第三章-现代表面工

第三章现代表面工程技术

3.1概论3.1-1问题的提出①材料的磨损、腐蚀、裂纹扩展等破坏往往从零件表面开始。②随着现代工业发展对零件表面提出更高要求。零件在高速、高温、高压、重载、强腐蚀环境下要可靠、持续地工作，对零件表面提出了更高的要求。③表面工程技术研究已有很久的历史（春秋战国时钢的淬火），表面工程迅速发展是从19世纪开始；20世纪80年代成为世界上十大关键技术之一；20世纪90年代发展更猛，新的表面技术不断的展现；进入21世纪仍是主导技术之一。3.1-2、表面工程技术定义：表面工程是经表面预处理后，经过表面涂覆，表面改性或表面复合处理，改变金属或非金属表面的形态，化学成份，组织结构，应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程。3.1-3表面技术是表面工程的技术分类主要分为三大类：

电镀：电镀电刷镀

化学镀化学镀电弧喷涂热喷涂火焰喷涂等离子喷涂爆炸喷涂特种方法喷涂激光喷涂磷化①表面涂金属转化膜化学氧化覆技术 阳极氧化 微弧氧化金属着色涂料涂装溶剂性涂料、高固体组分涂料、水溶性涂料、粉末涂料热浸镀镀锌、镀铝、镀锌铝合金气相沉积物理气相沉积(PVD)

各种薄膜化学气相沉积(CVD)

等离子化学气相沉积(PCVD)

堆焊、熔焊 防锈封存包装 其他涂层搪瓷涂敷、陶瓷涂敷、粘涂、达克罗涂层

喷丸强化、辊压、挤压强化 感应加热淬火流态床表面硬化 接触电阻加热淬火表面热处理脉冲加热淬火 激光表面加热淬火电子束表面淬火 火焰淬火②表面改性技术渗碳：固体、液体、气体、真空、离子 气体氮化 化学热处理氮化 离子氮化

碳氮共渗 渗金属 激光束照射高能束表电子束照射面处理离子束照射注入N、C

注入金属Cr、Ti

离子注入复合注入Ti+C、 离子束混入Ti+N、Mo+Si

电镀与电泳涂装复合 化学热处理与电镀复合 热喷涂与涂装复合③表面复合处理 化学热处理与气相沉积复合技术，以上两 表面强化与固体润滑层复合 种技术复合 多层膜复合 隔热层、防火层、抗蚀层复合 等离子喷涂与激光辐射复合 3.1-4、表面工程技术达到目的

抗蚀①提高材料抵御环境的抗力耐磨 抗高温氧化 抗低温环境 机械功能 装饰功能②赋予材料表面功能有物理功能 特殊功能（声、电、磁、光等）

③弄清表面失效机理和各种特殊性能要求实施特定的表面技术来制备各种优异性能的表面，促进材料表面科学的发展，开发新的表面工程技术。④修复磨损腐蚀零件，挽救加工超差的产品，实现再制造工程。⑤赋予制造表面光泽的色彩、图纹、优美外观。⑥实现特定的表面加工来制造零件、构件和元器件。3.1-5表面技术与工程应用

①在航空航天工业中应用常用涂镀技术物理气相沉积技术满足

飞机火箭卫星宇宙飞船导弹在恶劣环境下对材料提出特殊性能的要求

②在汽车工业上应用

车身的装饰与防护钢构件的耐蚀与耐磨。（齿轮、轴、连杆、活塞环、销轴等）③在家用电器工业中应用

电视,冰箱,洗衣机,电饭锅油烟机,空调

冶金工业中 轧辊电力工业中 锅炉用管子④在冶金、电力、石化、机械工业中大型构件上应用 石化工业中 石油贮罐机械工业中 轴、齿轮计算机中集成电路元件用纳米薄膜⑤在电子技术中的应用VCD、DVD光盘表面真空镀膜，增加存贮密度离子注入半导体渗杂

⑥在功能元器件中应用

电性 超导性磁性 强磁性光学性发光元件声学性保真传声化学性耐蚀耐热性耐热、蓄热转换功光-电、热-电、光-热、力-电等

高级宾馆音乐厅超级市场 都离不开表面装璜⑦在城市建设中应用购物中心大厦建筑用金属构件的保护水质净化⑧保护优化环境中的应用抗菌灭菌上用膜，光催化作用。绿色能源、太阳能电池、发电、热水器等降低噪声污染—用吸声材料

金刚石薄膜，类金刚石薄膜立方氮化硼，超导膜⑨在研究制备先进新材料中应用纳米固体薄膜，非晶硅薄膜，功能材料,梯度材料等

3.1-6表面工程技术发展趋势

①表面工程新技术新工艺向高效、节能、低污染和经济的方向发展。

如高速燃气喷涂（HVOF）喷涂陶瓷，难熔金属及碳化物，激光喷涂复合材料爆炸喷涂

PCVD制备高性能超硬化合物离子束辅助镀膜（IAC）

双层辉光离子渗金属提高性能，节约能源明显真空与离子及低温化学热处理

彩色氧化膜微弧氧化

第五代阴极电泳自溶涂料（EOS）已开发应用闪光涂料、气相固化涂料溶胶凝胶涂覆层新材料也是研究发展的热点有广泛的应用前景②表面工程的表面复合技术应用日益广泛表面复合技术发挥各工艺和材料的最佳协同效应，可获得最佳性能，得到更广泛的应用。电镀—电泳涂装复合技术；激光硬化与气相沉积复合；热喷涂与涂装复合工艺；表面强化与固体润滑层复合；离子注入与气相沉积复合；电镀与渗扩复合；热喷涂与激光重熔复合。③智能化、自动化在表面工程领域中应用发展迅速人工智能用于涂装生产线，智能热喷涂设备、智能喷焊设备问世，过程自动化跟踪，工艺参数精确控制，提高了质量。智能化仍是21世纪表面工程技术发展方向。④高能束在表面工程应用前景广阔激光熔融扩渗及合金化激光电镀激光喷涂激光上釉激光化学反应涂层电子束表面合金化离子注入改性产品性能提高，寿命提高，节约昂贵材料和能源，今后将会普及推广和应用。⑤纳米表面工程技术已成为新的发展方向纳米颗粒复合电刷镀纳米热喷涂纳米涂装纳米固体润滑纳米胶粘剂等离子喷涂获得纳米结构涂层⑥表面工程设计趋于科学化a.产品设计由单一强度设计发展到强度、磨损、腐蚀的一体综合设计。

b.解决产品失效原因时要考虑系统工程

c.建立表面过程的数字模型预测表面的服役行为和失效机理，质量控制和过程优化是表面工程技术发展的热点。这些已进入实用阶段，

21世纪会有跨跃式发展工程条件，结构设计，合理选材，改进工艺（加工），正确选择实施表面工程技术3.1-7表面薄膜与沉积技术应用现代的物理化学气相沉积法可以在零件表面沉积出厚度为100nm至微米厚的薄膜。一般小于25m为薄膜，大于25m为厚膜。1、薄膜技术包括

