多弧离子镀膜技术的应用研究

牛宝林

（芜湖职业技术学院 机械工程学院，安徽 芜湖241001）

多弧离子镀膜技术的应用研究

牛宝林

（芜湖职业技术学院 机械工程学院，安徽 芜湖241001）

PVD技术中多弧离子镀膜是用于涂镀模具、刀具等硬质耐磨涂层的主要方法，而纳米复合镀膜也是模具表面强化的新的研究方向。文章介绍了用多弧离子镀膜技术在冷冲模具表面涂镀纳米复合Al-Ti（CN）膜，提高其使用寿命的应用研究成果。

物理气相沉积；多弧离子涂镀；纳米复合膜；冷冲模

模具是现代工业生产的重要装备。社会经济的高速发展对模具的质量、特别是对模具的使用寿命提出了更高的要求。降低成本、提高寿命成为模具工业亟待解决的问题。目前一些新技术，如表面涂层技术PVD、CVD以及TD覆层处理技术、激光表面强化技术和电子束强化技术等都发展很快，而且提高模具寿命的效果也比传统的表面处理方法要好。

PVD技术主要有真空镀膜、磁控溅射镀膜、多弧离子镀膜等方法。目前不仅可沉积金属膜、合金膜、还可沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。工业发达国家比如美国德国日本等使用PVD涂层模具的比例已超过90%[1]。而和国外相比，我国对精密模具 （包括冷冲模）进行镀膜处理的只有40%到60%。因此，研究适合我国精密冷冲模具PVD涂层技术是有意义的。

我们的研究是利用多弧离子镀 (Arc ion plating，AIP)技术在冷冲模冲头上涂镀纳米复合Al-Ti(CN)膜，并对镀膜工艺和生产实验情况进行总结。目前这一项技术已经成功的运用到一些模具企业，取得了一定的社会经济效益。

1 多弧离子镀工作原理及纳米复合Al-TiCN膜的微观结构

在PVD技术中，和真空镀膜、磁控溅射镀膜方法相比较，在模具涂层技术方面多弧离子涂镀应用的更加广泛一些。多弧离子涂镀主要是借助惰性气体如Ne、Ar等的辉光放电作用，使得靶材离化，在带负电荷的工件表面形成薄膜。

1.1 多弧离子镀膜工作原理

设备主要由电源系统、真空系统、控制系统组成。极限真空度为1×10-4Pa。控制系统是由PLC程序控制的工控机。电源主要是控制电源和偏压电源。每个弧源靶由低电压高电流的电弧源提供能量，电压和电流都可调节。实验用离子镀膜设备的工作原理见图1。

图1 离子镀膜机工作原理

我们实验使用的是工业AS700DTXBE型自动控制离子镀膜机，这种镀膜机有12只阴极电弧离化源，能够保证同时安装3列纯金属或者合金的靶材。

多弧离子镀是用多个阴极电弧使靶材蒸发的一种离子镀膜技术。由块状或者粉末状的材料做成的阴极接电源负极。镀膜室接地为阳极，电源电压的工作区间是0-220 V，电源电流的工作区间是20-100 A。工件（模具）与腔体之间是负偏压，其目的是提高入射粒子的速度，增加膜和基体（模具）表面的结合的牢固度。其取值为50-1000 V范围内。在10-3Pa真空度的真空条件下将真空电弧点燃，靶材表面会出现一些阴极弧斑，这些阴极弧斑是一些大小不一、形状不同、不连续的明亮的微小斑点。这些弧斑在靶材表面迅速游动，在一部分弧斑消失的同时另一部分弧斑又在其它部位迅速形成，弧斑的持续消失和持续形成维持了电弧的燃烧。引弧时，在接通电源的同时使引弧电极与靶材瞬间接触又瞬间离开，在离开的瞬间，由于引弧电极和靶材间的导电面积迅速缩小，电阻增大，局部微小区域的温度迅速升高，使靶材表面的局部微小区域溶化，产生等离子体。低压大电流的电源维持弧光放电的持续进行[2]。

阴极弧斑是微小面积上的高电流密度并且高速变化的电弧现象。弧斑的尺寸非常微小，据相关资料测定为1～100μm。电流密度可达105-107A/cm2。弧斑存在时间非常短，其连续性爆发性地生成蒸发了靶材离子和电子，由于电场的作用在阴极表面附近，金属离子形成了空间电荷，又形成了新的弧斑产生条件，众多的弧斑持续产生，保持了电弧总电流的稳定。阴极弧斑的运动方向以及运动速度受磁场控制。适当的磁场强度可以使得靶材表面刻蚀均匀。

