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1、表面工程概论实践教学内容1. 等离子表面冶金炉1 ）结构特点该设备抽气系统设置机械泵和扩散泵。根据工作要求，炉内可获得低真空和 中高真空。在炉壁设置一弧靶，从炉底引入两阴极柱。当系统抽到高真空时，利 用弧靶和一个阴极靶（弧靶提供金属离子，阴极上悬挂工件），可以实现在金属 工件上镀金属膜层、镀金属化合物膜层。当系统抽到初、中真空时，利用弧靶和 一个阴极靶，可以进行弧光辉光渗金属。利用两个阴极靶，一个阴极靶悬挂欲渗 金属，另一个阴极靶悬挂工件，进行双层辉光离子渗金属。本设备实现弧光、辉 光渗金属技术的复合。2） 表面合金化原理及设备功能一、表面合金化原理 双层辉光渗金属技术双层辉光离子渗金属技术是
2、利用真空条件下双层辉光放电所产生的低温 等离子体而形成的一种等离子表面冶金方法。其主要功能是在可导电材料表面 形成具有特殊物理化学性能的合金层。例如在普通碳钢表面形成高速钢、不锈 钢和镍基合金等。在钛及钛合金表面形成各种耐磨、耐蚀、抗高温氧化的合金 层和在金属材料表面形成高硬耐磨的金属陶瓷复合层等。双层辉光离子渗金属原理图。抽真空至IPa左右后，充Ar气至30-50Pa,阴 极（即工件）置400-500V负偏压，欲渗金属极（称为源极）置800-1000V负偏 压。在偏压的作用下，气体被点燃，产生强烈的辉光放电，在阴极和源极之间 产生不等电位空心阴极效应，使得工件被迅速加热到高温，使的欲渗金属原
3、子 被溅射出来，沉积到工件表面，在高温下，在工件表面沉积原子浓度梯度的作 用下，原子通过扩散，进入工件表层，形成表面合金层。图4给出利用双层辉 光离子渗金属技术在普通碳钢表面获得渗铬层，使得普通碳钢变为表面不锈 钢，获得优良的耐蚀性。加弧辉光离子渗金属技术加弧辉光离子渗金属原理。其特征是在双层辉光离子渗金属装置中，引入冷 阴极电弧源，把辉光放电和弧光放电有机的结合起来，在被处理工件周围设置辅 助阴极，利用辉光放电空心阴极效应使工件迅速升温。本设备同时在真空容器壁 上设置一个金属阴极电弧靶源，利用真空电弧放电引燃电弧源，不断地发射出高 能量、高密度、高离化率的欲渗金属离子流，在工件负偏压的作用下
4、加速到达工 件表面。依靠扩散和离子轰击作用快速渗入工件表面，在工件表面可以形成渗层、 镀层、渗镀结合层。二、功能： 利用双层辉光离子渗金属技术，在金属材料表面可渗入特定的合金元素，包 括几乎所有的高熔点金属，女如V、Mo、Cr、Ni等，可大幅度提高材料表面的耐磨、 耐腐蚀性能；强化材料表面，提高抗疲劳性能；提高材料的抗高温氧化性能；同 时也可生成具有特殊功能的合金层。用石墨作源极，可在钛合金表面实现无氢渗 碳，提高钛合金的耐磨性。双层辉光离子渗金属技术具有节约贵金属，节省能源、 无公害，并可大面积处理及表面合金成份可控等显著优点。已成功地应用于手用 锯条，机用锯条，大型钢板，化工用阀门及液体泵
5、，钢窗附件以及汽车排气阀等。 是一项有广阔应用前景的表面工程技术。利用双层辉光渗金属技术生产的表面高 速钢手用锯条，此锯条具有国外双金属锯条相近的性能，而成本仅为双金属锯条 的一半。利用加弧辉光离子渗金属技术，同样可在金属表面实现特定金属、非金属元 素的渗入，提高材料表面的耐磨、耐腐蚀性能、抗疲劳性能；与双辉渗相比，具 有一些特点：1.渗速极快，平均值为300700Pm/h； 2工件形状不受限制，可以在炉内任意放置；3. 工件可以转动，能实现均匀渗镀；4. 不仅可以渗镀高熔点的金属和合金如 Ti,Mo,Cr,Ni,Cr-Ni,W-Mo 等，还可以渗 镀低熔点的金属和合金Al,Zn,Pb,Al合
