真空电弧镀膜工具的潜力和应用

毕业设计外文资料翻译题目真空电弧镀膜工具的发展潜力和应用学院自动化与电气工程学院专业电气工程及其自动化班级电传1002班学生黄瑶妹学号20100321072指导教师李聪二〇一四年三月三十一日济南大学毕业设计外文资料翻译-1-SurfaceandCoatingsTechnology76-77(1995)719-724真空电弧镀膜工具的潜力和应用J.维特METAPLASOberfläichenveredelungstechnilcGmbH公司摘要：空阴极电弧蒸发是广泛用于沉积硬质耐磨涂层的工具和零件。这篇文章综述了不同硬质涂层的发展前景，比如MeN,(Me1,M%)N,Me(N,C)形成的单层或多层形式以及在混合形式涂层。鉴于不同镀膜工具的应用，我们在这里讨论所选定的镀膜特性。关键词：阴极真空电弧；涂层结构；粒径；涂料选择；混合涂料1.真空电弧镀膜的发展真空阴极电弧蒸发的发展始于20世纪60年代和而到了70年代，继续对硬质涂层[1-4]展开研究，真空阴极电弧蒸发系统在上世纪80年代和90年代[5-7]加速发展，多年来，几乎所有类型的工具可以通过真空阴极电弧蒸发可成功地涂覆。本文综述了为硬质涂层的真空阴极电弧蒸发沉积的可能性。选定的结果表明潜在的涂层的沉积方法。2.镀膜单元设计图1显示了在高真空容器组件的布置安装。主要部件有电源供应器蒸发器，衬底支架电源，和进气系统。除了主要组成部分，还要安装更多的设备；这些包括辐射加热器，供电弧增强辉光放电的附加电极，在蒸发器和磁系统前面的来激发电弧运动或修改等离子体，以及特殊的系统通过电子碰撞加热来加热衬底[6,8]。通过电弧增强辉光放电的过程或使用那种在[8]的描述过的方法可以执行等离子体辅助化学热处理，比如在硬涂层沉积之前，进行渗氮。不同类型的涂层系统在实践中得以应用：一个最大涂层区达3米的间歇镀膜机以及一种在线的镀膜机。济南大学毕业设计外文资料翻译-2-图1高真空容器组件的布置安装1阴极，2高真空容器，3磁系统进行了电弧的运动，4对等离子体改性的磁系统，5可移动的快门在阴极的前面，6与气体流量计和压力控制装置的进气系统，7可旋转的基板保持器基板，8辐射加热器，9用于电弧增强辉光放电电极，10电源（300个，100个V）的电子碰撞加热连接到B或弧增强辉光放电连接到，11弧电源（300A，40V），12衬底电压电源（1500V，30）。2.1蒸发器和阴极材料蒸发器的类型按它们的几何特性和馈电点的圆弧运动控制的性质分类。阴极的几何安排可以包括圆形状（直径值60-100毫米），矩形状（400-700毫米的尺寸在长度和宽度100-200公厘）或圆柱状（直径20-180毫米长度300-600毫米）活性表面[9]。利用阴极装有电磁等离子体指南允许等离子体被国家环保总局评为从宏观粒子流，因此只有等离子体粒子撞击在衬底上[11]。电弧的运动可分为如下：随机弧（无外磁场域）；弱转向弧（弱的外部磁场用来保持运动的边界）；转向弧（具有很强的外部磁场的磁场能显著增加积分弧速度）；电控弧（由电气条件一定的变化对电弧运动的刺激）[12]。蒸发器所投入使用的电弧运动大多数是随机型和弱转向弧型。阴极材料可分为以下方式：均匀的组成元素的阴极上，由基体材料与插入阴极(Ti+Zr合金等）和阴极（A1Ti等）。2.2特别领域的发展在蒸发器目前的开发工作正在向脉冲电弧源转变，但广泛的工业用途的倍增的问题仍然是有待解决[13,14].济南大学毕业设计外文资料翻译-3-为了在基板上的修改涂层生长，脉冲电源的应用越来越广泛。一个特殊的电源产生的脉冲电压为10kV，可用于在较低的温度下[15]的TiB2涂层。另一种方法是较高和较低的衬底电压调制[16]。此外，我们能够运用非对称交变磁场脉冲与在基板上的电位，使交流电子和离子电流撞击基板。3.