薄膜材料制备技术薄膜分析表征薄膜层设计与选择薄膜工程应用

2、薄膜分类可分为四大类：

①装饰功能膜—彩色膜、装饰膜、包装膜、镀铝纸膜。

、②物理功能膜光学膜

反射膜阳光控制膜防激光致盲膜、、、、窗口膜

微电子膜

电子元件膜Si、GaAs、GeSi

传感器膜SiO、SiO2、TiO2、ZnO、AlN、SiC、Al2O3、

超导元件膜YBaCuO、BiSrCaClCO、Nb3Al、Nb3Sn晶体管薄膜

集成电路基片膜Al、Au、Ag、Cu、W光电子膜

探测器膜YAG、HgCdTe光敏电阻膜InSb、GeSi、Si

信息存贮膜

磁记录膜磁带、磁盘、磁卡、磁鼓

光盘存储膜GdTbFe、CdCo/nSn。γ-Fe2O3CrO2Fe-Co机械功能膜耐腐蚀膜TiN、CrN、NbC、TaC、ZrO2、MCrAlY耐冲刷膜TiN、TaN、ZrN、TiC、SiC、BN耐高温氧化膜TiCN、金刚石膜、类金刚石膜、立方氮化硼C-BN

防潮放热膜AL、Zn、Cr、Ti、Ni、AlZn、NiCrAl

高强高硬膜CoCrAlY、NiCoCrAlY+HfTa润滑膜MoS2、S

特殊功能膜真空中的干摩擦DLC、金刚石

辐射下的润滑耐磨—MoS2

高温耐磨与透光—金刚石、C-BN3.1-8表面工程的学科体系

、表面工程学

表面工程基础理论表面摩擦与磨损表面腐蚀与防护表面界面结合与复合表面失效分析

表面工程技术

表面涂层（厚膜）技术表面薄膜技术化学转化膜技术表面改性技术表面机械强化技术复合表面技术表面加工技术——表面预处理加工，表面层机械加工，特殊加工表面质量检测与控制几何形状特性检测表面力学特性的检测表面物理化学特性检测表面分析技术：成分、组织、结构检测

表面工程技术设计

表面层结构设计表面层材料设计表面层工艺设计

表面工程车间设计

表面工程技术经济分析

作业题：表面工程技术包括哪几类表面技术？并说明这些技术达到的工程目的。3.2电镀与化学镀

3.2-1电镀电镀技术定义：电镀技术是属于表面技术中覆盖层技术的领域，是一种古老而又较广泛应用的一种技术。它是用电解的方法从一定的电解质溶液（水溶液，非水溶液，熔盐）中，在经预处理的金属或非金属表面沉积原子，获得所要性能沉积层的方法。3.2-1-1镀件的预处理：任何表面处理技术都需要对工件进行前处理，如除锈、除油、表面活化等。它是获得优良的镀、渗层的基础。后面讲到各种表面技术时，前处理工艺不再赘述。3.2-1-2.电镀的方法①单金属电镀：镀A1、Cr、Cu、Zn、Fe、Au、Ag。②合金镀层，铜合金（黄铜Cu-Zn、青铜Cu-Sn）锡合金（Sn-Pb，

Sn-Zn，Sn-Ni），锌合金（Zn-NiZn-Co，Zn-Fe）③单层电镀④多层组合电镀Ni/Cu，Cu/Ni-Fe，Cr/Co，Ni/Ni-P。⑤复合电镀Ni/SiC，Fe-Al2O3，Ni-ZrO2。⑥脉冲电镀是用脉冲电流进行的一种电镀，无针孔晶粒细。3.2-1-3电镀的应用①用于金属或非金属的装饰防护；②用于金属或非金属的特殊性能；③用于金属或非金属的功能镀层；④用于电气、电子、微电子、机械、汽车、航空、航天等各领域。3.2-1-4．电镀技术研究和开发的重点。①研究开发新型化合物作电镀液成分，以提供特殊性能层，提高电沉积速度。②研究开发新型非水镀液—熔盐。③开发新的镀层、合金层、复合层、功能梯度层和多层镀层。④电镀技术与其他技术广泛的组合，使电镀性能更好。⑤利用计算机程序化、智能化使电镀技术更趋科学化⑥研究开发清洁电镀技术、推动电镀技术清洁生产。3.2-2化学镀技术

3.2-2-1.化学镀定义化学镀是不加外电流而利用异相（液相、固相）表面受控自催化还原反应在基体上获得连续均匀沉积层，又称化学沉积，非电解沉积或自催化沉积，此层叫化学镀层，是属于表面工程技术中覆盖技术。化学镀技术比电镀技术更年轻更先进的表面覆盖层技术，是属于原子沉积技术。化学镀关键在于：沉积速度、沉积厚度与基体附着力，沉积层性能，沉积层结构、沉积层均匀性、镀液的稳定性、利用率成本及工业危害的合理控制，条件就是镀液、成分、温度和ph值。3.2-2-2．化学镀的种类①化学镀镍②化学镀铜

③化学镀金

、④化学镀合金

Ni-P、Ni-P-Mo（防腐层）Ni-B、Ni-B-Ti、Ni-P+WC（抗磨层）Co-W-B、Ni-Re-P（抗高温）

Ni-Co-P、Ni-Co-B、Ni-Fe-P（磁性）

PTFE+氟化碳+liMg的氟化物（复合润滑剂粒子）

⑤化学镀复合层：Ni-P镀液中加入金刚石,碳化硅,碳化钨，碳化钛等纳米颗粒形成（复合各种硬粒子）

3.2-2-3．化学镀应用化学镀镍应用于石油、化工、印刷、宇航、核工业、电子计算机、机械等行业。化学镀铜应用于印刷线路板的加工，塑料镀铜代金属装饰功能层。化学镀金，应用于印刷线路中的导体和绝缘体，半导体材料良好欧姆接触。化学镀合金，用于电子、宇航、医疗、石油、化工、机动车等的耐腐蚀、耐磨、抗高温。

