薄膜技术之离子镀技术的现状及前景

十年前，在我国多弧离子镀技术由研究阶段向生产推广阶段转变的时候，氮化钛镀层以其质硬、耐磨、抗腐蚀和华贵的金黄色泽的特点引起了人们的注意。现在，氮化钛镀层在工具、刀具、模具和装饰、建材、卫生洁具等方面获得了广泛的应用。

钛金这个技术性的商业名词逐渐为人们接受今天,离子镀膜已超出了氮化钛范围,成了包括钛金属在内IV价和VI价及其它金属的氯化物、碳化物和氧化物的代名词。离子镀齿轮刀具、拉刀、铣刀及各种工、模具的寿命提高了几倍至几十倍，用它们生产加工的工件的精度和粗糙度等级都有所提高。

钛金镀层的色彩也由单一的金黄色转向了多色彩,可以获得从浅蓝到紫红各种颜色的效果。离子镀制品已随处可见。天安门广场上的天下第一旗的旗杆钛金宝顶，城楼内的钛金栏杆，国家机关和宾馆饭店乃至公园装饰，商用牌匾都给人深刻的印象，充分证明了我国在建材方面应用钛金技术领先于世界。现在，日本、美国、南朝鲜东南亚各国都看好钛金建材市场。钛金建材将遍及垒世界。本文着重从实用角度上对离子镀技术的发展与现状作一介绍。

1.离子镀及其特点

离子镀工艺的出现，使材料表面改性技术向前推进了一大步。离子镀方法有许多种，如二极型、直流三极型、热阴极型、射频型、空心阴极(H C D)型，冷电弧阴极(C A C D)型，热阴极电子枪型、多弧型、溅射型等。纵观离子镀技术的进步过程，可以看出，离子镀的发展过程就是其离化率的提高过程。

在现有的离子镀膜方法中，多弧型和磁控溅射型离子镀具有广泛的应用潜力。其优点是镀膜过程中靶材保持固体状态，因而可以任意方向放置，扩大了镀覆空间；不必采用昂贵的加热元件和坩锅，易于获得台金膜层等。应用这种工艺的设备可以做得很大，结构简单，镀覆重复性好，易于操作和实现自动化。

离子镀膜之所以质量好，主要是在镀膜空间存在着离子。这些离子在偏压的作用下，轰击工件并沉膜。荷能粒子的存在增加了元素间反应的可能性，因而拓展了离子镀工艺的应用范围。可以说离子镀是一种离子轰击镀膜技术。

离子镀的主要优点有：膜层致密均匀，附着强度高，覆盖能力强，绕镀性好，沉积速度快，处理温度低，可镀材质广；无公害，耗能低，耗水少，用料省；膜的形态可控，操作可靠性高，便于工业化生产等。这些优点使得离子镀技术在国民经济各个领域得到了广泛应用。

2.国外离子镀技术发展情况

前苏联

在离子镀技术领域中，前苏联始终居于领先地位，主要开发研制的是多弧技术，仅在线使用的小型机就有200多台，主要用于镀覆工具和刀具。这种设备的另一种用途是镀牙套，这种牙套已为前苏卫生部批准在医院里使用。近年来，还在铝膜上镀金黄色膜，这种铝膜可用粘贴的办法贴在工件上。在消除液滴的研究分析方面，前苏联的有关文献数量处于领先地位，在用磁场筛分方式方面，取得了很多的成果。供气检测方法早期采用真空计，目前已转向光谱法。如白俄罗斯

采用泸光片方法检测镀膜时真空室放电气体发射的特征光谱强度决定进气量。

美国

美国离子镀膜机的机型也以多弧型为主。我国引进的设备主要是美国的M U LTIARC和VACTEC两家公司生产的。据传VACTEC公司原定以中国为主要市场，目前业已被其它公司兼并。该公司生产的多弧型机采用大靶，易烧蚀出沟槽，靶材利用率较低。冷凝泵为主排气机，故障率较高。多弧公司是世界知名公司之一，始建于1980年，拥有现代化的实验室，20多个镀膜分支机掏遍布在世界各地，是最早购买前苏联专利的公司。生产能镀20"，30~，40"，48"及两米长的刀具用的镀覆设备。该公司人员不多，但十分重视科研开发，这是该公司取得成绩的主要原因之一。多弧公司设备的主要工作系统采用嗽机程序控制，蒸发离化源装置位置可调，可以满足各种镀覆工件的需要，空间利用率大，可镀覆大型工件。公司还随机配备了较完整的技术资料及质量控制检测手段，因而实麓起来较为顺利，这是我国生产设备的公司应注意学习的。

