[发明专利]深孔内壁电弧离子镀膜方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学与工程技术领域，涉及一种用电弧离子镀技术在具有 深孔结构的模具和管子内壁沉积改性薄膜的方法。

背景技术

材料表面的离子镀改性薄膜技术，如在工具、零件表面镀覆TiN硬质薄膜， 早在上世纪80年代就已成功商用化，并在工业生产中发挥着越来越重要的作用。 但是有一个问题也变得越来越值得重视，就是几乎所有的报道都是针对外表面 的镀膜研究。而事实上，在生产实践中以内表面为工作面的工件也占有很大的 比例，如一些冲压模具、拉伸模具、发动机的缸筒、运输管道、各种管状容器、 离子加速管、枪管与炮筒等，这些工件经常因内壁磨损、腐蚀等形式遭到破坏。 因此开发在管孔结构工件的内壁上沉积耐磨、耐蚀、耐高温的改性薄膜的工艺 和方法，是离子镀技术领域越来越急需解决的问题。

薄膜的内孔沉积要比外表面沉积困难得多。在离子镀中，工件整体浸没于 等离子体环境中，等离子体鞘层围绕工件的外表面而形成，在负偏压电场的作 用下，离子在鞘层中被加速而到达工件表面，沉积成膜后离子还能从等离子体 中源源不断地扩散过来，所以在外表面沉积薄膜的厚度和质量都能得到很好的 控制；但对于深孔内壁，尤其是仅一端开口的盲孔内壁镀膜，由于受到孔状结 构的屏蔽作用，等离子体只能通过仅有的一处开口向里扩散，随着离子在成膜 过程中的不断消耗，等离子体密度将随深度不断下降，决定着越往深处获得薄 膜将越发困难。一般来讲，即使使用离化率最高的电弧离子镀方法，采用与外 表面一样的常规工艺，也只能得到与管孔直径一样的镀膜深度，即1∶1的镀膜 深径比。最新的研究表明，在电弧离子镀膜过程中采用脉冲负偏压，可以增加 镀膜深度到深管直径的1.4倍^[1]，即得到1.4∶1的镀膜深径比。但是仅使用脉 冲偏压却无法取得更深的镀膜深度，致使那些在生产实践中管孔深度比直径大 于1.4倍的绝大多数部件和模具都无法采用这一方法来实现镀膜从而提高其使 用寿命。

参考文献

[1]石昌仑，张敏，林国强.，脉冲偏压对电弧离子镀深管内壁沉积TiN薄膜的影响.真 空科学与技术学报，2007，27(6)：517-521.

发明内容

本发明的目的是提供一种用电弧离子镀工艺在具有深孔结构的工件内壁沉 积薄膜，镀膜深度达到管孔直径的2倍以上，即镀膜深径比达到2.0∶1以上的 深孔镀膜方法。

本发明的技术构思是，在电弧离子镀过程中同时使用脉冲偏压与工件周围 的不均匀磁场，利用电场、磁场与等离子体相辅相成的交互作用，造成等离子 体的中的带电粒子局部定向流动，以及管孔内部的等离子体鞘层振荡以增强等 离子体在管孔中的扩散，从而达到等离子体内引后在深处沉积薄膜的目的。其 基本原理为：若在等离子体中放置一个不均匀磁场，则带电粒子在磁场的作用 下做垂直于磁力线方向的拉莫尔旋转运动(其旋转半径为r＝mv/qB)和沿着磁场 梯度方向做的直线运动(梯度磁场作用力F＝-μdB/dx，其中μ为磁矩)，因此， 当合理选择不均匀磁场的分布、位置和大小时，就有可能造成等离子体中的带 电粒子在局部向着某个方位定向流动从而形成带电粒子的区域聚集，如果将这 个定向流动区域恰好选择在深孔工件的管孔处，则在磁场的作用下等离子体会 产生一定的内引倾向。此外，脉冲偏压使等离子体鞘层随偏压的脉动而涨落， 等离子体鞘层的厚度d_s＝[(2ε₀U)/(en_i)]^1/2(其中ε₀为真空介电常数，U为偏压 幅值，e为电子电量，n_i为等离子体的密度)随着偏压的变化而变化，在偏压处 于“占”时，鞘层较厚，离子加速能量大，镀膜质量好，但当鞘层过厚到管孔 半径的尺度时，离子会被鞘层屏蔽在管孔外部而不能进入管内壁使镀膜不能进 行；在偏压处于“空”时，鞘层较薄，离子加速能量小，镀膜质量不好，但此 时鞘层尺度小不能在管口形成对离子的屏蔽，离子能够扩散到管孔内部的较深 处，当有不均匀磁场造成的等离子体定向流动时，这种扩散会更加增强。因此 合理选择脉冲偏压的“占”、“空”之比可以兼顾薄膜的离子沉积和向内扩散两 个过程，当同时有不均匀磁场造成等离子体的局部聚集时，这种兼顾效果会更 加明显。