涂层的组成和结构3.1化学成分在现代设计和硬涂层的应用最重要的元素组合图2所示，最经常应用的涂料是TiN和CrN，紧接着是Ti（N，C）和（Al，Ti）N，第三经常用的是ZrN,Cr(C,N),(Ti,Zr)N和Me:CH，硬非晶C'H涂层可采用电弧增强辉光放电产生的等离子体，纯碳涂层可以通过蒸发石墨阴极处理[17]。图2.涂层的应用发展最重要的元素循环。线的厚度显示应用中的重要性，虚线显示的是研究和开发活动。3.1结构该涂层有着不同的体系结构，图3显示了一个构建原则的模型涂层结构。两种金属，被认为是氮和碳。涂层应能创建一个两相结构。忽略纹理效果和缺陷，可以通过相、涂层的厚度和化学成分描述该涂层，该涂料可根据层的厚度t和晶粒尺寸D的比例对其进行分类。济南大学毕业设计外文资料翻译-4-图3化学组合物模型，相和纵横比：单层厚度除以晶粒尺寸(1)当T/D1。经典的多层膜可以通过化学成分和总厚度比在层的晶粒尺寸大得多的逐步变化进行描述（例如TiN2μm/Ti(N,C)2μm)。(2)当T/D≈1。在一定的层序列的厚度几乎相等于晶粒尺寸。一个例子是多层HFC/WC（总厚度的20的杜松子酒，序列HFC100nm，WC30nm）[18]。(3)当T/D1。厚度小于晶粒尺寸。据报道，钛沉积（N）/TiN涂层约10nm的厚度可以通过反应气体的压力改变[19]。、应该说，通过在涂层不同的T/D比值，接口的数量将会改变，因此机械性能也会不同如裂纹传播和硬度[18]。在解释硬度为单层涂层的晶粒尺寸的函数（由峰展宽法测量）时，结构效应的重要性很明显，图4显示的晶粒尺寸对硬度的影响（从[5,20-26]和我们自己的实验值）济南大学毕业设计外文资料翻译-5-图4.TiN，ZrN和CrN涂层的硬度关于晶粒尺寸的函数成分梯度涂层。化学梯度涂层可以通过元素的内容不断变化的创建：Ti（N，C）随碳含量的增加而变化，（Ti，Al）N随着A1的含量增加或减少[27]。多相涂层，许多涂层可沉积具有不同的相位的内容(例如Cr2N+CrN)[28],和(Ti,Cr)N+(Cr,Ti)=N[29]).结构是尺寸几个到几十纳米的纳米晶。3.2纹理和压力生长织构主要是（111）定位，但在一些情况下也有一个（220）的方向，例如CRN。当有（220）定位，在法维尔磨损试验，这样的CrN涂层表现出更好的性能[28]。应当指出的是，内压涂层的应力可通过改变工艺参数改变，典型值是在范围1-10GPA。明显的应力状态与晶粒尺寸，增长的纹理和缺陷密度都有关系，Lowerdepositiontemperaturesresultinastronger(111)texture,asmallergrainsizeandhigherstressstate.较低的沉积温度可以形成一个更强大的（111）的纹理、较小的晶粒尺寸和更高的应力状态。3.4对于不同的体系结构的沉积方法有许多方法中，通过涂层参数的选择可以控制一层序列中的组合物：(1)对阴极材料例如Ti75／125化学成分选择的（Ti，Al）N涂层或175/25为（A1，Ti）N涂层（在原子百分之值）。(2)两个或两个以上的蒸发器安装不同材料的操作（如Ti和Cr）；(3)不同气体（氮气，气态烃，氧，或它们的混合物）在反应蒸发；济南大学毕业设计外文资料翻译-6-(4)采用不同的衬底的控制参数，如衬底偏置电压，衬底温度和沉积速率。4.工具和涂层荷载的选择图5显示了载荷作用的三维场，六种不同类型的工具操作期间。值已被选定的1和6之间的负载的重要性的定性估计。很明显，根据不同的工具的应用，最严重的负荷，机械（应力），热（高温）和腐蚀（物理攻击），有很大的不同。所以可以这样理解，不同的涂层性能要承受磨损，粘着磨损而产生不同的负载，分层和物理化学磨损（氧化，腐蚀，溶性）。涂料选择总的原则应该是基于在运行温度的以下属性：硬度和脆性，氧化率，热导率，电阻率，溶解度随涂层刀具的对应的承载能力，复合摩擦引发的在涂层表面的物理化学反应。因为大多数的上述的性质是未知的，因为大多数的上述性质是未知的，关于涂料的选择主要依据经验。在下面，试图在涂料的选择提供一些方向。