1.2 纳米复合Al-Ti（CN）膜的微观结构及Al对膜的性能影响

镀膜是由两种或者两种以上成分或结构不同的、垂直于薄膜一维方向交替生长而形成的多层结构。对于两种不同结构或成分的多层薄膜，每相邻两层形成一个单元，其厚度称为调制周期，通常将调制周期小于100nm的薄膜叫做纳米复合薄膜。我们进行镀膜实验的调制周期为8nm。

在TiN中加入一定量的碳得到Ti(CN)膜，具有较高硬度、良好的膜基结合力，相对于TiN薄膜而言，表现出更低的摩擦系数和更好的耐磨性能[3]，但高温性能不是很好。此前也有研究表明，加入Al元素可以显著提高薄膜的抗氧化性能和热稳定性、热疲劳性能[4]。我们发现实际生产中，冲头由于连续工作，自身会产生一定的热量，影响薄膜的热稳定性和热疲劳性能，所以我们添加Al元素来提高冲头的热稳定性和热疲劳寿命。

2 多弧离子镀膜在冷冲模具上的应用

冷冲压生产中模具出现较多的是磨料磨损，粘着磨损、表面拉伤、划痕等各种形式的表面损伤，所以对模具表面涂层的要求不但要有较高的硬度和极高的耐磨损性，而且还要和模具表面有很好的结合牢固度，同时要有良好的润滑性和较低的摩擦系数。目前在冷冲模上应用比较多的镀膜有TiN，CrN，TiCN，TiAlN等等。我们在实验的冷冲模冲头上主要是涂镀纳米复合Al-Ti（CN）膜。

2.1 镀膜工艺参数

镀膜的工艺参数主要有基体（工件）沉积温度、反应气体压强与流量、靶源电流、真空度、镀膜时间等。我们对冷冲模的多弧离子镀膜进行了一系列的工艺对比试验，对工艺参数进行优化，最终形成了比较稳定的镀膜工艺。主要的镀膜工艺参数是：沉积温度：450℃ 反应气体压强:0.2Pa,流量:80sccm；电流密度:105-107A/cm2； 电压：220V真空度：4×10-3Pa镀膜时间：2h。辅助气体为氩气，氮气和乙炔，纯度为99.999%。

2.2 膜层性能测试

膜层的性能要求有很多，比如，膜的硬度、膜和基体的结合牢固度、摩擦性能、内应力、强度和韧性、抗氧化性和热稳定性等。

2.2.1 膜层硬度检测 硬度是模具镀膜的最重要的性能指标之一，只有在较高硬度的条件下，镀膜才能有效减小磨损，起到强化衬底表面的作用，从而大幅度提高模具的使用寿命。实验的硬度数据主要通过纳米压痕仪测试纳米硬度，纳米压痕仪可以解决显微硬度计对薄膜硬度测量误差问题。纳米复合Al-Ti（CN）膜是超硬镀膜。从表1可以看出，纳米复合Al-Ti（CN）膜和传统的TiN膜的硬度、热稳定性相比，都有明显提高。

表1 各类膜的硬度及热稳定性比较

2.2.2 膜层结合牢固度测试 膜和模具表面的结合牢固度也是镀膜的非常重要的指标。用洛氏(HRC)硬度测试的压痕法分别对A1-Ti（CN）薄膜（试样a）和TiN薄膜（试样b）的结合强度进行定性测试。图2为两组样品在洛氏硬度计150 Kg下加载，在50倍光学显微镜下观察到的压痕形貌图。从图中可以看出，两组薄膜与压痕边缘相邻的膜层均没有出现严重的剥落和损坏，表现出了较好的膜基结合性能。试样b薄膜的压痕周围只出现了些轻微裂纹，而试样a与试样b相比结合牢固度没有明显变化。测试的结果和结合强度质量标准进行比较得出的结论是两者的结合性能都比较良好，也说明了Al元素和C元素的加入，并没有影响膜和基体的结合牢固度。这也说明用多弧离子镀涂镀工艺由于其入射能量高、膜的致密度高、膜层有扩散等特点使得膜与模具表面的结合牢固度比较高。这与球坑实验法结合金相显微镜观察到的结果是一致的。

