磁控溅射在金属表面强化中的应用

王艺霖

摘要：磁控溅射是在近似真空的环境下，利用低压气体放电产生的正离子在电场作用下轰击靶材，使溅射出来的原子沉积在基片上的过程。它有低温、高速、低损伤的特点，且镀膜的质量高。该技术用于许多领域，例如光学、电子通讯等。金属表面强化是降低金属损耗，增加金属材料寿命，降低成本的重要技术。本文在描述磁控溅射与金属表面强化的基础上，重点阐述了磁控溅射在金属表面强化中的应用。

关键词：磁控溅射 表面强化 铝合金强化 镁合金强化

溅射技术从1852年格洛夫（Grove）发现阴极溅射开始发展，上世纪80年代到现在，磁控溅射技术已经在表面技术领域有了举足轻重的地位。

溅射镀膜是在真空室中，利用气体在低压环境中的放电现象，使其产生的正离子在电场的作用下加速轰击靶材表面，使溅射出来的原子（分子）沉积在基片上。而磁控溅射镀膜技术更是具有高速、低温、低损伤的特点，而且可用于制备的靶材料种类更多。其应用也十分广泛。面光整加工技术、表面涂层制备、金属表面合金化等，都是磁控溅射镀膜的应用[1]。

一、磁控溅射制备薄膜

（一）基本原理

磁控溅射是指电子在电场的作用下飞向基片，在过程中与Ar原子碰撞，将它们电离成Ar离子和新电子，新电子飞向基片，Ar离子飞向阴极靶，轰击靶的表面，使靶材发生溅射。沉积中性的靶原子（分子）形成薄膜，产生的电子在场的作用下漂移，电离出大量的Ar离子轰击靶材，这极大地提高了溅射的效率[2]。

（二）工作流程

所有磁控溅射镀膜的过程都可以归纳为三步：

1.产生所需粒子

2.将产生的粒子运输到基片

3.让粒子在基片表面生成连续性薄膜。

从薄膜生长的角度来看，磁控溅射镀膜可以分为两种流程：

1.溅射—成核、生长—成膜

2.溅射—半成膜—热处理—成核、生长—成膜

（三）主要特点

相比较于传统的镀膜方式，磁控溅射镀膜可以用作靶材的材料很多，基本上所有的金属材料、合金材料、陶瓷材料都可以用。磁控溅射还可以同时进行多种靶材的共同溅射，使镀上的合金膜比例更加精确。

普通的溅射技术只有电场的作用，在经过多次能量传递之后，电子因能量不足只能直接落在基片上。而磁控溅射施加了磁场，因此电子也受到洛伦兹力的约束，运动轨迹从直线变为摆线，这样增加了高速电子与Ar原子碰撞的可能性，从而增加了Ar原子的电离程度，这降低了对气压的要求，Ar离子在电场的加速下轰击目标表面，使其表面上更多的原子（分子）溅出并飞向基片，在基片上沉淀形成薄膜，由于电子的能量残留较低，落在基片后引起的温度变化不明显，因此这项技术拥有“高速低温”的特点。

磁控溅射的局限性主要有：辉光放电期间产生的电子和气体电离过程中产生的二次原子，会被磁场束缚在一个很小的区域内，且随着距离的增加，电子的浓度降低，因此，基片只能放置在一个小区域内，基片的尺寸因此受到了限制；同时此过程中被轰击而脱离靶材原子的速度因反复的能量转移而明显下降，从而导致镀层与基片之间的粘着力不高的缺点。

二、金属表面强化方法对比

（一）常用方法及基本原理

金属表面强化工艺主要是分为化学热处理、高密度能量表面淬火强化、表面形变强化、表面覆层强化、复合表面强化等方法[3]。

（二）常用方法特点

1.化学热处理

该工艺按照渗入剂在化学热处理炉内的物理状态分类可以分为固体渗、液体渗、气体渗、固体渗的方法比较简便，但是生产效率比较低。气体渗对于所用的渗剂有一定的要求，它必须能易于分解为活性原子、经济、易控制、无污染、深层性能较好。