在下面的命令的耐氧化性增加：Ti(N,C)(450°C),TiN(550°C),ZrN(600°C),CrN(650°C),(A1,Ti)N(800°C)[31-33]。显微硬度（HK1N,5μm对淬硬高速钢涂层厚度）增加如下：CrN(2300±400),ZrN(2400±400,TiN(2500±400),(A1,Ti)N(2600±400),Ti(N,C)(2700±400).。不同的缩进和弯曲方法呈现以下趋势：氮化铬，氮化锆，锡的脆性，（Al，Ti）N，Ti（N，C）。图5.为不同类型的工具，显示不同的要求保护工具对磨损机制的不同负荷启动负载三维场。5.指导方针和特殊应用5.1.锡，第一通用涂料在前苏联，许多不同的硬涂层、二元、三元及四元的组合物，是由阴极真空电弧济南大学毕业设计外文资料翻译-7-蒸发，但在西方主要沉积TiN涂层已使用不同的PVD技术沉积（溅射，阴极真空电弧蒸发，低电压的电弧，空心阴极弧）。因此，毫不奇怪的是，我们可以在所有应用领域找到成功的TiN涂层。然而，对于大多数应用程序，我们也可以选择另一个涂层的性能比锡类似或更好的（图6）。有趣的是，报告结果缝纫针工具制造和缝纫针本身在200°C.取代硬铬涂层与TiN可以显著增加针的寿命。图6.涂锡的齿轮滚刀后刀面磨损，Ti（N，C）和（Al，Ti）N，板材1.6511（36CrNiMo4），拉伸强度n.70-1250MPa，切割速度20米min-1，每齿进给铣削宽度0.08毫米，20毫米，切削深度5mm5.2.CrN涂层，第二通用细粒度的涂层结合低的脆性和足够的硬度和良好的抗氧化性能和耐腐蚀。工业的经验表明，CrN涂层可以更好地在金属成形比TiC/TiN涂层。图7显示，CrN涂层可以显著降低金属成形[34]的润滑要求。经过10000冲程润滑的未涂覆的绘图工具的失败。CrN工具使用寿命的增加大于30的一个因素。这是决定用绘画与乳液复合降低润滑油的数量。而不是90毫升复合每100份只有16毫升浓缩乳剂用于绘制（乳液85：15）。我们获得了相同的工具的性能，与一个额外的积极影响减少洗涤之前。最后应该指出的是，工作速度对涂层刀具的增加，从而提高生产力。CrN涂层也显示了很好的效果，在制造铜材料在成型和切割和涡轮叶片材料时（Inconel）以及在玻璃形成。对于由弹性体零件模具，热塑性塑料、酚醛塑料已涂多年的成功。同时还发现，CrN涂层提高模具的寿命拉刀在2-15倍范围的压铸铝。济南大学毕业设计外文资料翻译-8-图7.在金属深运用的CrN涂层冲头润滑图形成还原的例子，工件板材零件的几何形状，“帽子”（直径40毫米，高度为30mm）。5.3.Ti（N，C）高耐磨涂料该涂层可沉积具有较高的硬度比TiN和CrN涂层的耐磨性要高，但是，与金属的附着力比锡低一点。虽然大多数的Ti（N，C）涂层具有的化学梯度结构，也有使用其他几个多层结构。对于特殊应用，如合金钢高切削，铝涂层材料和其他成形工具成形，Ti（N，C）与锡经常表现出比较好的优势。5.4.（Al，Ti）N，高抗氧化涂层这是众所周知的，更高的切削速度以及“坏”的润滑条件与高温生成。（Al，Ti）N涂层高Al含量（金属含量[的]/[钛]1）是最耐氧化涂层可沉积的工具的过程上[33]。这种涂料是最好的候选人符合条件的高切削速度和“无”操作。然而，据报道，（Ti，Al）N涂层（金属含量[A1]/[钛]=1）磁控溅射不适于铣削操作[35]。图6显示A1TiN涂层的可能显著提高铣削刀具的性能。获得高镍合金材料和切削灰铸铁优良的结果。另据报道，如高镍合金或钛合金，有色金属材料的成型，A1TiN涂层可以有更好的表现比其他涂料。5.5.ZrN的有色金属材料切割ZrN涂层的硬度与TiN相似，然而，氧化锡，电阻较高[31]。人们已经发现，ZrN涂层是非常好的钻铣铝合金、钛合金等[5]。5.6.其他涂料济南大学毕业设计外文资料翻译-9-它以通过与Zr，Hf，Nb，VW和B[18,29,31