图2 薄膜的洛氏压痕形貌：(a)A1-Ti（CN）膜(b)TiN膜

2.2.3 膜层摩擦磨损实验 图3是600℃摩擦磨损试验的SEM形貌图。观察室温下的磨损形貌图，可以发现（a1）(A1-Ti（CN）膜)保持着良好的表面状况，而(a2)（TiN膜）磨痕轨道上则出现了一些磨屑，这些磨屑势必要增加摩擦系数。这个测试定性地说明了加入C元素尤其是Al元素以后膜层耐高温摩擦性能的提高。

图3 高温（600℃）摩擦性能测试（a1：A1-Ti（CN）膜)(a2：TiN膜）

2.2.4 膜层厚度检测 膜层厚度用球坑法结合金相显微镜经过计算得出，约为3μm。

2.3 实验结果分析

实验镀膜的是冷冲模的冲头，冲压的零件是空调的机架零件（厚度4.0mm的热轧酸洗板SPHC），见图4。由于被冲压零件厚度比较厚，因此冲头在工作过程中承受着很大的冲击力和剧烈的摩擦，所以通常这种冲头仅仅经过淬火回火处理其使用寿命是不高的，这给镀膜处理留下了比较大的发挥作用的空间。冲头所用材料为SKD11，先经过淬火回火处理，然后用多弧离子涂镀纳米复合Al-Ti（CN）膜。在连续生产的条件下，经过淬火回火再进行镀膜的冲头和没有镀膜、只经过淬火回火处理的冲头进行对比实验。

实验结果如表2所示。生产性实验表明：实际工作时，这种冷冲模的冲头主要的损坏形式还是摩擦造成的磨损，使其尺寸超差而导致其不能继续使用。

表2 镀Al-TiCN膜冲头和无镀膜冲头寿命的比较

对比的生产性实验的结果是：没有涂层的冲头大约在冲制70000件左右的时候，冲头头部表面已经拉伤，冲头已经不能保证被冲压零件的孔径尺寸，冲孔毛刺超差0.25mm以上，孔径偏小0.1mm，不能满足零件尺寸要求。而涂镀纳米复合Al-Ti(CN)膜的冲头在同样条件下冲制到110000件时，冲头表面仍无明显拉伤，只有轻微擦痕，冲头还可以继续使用，冲孔毛刺在0.1mm控制范围内。最后结果是涂镀纳米复合Al-Ti（CN）膜的冲头冲制机架零件达到130000件，由于磨损，尺寸超差而不能使用。涂镀纳米复合Al-Ti（CN）膜的冲头见图5。

实验结果表明，对于冲压比较厚的零件（厚度大于1mm）的冷冲模的冲头来说，镀Al-Ti（CN）纳米复合膜的冲头比没有镀膜的冲头平均寿命提高70-90%。具有明显降低生产成本的效果。

图4 机架零件

图5 镀膜冲头

3 结论

用多弧离子镀技术在冷冲压冲头表面涂镀纳米复合Al-Ti(CN）膜，由于其入射粒子能量高，膜层致密度高，强度和耐磨性好，形成了硬度、组织成分和结合力的有效匹配，取得了比较好的应用效果。同时由于在复合膜层中加入了Al和C，提高了刀具的硬度、耐磨性、高温硬度、抗氧化性等，更加适应冷冲模具冲头的工作条件。因此，冷冲模用多弧离子涂镀纳米复合Al-Ti（CN）膜这项技术具有广阔的应用空间和良好的发展前景。

[1]Paul H.Mayrhofer,Christian Mitterer,Lars Hultman,Helmut Clemens.Microstructural design of hard coatings [J].Materials Science,2006,51:1032-1114。

[2]姜雪峰,刘清才,王海波.多弧离子镀技术及其应用[J].重庆大学学报,2006,29(10):55-57。

[3]马胜利,马大衍,王昕,等.脉冲直流等离子体辅助化学气相沉积和薄膜摩擦磨损特性研究[J].摩擦学学报,2003,23(3):179-182。

[4]I.S.Paldey,S.C.Deevi,Single layer and multilayer wear resistant films of(Ti,Al)N:a review[J].Materials Science and Enginee ring:A,2003,342:58-79。

[责任编辑：桂传友]

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1674-1102(2014)06-0052-03

10.13420/j.cnki.jczu.2014.06.015

2014-10-31

牛宝林（1957-），男，甘肃兰州人，芜湖职业技术学院机械工程学院副教授，主要从事材料加工研究。