3.3电刷镀技术

3.3-1电刷镀技术基本原理及特点

原理：电刷镀是应用电化学沉积的原理在导电零件需要制镀层的表面上快速沉积金属镀层的表面技术，是表面工程技术重要组成部分，电刷镀用的直流电源的正极与镀具连接，负接与工件连接，当镀具与工件接触时，在电场的作用下镀液中的金属离子定向迁移到工件表面，在工件表面获得电子，还原成金属原子而得到连续的沉积层。特点①电刷镀层有良好的力学、物理、化学性能。有一百多种镀液可供选用可获得耐磨、耐蚀、减磨、抗氧化、防辐射、导电、导磁及特定功能的需要。②厚度可精确控制，在电源上有镀层的控制系统。③温度低<70℃工件不变形④工艺灵活应用广泛，可在各种尺寸的工件表面刷镀⑤生产效率高，沉积速度快，是一般槽镀的5-20倍。⑥对环境污染小。3.3-2电刷镀的种类①单金属镀液（Ni，Fe，Co，Cu，Sn，Zn，Ag，Au…）②合金镀液（Ni-W，Ni-P）③非晶镀液（Ni-P）④复合镀液：主要是镍基镀液+{Al2O3，WC，SiO2碳化物硼化物硫化物及纳米颗粒}形成复合镀液。3.3-3电刷镀技术的应用电刷镀技术已在国防、交通、机械、电力、冶金、石油、化工、电子、矿山、纺织、航空航天、印刷、装饰等各领域广泛的应用。①零件的表面强化可获得高硬度、耐磨、减磨、耐蚀、抗氧化等优良性能。②零件超差的修复③零件表面划痕、擦伤和凹坑缺陷的修复④制备特殊功能的其他要求的镀层：导电、导磁、反光、吸光、防辐射、防氧化等功能的镀层。⑤文物件的修补⑥印刷电路板、电气触头、接头的维修等3.3-4电刷镀技术的发展趋势电刷镀技术在我国推广应用已有20多年了，取得了一批有自主知识产权的科研成果。电刷镀技术的进步和发展趋势表现：1、电刷镀技术的进步①大厚度镀液(>mm级)，②镜面镀液(5m级)，③复合镀液(可获得纳米级复合镀液)，④非晶镀液，⑤固体制剂(以固态形式商品化)。2、电刷镀设备的进步向大容量（大容量>500A ）、小型化，多功能，操作方便发展小型化:主要靠电路的小型化 主电路有

调压变压式晶闸管式逆变式晶体管式

多功能：电刷镀电镀喷涂电源 电刷镀—工模具修补机电源3、电刷镀工艺发展流镀：阳极和工件可以相对运动珩磨镀：在镀的同时可以机械磨削脉冲静镀：加脉冲工艺电喷镀：阳极和工件不接触，连续喷射电解液复合镀：电刷镀+钎焊、电刷镀+槽镀、电刷镀+化学镀等。4、应用实践的进步与发展发电机密封瓦轴颈的2.5mm大面积拉伤修复，铁路提速道岔垫板的防护与强化。3.4转化膜技术3.4-1转化膜定义：转化膜是指金属与某种特定的腐蚀液相接触,在一定条件下发生化学与电化学反应，在金属表面形成难熔化合物的膜层。3.4-2转化膜的分类：

按用途分类

涂装底材料转化膜塑料加工用转化膜防锈转化膜耐磨转化膜绝缘转化膜其他功能转化膜按方法分类

电化学转化膜

化学转化膜

阳极氧化微弧等离子氧化化学氧化法化学磷化法铬酸盐法草酸盐法

3.4-3铝合金的阳极氧化

1．定义：阳极氧化是以工件（铝合金）为阳极，通直流电后在电解液中工件表面生成氧化膜层，此氧化过程称为阳极氧化。阳极氧化是两种不同化学反应同时进行的结果，一种是电化学反应，铝与氧作用（在阳极上析出O2）生成Al2O3，另一种是化学反应，是电解液对生成的Al2O3不断地溶解，只有生成速度大于溶解速度，氧化膜才能生成一定的厚度。

2．阳极氧化工艺种类硫酸阳极氧化:主要用质量分数为10~20%的H2SO4电解液铬酸阳极氧化:主要用质量分数为30~55%的铬酸电解液草酸阳极氧化:主要用质量分数为30~80%的草酸电解液特种阳极氧化为厚度50mm左右硬度大1200~1500HV，电解液为硫酸和草酸、苹果酸等混合酸其他阳极氧化

:硝酸阳极氧化溴酸阳极氧化碱性阳极氧化

3．阳极氧化的性能及用途性能

用途

硬度400~600HV耐蚀性大大提高，抗氧化力增高吸收率（能力）因有孔隙度，对各种液体有机物有良好吸附，粘附能力提高用于防护装饰用于耐磨零件；由于多孔性吸附，留存润滑油耐磨用于电绝缘层；氧化膜是种良好的绝缘材料，铜导线绝缘用作油漆涂料底层用作电镀底层3.4-4微弧氧化技术

1.微弧氧化(McroPlasmaOxidationProcess)(1)该技术开始于20世纪50年代到80年代，成为国际研究的热点并开始应用。我国于20世纪90年代起步，目前开始进入应用研究阶段。

(2)微弧氧化是将工件置于电解质水溶液中，通以高压直流电，通过高压放电作用，在工件阳极的表面产生火花放电斑点，在热化学、电化学和等离子化学的共同作用下，在其表面形成一层以α-Al2O3和γ-Al2O3为主的硬质陶瓷层的方法。

(3)微弧氧化包括下列几个基本过程：

(ⅰ)空间电荷在氧化物基体中形成。

(ⅱ)在氧化物孔洞中产生气体放电，氧化物层击穿产生微弧。

(ⅲ)膜层材料在瞬时形成超高温区（2000℃-8000℃）被局部熔融或气化。

(ⅳ)

熔融物激冷而形成非金属陶瓷层。2．微弧氧化方法

A、有恒流操作:电流设一定值，工作中膜层增加，自动增加电压。

B、有恒压操作:电压上升到一定值，工作中膜层增加电流先升后降。

C、实际应用中，一般先采用恒流操作，当达到最高电压时，再采取恒压操作的方法

3．微弧氧化的应用①铝及铝合金:形成a-Al2O3微密层+r-Al2O3疏松层，这层陶瓷层硬而耐磨。②镁及镁合金:形成MgO膜层提高Mg合金的耐磨性。3.4-5化学转化膜1．化学氧化膜化学氧化是金属与一定的介质相接触在一定的条件下发生化学反应，在金属表面形成良好的氧化膜,形成过程有三个阶段：

a、表面金属溶解到处理液中。

b、溶解产生的物质在处理液中同介质发生反应生成中间产物。

c、氧化物从饱和溶液中结晶折出。①钢铁②铝及铝合金化学氧化③镁及镁合金的化学氧化酸性化学氧化（发黑）碱性化学氧化（发兰）表面生成1.5mmFe3O4层2.化学磷化处理