在美国，镀膜设备主要用于刀具镀覆，涂层刀具已占刀具市场主导地位，一些工具厂也设立了自己的镀膜工段。美国刀具涂层种类较多，主流还是TiN，其次是ZrN和复合膜层刀具。上次学术年会上多弧公司曾就所开发的TiALN膜层作过宣讲，引起兴趣。美国的装饰离子镀工艺才刚刚起步。

瑞士

瑞士的巴尔蔡司公司生产的BAI．830设备问为800mm×800mm，利用电子束蒸发镀膜。

日本

镀膜室尺寸为920mm×1000mm，镀膜空该设备在上海工具厂使用，镀覆质量较好。日本是离子镀技术开发较早的国家，沈阳腐蚀所引进的H C D型IPB3030就是日本ULVAC公司的产品。日本神户制钢(KOBE·sTEEL)公司生产的AlP系列离子镀膜机为日本生产的典型设备。该系列设备为多弧型，结构与VECTEC设备类似。其中小型设备AIP一050，AIP 200型的真空排气段操作为自动．工艺段为手动。发展到AIP一1000型(内腔尺寸1040m m X920ra m X 1000ra m，有效镀覆空问bS00mm X 700ram)为垒自动操作。使用冷凝泵排气机组。值得注意的是该公司推出的镀膜生产线由装载室、预热室、镀膜室、冷却室和卸载室几部分组成。据称近来又将清洗线与镀膜线直接相连，构成了一套完整的自动化设备。

德国

德国莱宝公司在离子镀方面以溅射离子镀见长该种设备采用对靶方式布排，以装饰镀为主。镀覆出各种色泽的膜层，细腻，附着力强。z一700为其研究开发型设备，z一1100为生产型。排气系统采用涡轮分子泵。该公司推出的ZV一1200型镀膜生产线可适用于多层复合膜连续生产。德国蔡斯公司采用的是HCD型离子镀方法，推出TINA一900型设备，可用于工具镀和装饰镀，该设备内腔尺寸为900mm×900mm

3.离子镀在我国的发展

离子镀技术在我国发展只有不足二十年的历史。近十年来，我国从事钛金设备制造和应用的厂家已逾百余家。据不完全统计，八十年代我国特别是工具行业，为了加快该技术的应用，先后引进了l1台(套)离子镀膜机，花费了大约一千多万美元的外汇。这些设备的引进，无疑对我国离子镀技术起了推动作用。随着我国技术的进步。离子镀技术，特别是多孤离子镀技术的普及和推广，我国已由离子镀膜机的进口国变成了世界上的出口大国。据统计，我国离子镀膜设备的出口额已逾一千多万美元，初步实现了将花出去的外汇赚回来的愿望。截至1995年上半年，仅长城钛金公司出口设备就六十多台套，分别销往美国、法国、日本、南朝鲜、巴西、东南亚等国和香港、台湾地区。大型的镀膜机尺寸已达b2150mm，高已达6000mm有余一次镀制l0张1．22re x 3．048m不锈钢板的大型设备已在唐山新区投入运行。

在设备的控制方法，我国已和世界水平接近。微机垒过程自动控制型离子镀膜机已投放市场。如TG8D型机，固化有多种工艺软件，具有屏幕图形、表格显示和打印及故障自动检测、报警功能。经一年多的试用证明，可靠性高，重复性好。