6、金等；2 多功能离子镀膜机1) 结构特点该设备的真空抽气系统由机械泵、罗兹泵和扩散泵组成，用于获得高真空。 炉壁设置4个弧靶和2个磁控靶。该设备可用于多弧离子镀膜和磁控溅射镀膜， 也可以同时工作，用途极为广泛。2) 镀膜原理与设备功能一、镀膜原理 多弧离子镀膜原理多弧离子镀技术是采用阴极电弧蒸发源的一种离子镀技术。阴极电弧蒸发源 可以使Ti、Al、Zr、Cr等单项靶材，也可以是由它们组成的合金靶材。多弧离 子镀应用面广，实用性强。除了具有其他各种离子镀方法的广泛用途外，特别是 在高速钢刀具镀覆 TiN 膜层的应用方面发展的最为迅速，并进入了工业化阶段。 多弧离子镀的基本组成包括真空镀膜室、阴极
7、弧源、基片、负偏压电源、真空系 统等。阴极弧源是多弧离子镀的核心，它所产生的金属等离子体自动维持阴极和 镀膜室之间的弧光放电。微小弧斑在阴极靶面迅速徘徊，弧斑的电流密度很大， 达到105-107A/cm2,电压为-20V左右。由于微弧能量密度非常大，弧斑发射金属 蒸汽流的速度可以达到103m/s。阴极靶本身既是蒸发源，又是离化源。外加磁场 可以改变阴极弧斑在极靶面的移动速度，并使弧斑均匀、细化，以达到阴极靶面 的均匀烧蚀，延长靶的使用寿命。工件加500V左右的负偏压。通入真空室的氮 气在阴极等离子区被离化为N离子或活性N原子，这样从弧靶蒸发出来的Ti离子 或活性 Ti 原子与 N 离子 或活性
8、 N 原子生成 TiN 并沉积在工件表面，生成 TiN 膜。 磁控溅射镀膜原理磁控溅射源系统可以是平面磁控溅射源、圆柱面磁控溅射源和S抢型磁控溅 射源。本设备采用平面磁控溅射源。其工作原理是在二极溅射的阴极靶面上建立 一个环形封闭磁场，它具有平行于靶面的横向磁场分量，该磁场由靶体内的磁体 产生。此外，磁控溅射装置的阳极就在阴极四周，基片不在阳极上，而在靶对面 的悬浮基片架上。镀膜时，基片架可以加负偏压，也可不加。磁控溅射与多弧离 子镀的主要区别就是用磁控溅射源取代多弧离子镀的离子蒸发源。因此，磁控溅 射的工作电压在-400-600V。二、功能：该设备既能制备纯金属膜，也能制备金属化合物膜或复合
9、材料膜，既能制备 单层膜，又能制备多层复合膜；既能用于装饰镀，也能用于功能镀。如 Ti-Al-Cr 涂层用于钛合金高温防护涂层； TiN 用于装饰镀； TiN、ZrN、TiC、（Ti,Al）N 等超硬涂层，用于刀具或耐磨件。资料介绍，用多弧离子镀TiN后的M3滚刀与 未镀膜层的 M3 滚刀的切削对比试验表明，前者加工的工件数是后者的 8 倍多， 由于 TiN 涂层的高硬度和低的动、静摩擦因数，使滚刀使用寿命显著提高.表 1 给出不同钻头的切削性能比较，结果显示，随钻速从 500r/min 提高到 1000r/min， 镀TiN的钻头的相对寿命是无涂层钻头的寿命从5.38倍提高到7.24倍。B
10、品制备及前处理工艺1）样品的打磨2）样品的清洗小样品：用丙酮、酒精清洗 大样品及样品多时用超声波机。水中加金属清洗剂。洗完后清水冲洗干净。 最后手接触样品时戴塑料进行，以免汗啧污染。3）装炉待处理多功能镀膜机多操功作规能程 离子镀膜机操作要点1. 确认各开关置于“关”位置2. 合上各空气开关3. 开电源、开气泵、开水泵，待指示灯亮后，开维持泵，开扩散泵（扩散泵加 热 50 分钟后处于工作状态）4. 开放气阀，打开炉门，装入工件，检查工件转动情况，各工件之间，工件与 转架不得有碰撞现象5. 关闭炉门，开机械泵，开旁通阀，开钟罩阀6. 开压强控制仪。当PW2X102Pa时，关旁通阀，开罗兹泵7.