铁钢铝及铝合金锌及锌合金

3.5热喷涂技术

3.5-1热喷涂基本原理

热喷涂是利用特定的热源（燃烧火焰、电弧、电弧等离子体、激光）将喷涂材料加热、熔化或软化，并借助自身动力或外加气流将熔滴加速，以一定的速度喷射到经净化的工件表面上形成涂层的工艺方法，基本方法如图3.5.1：辅助装置能源供给涂层材料辅送热源喷枪喷涂材料涂层工件

图3.5.1热喷涂过程示意图喷涂材料从进入热源到形成涂层大体可形成四个阶段：

a材料被加热熔化

b熔滴在高速气流下雾化成微米大小之后被加速

c高温熔微粒进入飞行阶段与周围气体发生某些反应减速降温

d一定速度和温度的微粒与基体撞击快速的冷却并沉积于工件表。涂层与基体的结合有三种形式

a机械结合：微粒与凹凸不平表面互相啮合形成机械结合。

b冶金-化学结合：基体温度较高时形成冶金结合，生成金属化合物

c物理结合：由范德瓦力或次价键形成物理结合。3.5-2热喷涂方法

。热喷涂方法气体燃烧热源

气体放电热源

其他热源

火焰喷涂连续爆炸喷涂（CDS）超声速火焰喷涂（HVOF）火焰粉未喷焊粉末火焰喷涂

丝材火焰喷涂棒材火焰喷涂

电弧丝材喷涂等离子喷涂等离子喷焊

大气等离子喷涂APS低压等离子喷涂（LPPS）水稳等离子喷涂超声速等离子喷涂

激光喷涂激光喷焊1．粉末火焰喷涂热源：为乙炔、丙烷、氢气、天然气。常用C2H2乙炔和氧气、天然气。火焰温度3200-3500°C过程反应：C2H2+5/2O2=2CO2+H2O+1262J2.丝材及棒材火焰喷涂。采用压缩空气雾化和加速熔粒3．爆炸喷涂（CDS）是将一定比例的乙炔和氧气及喷涂粉送入枪中点火喷炸形成涂层，可生成结合强度高，气孔率低的优质涂层。4．超声速火焰喷涂（HVOF）。用较高压力的氧气和流量送入喷枪点燃，可使火焰喷速超2-8倍声速使喷涂粉熔化形成涂层，但消耗的焰气及设备昂贵，而变成液体燃料（燃油）可克服此缺点。5．电弧喷涂。特点：两金属丝作为自耗电极，两金属瞬间接触短路放电产生电弧熔化金属丝，前端高速喷出的压缩空气，使熔化金属雾化形成涂层。6．等离子喷涂。用直流或高频电火花作弧，工作气体为氩气，辅助气为（N2，H2）喷涂粉末用N2气送入7．低压等离子涂喷，等离子枪放入真空室中，对工件喷涂。3.5-3喷涂技术发展的趋势

1．喷涂材料：喷涂材料的发展向两方面展开，

`a.开发新涂层Ni-Al

NiCr-Al

复合线材或粉末，Ni-Al反应热量提高了温度

低铝钇的MCrAlY底层

高铝钇的MCrAlY底层薄铝层薄Al2O3层ZrO2+5%Y2O3层（低孔隙率）ZrO2+5%Y2O3层（低孔隙率）

b.涂层系统的设计

结构设计工艺设计材料选择后续处理质量控制

2.喷涂设备

机械化

自动化

3.涂层标准体系建立

4.涂层质量体系的建立3.5-4涂层的后处理1.封孔处理热喷涂后有1%以上的气孔，有的相互连通。封孔就是用封孔剂填充这些气孔。封孔剂有：乙烯基树脂，酚醛树脂，改进环氧树脂，聚胺脂树脂。封孔剂中添加超细铝粉可改善封孔剂作用。2．涂层后处理工艺：a.喷丸处理，b.扩散处理:先加热到500～600扩散1小时，900-1000℃扩散一小时，使金属涂层与基体反应、扩散，形成扩散层。c.热等静压处理（HIP）：加热一定温度+高压惰性气体同时作用。d.涂层机械加工(车削,磨削,研磨,抛光)。作业题：一汽车轴因局部磨损而报废，试用一种合适的表面技术对其修复，使其获得新生3.6化学热处理技术

3.6-1化学热处理定义是指将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变基体表面化学成份、组织和性能的热处理工艺，又称表面合金化。3.6-2化学热处理分类化学热处理

固体法液体法气体法粉末法涂渗法电镀

熔盐法热浸镀法水溶液电解渗各种金属

渗碳渗氮碳氮共渗渗硼渗各种金属液体渗碳真空渗碳离子渗碳

气体渗氮、碳氮共渗离子渗氮、碳氮共渗下面，重点介绍渗碳和氮化3.6-3渗碳的原理渗碳是在富碳的活性介质中将低碳钢或低碳合金钢加热到高温（930℃左右）保温使碳原子渗入表面层的化学热处理，目的增加表面碳浓度提高耐磨性，一般渗碳包括碳原子的分解、吸收和扩散三个基本过程。3.6-4渗碳的化学反应（分解过程）渗碳气氛组分主要为CO和CH4、CO渗碳能力弱,CH4能力强，产生活性碳的反应如下：2COCO2+[C]CH42H2+[C]CO+H2H2O+[C]COO2+[C]

3.6-5渗碳过程

首先C原子溶入奥氏体中达饱和后，形成Fe3C，表层含碳量一般控制在0.85%—1.05%，8小时后渗层厚度一般在0.5—2.0mm。渗碳缓冷后组织从表层向内层依次为Fe3CⅡ+P,P,P+F。

3.6-6渗碳种类

①固体渗碳，②液体渗碳，③气体渗碳，④离子渗碳，⑤真空渗碳（丙烷甲烷乙炔），⑥流态床渗碳，⑦膏剂渗碳。3.6-7离子渗碳原理

离子渗碳是在工件（阴极）和阳极之间产生辉光放电，进行渗碳的工艺，又称辉光离子渗碳，以CH4、,C2H6，C3H8作为渗碳介质为例，不仅有热分解反应，还有在辉光放电阴极位降区在电场作用下的电离