2.高密度能量表面淬火强化

该工艺具有工序简单、过程迅速、零件形变微小、生产效率高的优点。但它的缺点也比较明显.电子束加热淬火虽然能耗低、零件形变小，但是设备成本比较高、技术要求复杂；高频冲击感应加热对零部件精度要求极高。现在广泛使用的是激光淬火表面强化。

3.表面形变强化

该工艺能显著提高高周疲劳性能，而且材料的强度越高效果越显著 有缺口件的效果高于光滑件，而且耗能少，成本低。

4.表面覆層强化

该技术主要分为热喷涂和气相沉积技术。热喷涂又主要分为火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂。火焰喷涂设备简单、成本低，但它的喷射速度慢，粘合强度也不高；等离子喷涂的焰流温度可以达到10000℃以上，能喷涂基本上所有的固态工程材料。气相沉积主要分为物理气相沉积和化学气相沉积，两者都是在不断发展并且被广泛应用的技术。

三、磁控溅射在金属强化中的典型应用

（一）轴承钢

轴承钢是一种十分重要的的冶金产品，在制造柴油机油泵的精密部件、滚动轴承的精密量具、机床丝杠、滚珠等具有的广泛的应用。因为轴承工作环境相对苛刻，因此轴承钢的原材料要求十分严格。摩擦和磨损是轴承钢的主要失效原因之一。而磁控溅射镀膜则可以极大幅度地改善钢材的性能，提高它的耐磨能力，比如较常见的钛膜[4]。

（二）铝合金

铝合金现在在航空航天、电子信息、能源等领域具有越来越广泛的应用。但铝箔的综合性能有时不尽如人意，原因就在于它的硬度和光泽度都比较低。而且，铝箔的表面微观组织并不特别均匀。因此，提高其整体性能尤为重要。在众多镀膜处理工艺之中，磁控溅射镀膜可以大面积地在基体材料上沉积薄膜，且薄膜沉积得十分均匀，因此可以制作各种功能的薄膜[5]。

（三）镁合金

镁合金的耐蚀性比较差，而且因此它在各个领域中的应用收到了极大的限制。而对电偶腐蚀的敏感性则是耐蚀性差的主要原因。因为镁合金在温度超过100℃时，它的抗蠕变性和强度会大幅度下降。而磁控溅射可以在较低温度下沉积各种功能的薄膜，所以在这方面的研究也是最多的。磁控溅射在镁合金表面沉积薄膜现在仍在不断的研究发展过程当中[6]。

（四）其他

磁控溅射在在其它材料表面沉积薄膜的应用也十分广泛。比如在玻璃上沉积制备金属镍薄膜，可以解决化学电度法危害环境、不均匀、附着性差的问题；在制造业轻量化和精密化的事业当中，磁控溅射也是发挥着不可替代的作用它可以根据不同环境中设计不同功能的膜层，成倍地提高了材料的性价比。

四、总结与展望

总之，磁控溅射因为其低温、高速、低损伤和镀膜质量高的优点而成为工业镀膜的主要方式之一，其种类也越来越多，非平衡磁溅射、多靶闭合式非平衡磁控溅射、中频溅射、脉冲溅射，它们的优缺点也各不相同。新的高速溅射和自溅射技术也为该领域开创了新的应用领域。磁控溅射也在新材料、新工件、新功能的发现、应用于提升等方面发挥着越来越重要的作用。磁控溅射因为其种种优点，未来在金属表面强化方面仍然有着重要的研究价值和广阔的应用前景。

参考文献：

[1]余东海，王成勇，成晓玲，等.磁控溅射镀膜技术的发展[J].真空，2009，（02）：19-25.

[2]郝正同，谢泉，杨子义.磁控溅射法中影响薄膜生长的因素及作用机理研究[J].贵州大学学报（自然科学版），2010，（01）：62-66.

[3]郭燕，张俊.金属材料表面改性及强化技术研究进展[J].资源信息与工程，2015，（06）：94-95.

（作者单位：青岛市第二中学）