11、当PW1X100Pa时，关钟罩阀，开系统阀，开高阀8. PWlXlOPa时，关系统阀，关罗兹泵，关机械泵（当工件较大时，开加热, 开转动）9. 当PW8X1O-3Pa时，开氩气、氮气、钢瓶阀开关10. 开氩气流量计电源，开关置于“阀控”处，调节电位器，充入氮气，使压力 达到要求11. 开转动电源，设定转动频率15-20之间，按确认键，加载12. 开偏压电源开关，调节百分比“ 60”，档位“B”调节电位器，使电压值在 设定范围内13. 开引弧电源，电压在100V以上14. 开弧源1，引弧，调节时间，计时，观察电压、电流15. 开弧源2，引弧，关引弧1，计时，观察电压、电流16. 开弧源3，引弧，
12、关引弧2，计时，观察电压、电流17. 开弧源3，引弧，关引弧2，计时，观察电压、电流18. 调节偏压电位器，使电压在设定范围内，计时，依次重覆14-1719. 调节偏压电位器，使电压在设定范围内，开压强控制仪，阀门开关在“控制“挡，调节电位器，充入氮气在设定范围，依次开启弧电源1-4号，计时20. 调节偏压电源，档位“ A “，百分比” 80 “，电压值在设定范围，关氮气， 增加压强仪电位器刻度21. 调节偏压电源电压在设定范围，计时22. 依次关闭弧电源1-4号，关闭引弧电源23. 压强控制仪阀门开关在“测量“挡，此时，氮气阀门被关闭24. 调节偏压电源电位器电压为“0“，百分比” 60“，
13、关闭电源，档位” B“25. 关闭温度电源，按转动电源“停止“键，关闭转动电源26. 记录真空度数值，关闭高阀、关系统阀、关旁通阀、关机械泵、关扩散泵， 计时27. 关闭氩气、氮气钢瓶阀开关28. 60分钟后关闭维持泵，关气泵、关水泵29. 拉下总空气开关建议：每星期各电源开机预热 15 分钟，泵及阀门不用开工艺要点及各种镀膜参考工艺1轰击时间的长短：取决于工件大小、厚度、干净程度、退火温度及自身的硬 度，一般从30秒3分钟不等2加热时间：取决条件同上，一般从3 0秒 1 0分钟3. 镀膜时间.：一般工况条件下，1520分钟，生成膜厚1Mm（钛靶电流 45-50A），可根据要求控制镀膜时间4.
14、 磁控靶：磁控靶工作时，不可关闭氩气，防止靶中毒。当靶发生中毒时，可 用氩气溅射，直到靶表面出现正常辉光为止。磁控靶最大工作电流不超过2A,1-1.5A 为宜5. 弧源靶：弧电源工作时，电压值1820V,电流值4060A，保护电流 05A，保护电流超过5A时，应及时清理弧源靶与屏蔽的间隙，当保护开 关跳闸时，不要合闸，停机后检查弧源靶6. 磁控靶不起辉光时可加大氩气充入量，最高可达8X10-1Pa，当正常辉光时， 再降到3X10JPa。当靶中毒时，可充入氩气到5X10-1Pa，开启磁控电源， 调节电压值700V左右，发现靶表面有浅浅的辉光或小的放电点即可，不要 再加电压，当靶自身溅射干净后，可
15、出现正常辉光，电流值0.5-1.2A左右，电压值 350-450V 之间建议：当磁控靶不用时，可用铁板压住现在的档板，因其间隙太大多弧装饰镀1 轰击抽至 8X10-3Pa 后充氩气到 8X10-2Pa, 600VX0.6,依次 1、2、3、4 各 40 2 加热充氩气到 1 X1O-iPa，充氮气到 2X10-iPa, 400VX0.7, 1, 2, 3, 4 共 1 分钟 3 镀膜关氩气，充氮气到4X10-1Pa, 200VX0.8,1,2,3,4共3分钟150VX0.8,1,2,3,4 共 5 分钟100VX0.8,1,2,3,4 共 5 分钟关机多弧工具（以6钻头为例）1 轰击抽至 8X 10-3Pa 后充氩气到 4X10-2Pa, 600VX0.6,依次 1、2、3、4 各 40 900VX0.6 依次 1、2、3、4 各 402 加热充氩气到 4X10-2Pa，充氮气到 2X10-1Pa, 600VX0.7, 1, 2, 3, 4 共 30 400VX0.8, 1, 2, 3, 4共303 镀膜关氩气，充氮气到6X10-1Pa, 200VX0.8,1,2,3,4共50分钟150VX0.8,1,2,3,4 共10分钟关机磁控1 轰击抽至 8 X 10-3Pa 后充氩气到 4X10-2Pa, 600VX0.6,依次 1、2、3、4