CH4=【C】+2H2

若渗碳介质为乙烷，丙烷,将发生如下反应过程：

C2H6=【C】+CH4+H2

C3H8=【C】+C2H6+H2【C】为活性C原子或离子。

活性碳原子或离子在阴件（工件）位降区加速冲到工件表面被吸收，由于轰击使工件升温，碳原子向内扩散，由于轰击可能造成工件表面空位、晶格缺陷，加速碳的渗入，轰击使工件表面活化可能也是碳原子扩散快速的原因。由于轰击溅射出来的Fe与C原子结合成FeC后沉积工件表面，在表面形成化合物层。3.6-8离子渗碳的特点①离子渗碳速度快②渗碳质量高，不产生晶界氧化，不脱碳，渗层均匀③渗层容易控制，调节放电电流密度值就很容易控制表面碳浓度和深层深度④可实现高浓度渗碳⑤渗碳效率高，生产成本低,劳动条件好3.6-9渗氮的原理

根据Fe—N相图图3.6.1，渗氮在500-590℃进行，常用560℃，Fe和N从相图知，可形成5种相。α相——N在铁素体中固溶体；γ相——N在奥氏体中固溶体；γ′—以Fe4N为基的中间相，ε相——以F2.3N为基的中间相，ζ相——以F2N为基的中间相。与渗碳的原理不同，它是典型的反应扩散过程。不同温度渗层中各相形成顺序如下：渗氮温度相形成顺序由表及里深层组织

图3.6.1Fe—N相图＜590℃αγ’→ε,ε,ε+γ’,

γ’,α+γ’，α590—680℃α→γ→γ′→εε，ε+γ’，γ’，γ+γ′,γ，α＋γ，α渗氮过程是随着氮原子不断渗入，使α相达到饱和氮含量，氮继续扩散，引发了α—γ反应产生了γ

相，继续渗氮达到γ相中的饱和极限后才形成氮含量高的ε相，ε之后是ζ

（Fe2N）相，此相因很脆，形成后必须去除退氮或磨削去掉。3.6-10渗氮的种类①液体渗氮②气体渗氮③辉光离子渗氮④流态床渗氮⑤高频渗氮⑥真空脉冲渗氮3．6-11离子氮化原理

在真空中，作为阴极的工件和阳极（容器）之间加入400-1100V直流高压电源，使通入真空室中的氨气或氮氢混合气电离成N+

、H+

、NH3+等离子产生辉光放电。正离子在阴极位降区轰击工件表面，产生一系列反应，如轰击使表面净化，动能变成热能使工件升温，离子轰击打出二次电子，阴极溅射产生Fe原子，Fe原子，Fe原子和N+结合形成FeN，吸附于工件表面，FeN由于离子的轰击分解为含氮低的Fe2N、Fe3N、Fe4N和α-Fe（N），并放出N原子，这些氮原子一部分扩散入工件内部形成氮化物层，一部分又返回到辉光放电区，提高工件表面氮势。离子轰击产生表面原子溅射，工件表面晶格变形产生高密度位错，以至形成空位均有利于氮原子向内扩散。渗层组织最外层为化合物层，然后是扩散层+过度层。3.6-12辉光离子渗氮的特点①渗氮速度快，渗氮钢550℃获得0.4mm渗氮层，一般气体氮化要20h而离子氮化只要8h。一般离子氮化获得0.1mm层深只要25min。②渗层组成相可以控制，可得γ，相（Fe4N）或脆性小的ε相（Fe2.3N）。③节能④可不锈钢渗氮⑤无公害无污染3.7气相沉积技术3.7-1气相沉积技术概念及分类概念：利用气相中发生的物理化学过程，在固体表面形成金属、非金属或化合物覆盖层的工艺称为气相沉积技术。2．分类化学气相沉积（CVD）法常压CVD低压CVD

激光CVD金属有机化合物CVD

气相沉积高温CVD(HT-CVD)中温CVD(MT-CVD)物理气相沉积（PVD）法

真空蒸镀EPVD

电阻加热蒸镀感应加热蒸镀电子束蒸镀激光束离子束蒸镀电弧蒸镀反应真空蒸镀空心阴极等离子电子束蒸镀热阴极等离子电子束蒸镀

气相沉积物理气相沉积（PVD）法

等离子化学气相沉积（PCVD

）离子镀PAPVD

溅射镀SPVD

射频PCVD直流PCVD射频直流PCVD

微波PCVD

磁控溅射离子镀空心阴极离子镀热阴极离子镀电弧离子镀活性反应离子镀射频离子镀直流放电离子镀团束离子镀二极溅射镀三极四极溅射镀射频磁控溅射镀磁控溅射镀反应溅射离子镀离子束溅射镀偏压溅射镀不对称交流溅射镀

3.各自的优缺点①PVD沉积温度低不超过600℃，覆盖层厚度结构组成可控,不改变基体性能。缺点：绕射性差，结合强度低②CVD设备简单，操作方便，绕射性好，结合力强，但沉积温度高1000℃左右，超过基体回火温度，沉积后需要再进行热处理，变形大。③PCVD技术结合了两者的优势，克服了两者的缺点。④离子束辅助沉积技术（IBAD或IAD）或离子束增强沉积（IBED）是把气相沉积与离子注入结合起来的复合技术。4气相沉积应用气相沉积技术用来制备

耐磨涂层TiN、TiC、ZrC、TaC、BN耐蚀涂层TiN、TiC、TiCr耐热涂层Ti、Ta、W、Mo、Al

无油滑润涂层MoS2、WS2特殊性能电、光学功能涂层Si、SiO、ZnS

装饰涂层TiN、Cr、Al、Ni装修涂层TiN、TiC

适用于机械、电子、航天、航空、能源、化工、轻工、建筑等主要领域。a、在切削工具上应用

硬质合金刀具高速钢刀具钻头常涂TiN-TiC，TiC-TiN，TiC-Al2O3。

c、耐磨零件活塞环、轴承等，涂TiN，TiC，Si3N4。d、抗高温氧化涡轮叶片，火箭发动机喷嘴。

e、CVD法沉积金钢石膜热涂法（HFCVD）射频等离子法（RFCVD）微波CVD（MWPCVD）等离子矩法（PTCVD）

b、在模具上应用

凹模、凸模、拉模、扩孔芯、卷边模、探孔模常涂TiC、TiN

3.7-2化学气相沉积（CVD）

3.7-2-1化学气相沉积概念化学气相沉积是利用气态物质，在固体界面上进行化学反应，生成固态沉积物过程。可以分为：a.反应气体向基体表面扩散。b.反应气体吸附于基体表面。c.在基体表面上进行分解、解吸、化合等化学反应形成晶核。d.反应产生的气相副产物脱离表面，生成反应产物，沉积于表面形成覆盖层e.连续供给反应气涂层不断长大。3.7-2-2化学气相沉积发展

