，并沉积到工件表面上或与反应气体形成化合物后再沉积到工件表面上，从而使工件表面镀得所需要的膜层。(www.xing528.com)

冷阴极弧光离子镀，因为在每台设备上可以安装多个弧光离化源（阴极靶），每个阴极靶上都有放电弧斑在高速运动，所以也常称为多弧离子镀。多弧离子镀镀膜速度很快，镀TiN装饰膜（1μm）仅需3～5min。在刀具、模具上镀TiN（2～5μm）仅需10～20min。这种方法还有一大特点是阴极靶材蒸发时没有熔池，因此阴极靶的放置不受方位限制。设备可以做得很大，适合镀制大型零件。如6m长的不锈钢管和1.22m×3.05m不锈钢板，每炉可镀多件。

这种方法不足之处是蒸发下来的阴极物质颗粒较大，易出现“液滴”。这可以在设备结构和工艺参数上加以控制。

真空多弧离子镀也可以只需更换阴极靶材料和反应气体，在同一台设备上就可以镀制各种膜层。

以上几种表面处理技术，所得到的膜层表面粗糙度值低，优于工件原来表面。镀后直接就可以使用。