我国离子镀工艺技术进展也十分迅速。开发出了多种耐磨、高硬和防蚀、装饰膜层。在工具、模具及建材、装饰、卫生洁具等方面获得了广泛应用镀制的工具和镀钛金板已出口国外。

4.离子镀设备的现状分析和发展趋势

镀膜室

现有的设备中镀膜室有钟罩式、箱式，内部装有工件架。镀膜时工件大多作公自转运动或平动自转运动。离子镀设备，除工件上要施加偏压之外，与一般真空镀膜设备没有多大差别。其结构形式与尺寸大小都根据其用途而定。

真空排气系统

离子镀时残余气体的压强和种类对镀膜质量有重要影响。因此，预抽真空一般要达到10Pa数量级。镀膜时送人辅助和反应气体。压强维持在1．3X 10一t～1．3Pa的范围，这要求排气系统能在宽压强范围内保持高的稳定抽速。油蒸汽的存在对膜层质量有害。涡轮分子泵、冷凝泵、罗茨泵等都可视为无油少油系统，但这些泵价格高，维修麻烦，因此，现在一些国外厂家也同国内厂家一样，转向了扩散泵，增加了冷阱以提高对水汽的抽速，降低返油率。

为适应镀膜设备的宽压强大抽速的需要，根据我们的要求，兰州真空泵厂研制了TD型低返油大抽速扩散泵，将抽速曲线水平段右限(高压强限)向右推移至9×10Pa以上。

加热系统

工件的温度对镀膜质量有重要影响。采用的加热方法有主弧轰击法、电阻加热法、加热灯法等。主弧轰击是离子镀特有的手段，对工具镀覆应用十分有效装饰镀工艺很少使用这种方法，以免影响表面质量。加热灯法在半导体工艺中经常使用。离子镀工艺最常用的方法是电阻加热法，管状加热器用得最为广泛。这种加热器使用方便，易于清洁，但表面允许负荷不高，大气使用不超过2W／cm，在真空中需降负荷使用，大功率时需要的根数很多。在超大型设备中，加热功率达数十千瓦，采用直接通电加热法。裸露的加热器应采取低电压供电，以免造成击穿放电短路。

供气系统

气体可以在室外混合后送入镀膜室，亦可以分别进入镀膜室，后者在反应气体对靶材有严重影响时经常使用。在这种情况下，反应气体送往工件镀膜区，而惰性气体送主靶区。

早期供气采用针阀控制，针阀受温度和污染等因素影响很大，使用不够稳定。也曾用过压电阀门，其流量都比较小。目前主要使用电磁阀供气。这种阀的开启度随压强或流量或其它检测信号的变化而变化，因而可实现自动控制。

离子镀膜机检取的供气信号有压强信号，流量信号、光谱(镀膜室气体放电所发射的特征光谱强度)信号，质谱(分析镀膜室中气体成份及数量)信号。我国多采用前两种，自俄罗斯斯摩尔干厂采用光谱法，德国莱宝公司采用质谱法。

离化潦电源

早期离化源电源是用弧焊机改造的。这种设备的功率因子较低，重量也大后来就生产了专用的离化源电源，将功率因子提高到0．9以上。随着逆变式弧焊机的诞生，逆变式弧电源得到迅速发展和应用。这种电源体积小，重量轻，伏安曲线陡直，稳弧特性好，受用户欢迎。

轰偏电源

轰偏电源是离子镀设备主要的和技术难度较高的电源镀膜规模小时，轰偏电源可采用限流电阻方法实现灭弧功能。镀覆工件面积增大时，限流电阻上会消耗很大的功率，这种方法不可取。随后研制了带可控硅灭弧装置、震荡式灭弧装置等类型的轰偏电源，效果都不太理想。国外使用的是逆变式电源。美国先能公司生产的10kW和倍功率逆变电源，逆变频率是50kH z，而德国马克尼特隆公司生产的逆变电源频率为33kH z。这些电源质量好，应用范围广，但价格昂贵，灭弧时间在2左右。借鉴国外经验，国内也研制出了逆变型轰偏电源。如钛金公司的逆变电源，功率系列为12kW的倍数，频率为50kH z，灭弧时间小于5,us。镀覆大面积工件(如3张光亮板)效果很好。