早在1949年就用CVD沉积出TiC硬质涂层。1962年TiC涂层应用于硬质合金刀片。1968年又制成了TiN、TiC—TiN复合涂层。1973~1980相继出现了第二代TiC—Al2O3。。第三代TiC—Al2O3—TiN多层深层刀片。20世纪中，采用高温CVD(HT—CVD)（＞900℃

）和中温CVD（MT—CVD）（700~~900℃)相结合的方法生产出TiN+TiCN—Al2O3—TiN高性能涂层。20世纪末期又研制出C—BN、C3N4、金刚石等超硬涂层。使刀具、模具等的寿命大大提高。称为材料科学领域的一场新的革命。3.7-2-3CVD反应条件a必须满足化学反应的热力学和动力学条件b必须达到足够的沉积温度。各种涂层沉积温度可以通过热力学计算而知。c沉积温度下，参加反应的多种物质必须有足够的蒸汽压d参加反应的各种物质必须是气态或液态蒸发气化，反应生成涂层必须是固态，其它为气态。

3.7-2-4CVD反应物质源A气态物质源

H2N2

CH4

O2SiH4用流量计控制进入反应室

B液态物质源

TiCl4H3CNSiCl4

VCl4

BCl3

用载气和加热温度，蒸发就可把此液态物气化送入反应量

`C固态物质源

HfClAICl3

NoCl5

TaCl

ZrCl4

在较高温度下（n百度）才能升华用载气（H2、Ar）送入反应物D纯金属与HCl气体反应，生成气态反应物，再用载气送入反应室内如：

Al+HCl→AlCl3+1/2H2Ga+HCl→GaCl3+1/2H23.7-2-5化学气相沉积的特点a沉积物种类多

b.可均匀覆盖几何形状复杂的零件c.可在大气压或低于大气压下进行d.采用等离子和激光等辅助，可以降低沉积温度e.可以控制涂层纯度及致密度，可形成梯度涂层或复合涂层f.调节沉积参数，可控制成分、形貌、结构和晶粒度g.设备简单，操作维修方便。合金、金属陶瓷、化合物3.7-2-6化学气相沉积分类A常压化学气相沉积（NPCVD），温度900~1000℃，压力105Pa，一个大气压，生产效率低反应温度高，沉积层差。B低压化学气相沉积（LPCVD），反应温度800~900℃，压力40Pa,涂层均匀涂层可以控制,生产效率高成本低。C激光化学气相沉积（LCVD）反应温度低沉积厚度可控制质量可控。D金属有机物化学气相沉积（MOCVD）利用金属有机物Ni(CO)4，AlCl3,等在真空沉积系统中分解，沉积金属或化合物，反应温度低。E等离子增强化学气相沉积（PECVD）沉积温度<600℃加直流电场气压40~100Pa3.7-2-7．化学气相沉积涂层影响因素

A沉积温度：每种涂层材料都有自己的最佳温度，一般来说：温度高，反应速度快，沉积速率高，结晶好，但温度高晶粒大，温度低反应不完全，结合强度低。B沉积室压力：压力影响沉积速度、涂层质量、涂层厚度、均匀性。常压气体流动可以认为是层流，沉积慢，负压气体扩散增强，反应生成废气能尽快排出，可获得较致密的涂层。C反应气体分压比（配比）：反应气体分压决定着涂层的组织结构成分和沉积速率对沉积碳化物氮化物通入金属卤化物（TiCl4）量应适当高于化学当量计算值。D反应气体激发的方式不同，质量速度均不同，如：①加热，②激光，③等离子体，④有机金属分解。E涂层与基体界面（如硬质合金基体）容易形成脱碳层,降低涂层制品的抗弯强度和韧性，影响使用性能，应当尽量减少3.7-2-8.典型CVD反应实例ATiCl涂层用于工具模具（置换反应）BTiN涂层（置换反应）CTiCN涂层DAl2O3涂层(氧化反应）

E基体材料：金属切削工具

模具耐磨耐蚀零件

硬质合金高速钢工具钢

硬质合金高速钢模具钢

高碳钢合金钢、特殊钢3.7-2-9CVD技术的现状与发展a、应用领域不断扩大到电子工业、半导体工业、化学工业、光学工业b、应用基础研究： ①成膜机理，②大面积成膜，③低温合成，④膜与基体结合力，⑤提高膜质量c.CVD技术在合成金刚石薄膜的基础和应用研究d.CVD合成温度高，一般在1000~1100℃,因此应向低温和高真空两个方向发展（400~600℃）,工艺应用范围不断扩大。e.等离子增强化学气相沉积（PECVD）使沉淀温度降低到200~400℃。作业：常用的气相沉积方法有几种？影响CVD涂层的质量的因素有哪些？3.7-3物理气相沉积

3.7-3-1、物理气相沉积（PVD）概述1．概念:物理气相沉积是一种物理气相反应生长法，是用物理的方法（蒸发、溅射等），使膜材气化在基体表面沉积成膜的方法。近几年来又发展了各种离子束沉积、离子镀、离子束辅助沉积等2．物理气相沉积分类：物理气相沉积真空蒸发镀

电阻蒸发镀感应加热蒸发镀激光蒸发镀电子束蒸发镀电弧蒸发镀

空心阴极电子束蒸发镀灯丝电子束蒸发镀

物理气相沉积直流二极离子镀活性反应离子镀空心阴极离子镀热丝阴极离子镀阴极电弧离子镀射频离子镀离子镀溅射镀

二极溅射三极溅射四极溅射射频溅射平面磁控溅射柱靶磁控溅射离子束溅射3．物理气相沉积特点a·沉积层材料来源于固体（金属、合金、化合物等）b·沉积层厚度为nm-m薄膜c·汽化的方式用高温蒸发，低温溅射。d·低温型沉积，沉积离子高能量，高活性，能提高反应活性，提高膜层质量，纯度高。e·可沉积各类型膜，金属膜、合金膜、化合物膜，还可获得单晶、多晶、非晶、多层膜、纳米层结构功能膜。f·没有污染利于环境保护。3.7-3-2真空蒸发镀（VACUUMEVAPORATION）1．电阻蒸发镀

用W、Mo、Ta制成丝状蒸发器，来蒸发低熔点材料Au,Ag,ZnS,Mg,Fe,Cr2O3等，成膜包括蒸发、输运、沉积三个过程。电阻蒸发器有各种形状，丝、皿、坩埚2．电子束蒸发镀蒸发源是e形电子枪，可用于高熔点金属或化合物的蒸发，如WO3、YBaCuO、ZrO2

、Cr2O3。3．高频感应加热蒸发镀利用感应加热原理把金属加热蒸发。4．激光束蒸发镀利用激光束作为蒸发源把镀材蒸发。5．集团离子束蒸发镀也是用感应加热的方式，在坩埚外有感应加热线圈，坩埚上方有一个喷出口，被气化的镀料从小口喷出，向工件飞出，镀于工件。、3.7-3-3溅射镀膜1．概述用离子轰击靶材表面，靶材表面的原子被轰击出的现象叫做溅射。由溅射产生的原子沉积在基体表面成膜，称为溅射镀膜。2．原理利用气体放电产生的气体电离，其正离子在电场的作用下高速轰击阴极靶材溅射出原子和二次电子实现镀膜，而离子轰击工件表面和膜层产生表面物化反应改善膜层质量。3．溅射镀膜的分类

二极性溅射；三极性溅射；四极性溅射；射频溅射平面磁控溅射柱状磁控溅射离子束溅射

4磁控溅射按靶形分类为

平面磁控靶圆柱磁控靶S枪形磁控靶

5．磁控溅射镀膜的特点(1)膜层组织细致；(2)膜层与基体结合力优于真空蒸镀；(3)膜层成份与靶成份接近；(4)膜层的绕射镀好；(5)磁控溅射可以获得大面积的薄膜。6．磁控溅射工艺（TiN）:

磁控靶为钛靶，极限真空度6×10-3Pa，Ar轰击净化，气压在1-3Pa,轰击电压1000-3000V。工件偏压降至500~600V，通入氮气压力（5-7）

×10-1Pa,开始镀TiN。3.7-3-4离子镀1离子镀概念是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发的物质部分离化，把蒸发物或反应物沉积在基底上，它兼有蒸发镀和溅射镀两者的优点。具有膜层附着力强，绕射性好，可镀材料广泛等优点，工件负偏压受离子轰击，可在较低温度下成膜。2．离子镀的类型2．离子镀的类型各种离子镀技术特点名称气体放电方式工件偏压（KV）蒸发源离化率%二极离子镀辉光放电1-3电阻、电子枪1热阴极离子镀辉光放电0.5-3电阻、电子枪3-5射频离子镀辉光放电0.5-3高频感应3-10集团离子束离子镀辉光放电5-10高频感应1-5活性反应离子镀辉光放电0.5-1高压电子枪5-15空心阴极离子镀热弧光放电0.05-0.2空心阴极枪20-40热丝弧枪离子镀热弧光放电0.1-0.2热丝弧枪20-40阴极电弧离子镀冷场致弧光放电0.05-0.2阴极电弧源60-903．电子枪蒸发源二极型离子镀（1）电子枪蒸发源直流二极离子镀：基片（工件）接负偏压，在基片下方安装高压电子枪和盛有难熔金属的坩埚，由电子枪产生的电子束轰击到水冷坩埚内的金属上，其电子的动能转化为热能将金属熔化蒸发，在工件负偏压的吸引下到达工件形成膜层。电子束上方有一个差压板，使电子枪室的真空度为2×10-2Pa,镀膜室真空度在（1-2）Pa。（2）技术特点：工作电压电子枪（6-10）KV，工件偏压（1-3)KV可蒸发高熔点金属，真空度较低，可以产生辉光放电在等离子环境中镀膜。4．热阴极离子镀①原理：是在二极离子镀的基础上，在工件与蒸发源之间添加了热阴极，可用Ta、W、Mo丝制成蒸发源，可以是电阻蒸发源也可以是电子枪蒸发源。阴极丝除担当加热电源外，还要接50~80V直流电源负极，在阴极丝对面设置吸收电子的阳极。在阴极丝和阳极之间产生了横向运动的高能热电子流，蒸发源蒸发的原子被高能电子碰撞电离，离化率可提高到3~5%。② 特点：工件负偏压1~3KV，热丝加热到2000℃，负偏压50~80V，电子枪电压10KV，电流0.3~1A，真空度6×10-3Pa。形成细密的等轴晶薄膜，组织致密。工作气压2~3Pa，通过Ar气净化后抽到(1-8)×10-1Pa镀膜。5．射频离子镀①射频离子镀的原理：蒸发源为电子枪，在工件和坩埚之间安装有高频线圈;用5~6mm铜管制成，高13cm左右。高频电源的频率为13.56MHz，工件接0~3KV偏压，特点是用电子枪蒸发的金属原子、电子在高频电场的作用下，沿圆周做振荡运动产生非弹性碰撞，提高电离度和电流强度，金属离化率达3~6%。②工艺特点：极限真空度6×10-3Pa，气压在2~3Pa时通入Ar气，工件电压1KV，轰击工件净化。镀膜时，关闭Ar气通入N2气，气压在5×10-1pa~7×10-2Pa，开启高频电源，开启电子枪，电压10KV，电流0.3~1A。6．集团离子束离子镀①原理：在镀膜室下方安装中性粒子集团发生器，即带喷口的坩埚，坩埚外用感应线圈加热，接工件3~5KV负偏压，在坩埚和工件之间设置加速电极，它由热电子发射装置和工件等电位的辅助加速电极组成。②特点：沉积速率高10nm/min~10m/min，可以在半导体绝缘件上沉积所需膜，每个原子能量小于5~15eV,对基体损伤小。可用多个坩埚沉积多层膜，可以反应沉积获得化合物、氮化物、氧化物等。7．活性反应离子镀特点：在坩埚的上方安放一个活化电极，对地为正极，电压50~80V，吸引从坩埚上方发出的二次电子，增加上方碰撞的几率。坩埚上方的隔板将膜室分开，工件接负偏压500~1000V镀膜室接偏压电源的正极，离化率较高为5%~15%。8．空心阴极离子镀空心阴极枪选用难熔金属W、Ta、Mo。（1）特点：用钽管做空心阴极枪，安放在镀膜机壁上。钽管内径8-15mm壁厚1-3mm，长80-120mm，接电源负极。坩埚放在膜室底部，接电源正极。为引燃空心阴极电弧，并维持稳定在钽管和坩埚之间，同时并联引弧电源和维弧电源，引弧电源800-1000V，电流30-50A，维弧电源电压20-70V，电流50-300A。工件接负偏压，电源0-1000V轰击时800-1000V，工作时50~200V。（2）工艺特点：抽极限真空度6×10-3Pa。对工件加热。轰击净化前通入Ar气，真空度1-3Pa，偏压1000V，轰击工件10min，镀膜时，工件偏压50-200V，空心阴极电源50-80V，弧电流50-300A，金属的离化率可达20-40%容易生成化合物硬质涂层，通入反应气N2，C2H4等，可反应沉积金属氮碳化合物。沉积真空度为1Pa-3.25×10-1Pa。空心阴极离子镀属于热电子弧光放电型离子镀。9热丝弧枪离子镀

热丝弧枪离子镀属于热电子弧光放电类型离子镀。在真空室顶部安装热丝弧枪，热丝用钽丝接交流电加热电源和弧电源负极。真空室底部安装水冷坩埚接弧电源正极。坩埚四周设水冷的辅助阳极。坩埚周围安有自转轴工件转架，工件接负偏压电源。氮气由热丝弧阴极引入，反应气由真空室壁导入。真空室外安装上下两个平行的大电磁线圈。由钽丝发出的高密度热电子流射向坩埚，熔化金属。在外加磁场的作用下，弧光等离子体的电子形成很强的弧柱，蒸发出的金属原子和弧柱中电子产生非弹性碰撞，获得大量的金属离子、高能原子。热弧枪既是加热源蒸发源又是离化源。特点：利用热丝弧中的电子加热工件，钽丝加热电源的电压4-8V，电流150-180A。

工件负偏压800-1000V轰击净化工件。组织细密涂层均匀。坩埚可以上下移动使工件上下均匀涂镀。10阴极电弧离子镀ArcIonplating(AIP)采用阴极电弧源作为蒸发源，蒸发源的形式为圆形、方形、圆柱形等形状。原理如图，圆形靶60-100mm柱弧源离子镀膜，圆柱靶70mm×700mm

特点：金属离化率高60%-90%，阴极电弧源是蒸发源、离化源、加热源、净化源为一体。沉积速率快，可以得到厚的膜层。弧源的形状结构多样。可以沉积金属涂层、化合物涂层。缺点：表面有粗大熔滴，增大了粗糙度。3.8等离子化学气相沉积（PCVD）

1种类：等离子化学气相沉积是在CVD的技术上加入电场作用，它的种类很多。等离子化学气相沉积

(PCVD)直流PECVD脉冲直流PECVD有机金属化合物PECVD射频PECVD微波PECVD弧光PECVD2原理：是在真空室内建立高压电场。反应气体在高压电场的作用下产生辉光放电。反应气体被电离形成等离子体，大大降低了沉积反应温度，加速了反应过程，提高了沉积速度。特点：（1）温度低，500℃以下就可以成膜。（2）可以先渗氮后再加涂层TiN。（3）离子化较高，沉积速率快。3.9高能束激光表面处理技术

高能束表面处理（表面改性）是指激光束、电子束，离子束等高密度，高能量照射或注入材料表面使材料表面层发生成份，组织及结构变化，从而改变材料表面物理、化学、力学等性能的一种先进处理技术。3.9-1激光表面处理技术激光是一种高亮度，高方向性，高单色性和高相干性的新型光源，可用于：（1）激光表面淬火，激光高能量照射工件表面，加热极快104-109℃/S，冷却速度104

℃/S，淬硬层0.2-0.5mm，硬度高。（2）激光熔凝：利用激光束在金属表面连续扫描，使金属材料表层快速熔化，以很快的温度梯度105-107℃/S.激冷表面形成细小均匀的马氏体组织，表面硬度高1000HV，熔凝1

mm左右。（3）激光溶覆：是利用激光束把金属粉熔化于金属材料表面，可一边涂粉，一边熔化形成表面特殊性能层。（4）表面合金化：把新的元素添加到材料表面迅速熔化形成合金层。3.9-2电子束表面改性

利用高能电子束轰击材料表面，使其表面改变成份，组织结构，从而改变材料表面性能的方法。（1）电子束表面淬火：与激光束一样，功率密度104-105W/cm2加热速度103-105℃/S，表面成马氏体组织细化，硬度高，残余压应力大，耐磨。（2）电子束表面熔凝（3）电子束表面合金化改变表面成份（4）电子束表面熔覆：熔覆材料采用

粘接热喷涂同步送粉

方法

3.9-3离子注入及在气相沉积中应用（1）离子束对材料表面的作用：高能离子束近年来成为材料表面改性的主要手段之一。其中有离子注入，离子束溅射，离子束增强沉积。（2）离子束注入：直接用高能离子束注入材料表面，可获得非平衡合金相，过饱和固溶体，化合物，非晶态等新的表面材料。离子注入可分为：气体离子注入金属离子注入注入材料表面氮碳离子复合离子注入全方位离子注入

离子注入原理：是利用离子源产生的气体或金属的离子，经过电场的加速使其得到20-50KeV的高能量，在低温下注入到固体表面，基体内部不发生变化，工件尺寸不发生变化。注入元素仅在表面层，是纳米或微米薄层。高频放电离子源双等离子体离子源潘宁离子源考夫曼离子源平面离子源闭合式电子漂移离子源离子源类型图3.9.1离子注入机示意图离子源有多种类型。（3）离子束增强沉积技术（IBED）（IonBeamEnhancedDeposition）离子束增强沉积是把离子束注入与气相沉积膜结合起来的复合处理技术。其原理图如3.9.2所示。下方电子束加速到10Kev，轰击坩埚内材料使其蒸发，形成喷向靶的粒子流。蒸发台有四个坩埚可沉积四种不同材料。离子源引出的离子束能量20-100kev束流6mA.离子束可以是氩离子，轰击沉积的膜层，可以提高结合力，改变膜层形态和结构。若离子束是氮和碳还可以形成氮化物和碳化物。图3.9.2是沉积原理图。图3.9.2离子束增强沉积原理图作业：列举几种CVD,PVD,PCVD镀膜技术，说出它们各自的优缺点。多功能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,开压强控制仪。6.当P≤2×102Pa时，关旁通阀，开罗兹泵.7.当P≤1×100Pa时，关钟罩阀，开系统阀，开高阀8.当P≤1×10-1Pa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P≤8×10-3Pa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，充入氩气，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，关引弧2，计时，观察电压、电流17.开弧源4，引弧，关引弧3，计时，观察电压、电流,调节偏压电位器，使电压在设定范围内，计时，依次重覆14-1718.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19.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.调节偏压电位器，档位“A“，百分比”80“，电压值在设定范围，关氩气，充氮，增加压强仪电位器刻度到指定值。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“，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30秒——10分钟。3.镀膜时间.：一般工况条件下，15——20分钟，生成膜厚1µm（钛靶电流45-50A）,可根据要求控制镀膜时间。4.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18——20V，电流值40—60A，保护电流0——5A