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多弧离子镀技术与应用
冶金工业出版社
出版日期：
读者对象：
￥20.20&&&
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所属分类：
本书是近20年来国内外大量相关文献的综合、分析、整理并结合作者的相关研究
工作总结而成的。全书共分11章。第1章重点介绍了多弧离子镀的沉积原理与技术
特点；第2章、第3章介绍了多弧离子镀的沉积工艺、大颗粒的控制及设备发展；第4～
7章分别介绍了多弧离子镀在超硬反应膜、高温防护涂层、表面装饰膜以及功能膜制备
方面的应用，给出了丰富的应用实例；第8章介绍了多弧离子镀技术制备合金涂层的
成分设计及控制；第9章分析了超硬反应膜的形成元素；第10章、第11章分别介绍了
多弧离子镀的镀一渗复合工艺和脉冲偏压多弧离子镀新技术。
&&& 本书适合从事材料表面改性，特别是从事真空镀膜技术研究开发及实际生产应用
的科技工作者阅读，也可供材料表面工程专业的研究生、本科生参考。
&&& 作为气相沉积表面改性的主要技术之一的多弧离子镀技
术，具有很多独特的技术特点，在机械加工、表面装饰、高温防
护等应用领域获得了广泛的应用。
&&& 近年来，科技人员在多弧离子镀技术的设备改进、工艺完
善、膜系开发以及与其他表面沉积技术相结合等方面取得了长
足进步，为多弧离子镀技术积累了更加广泛、更加有效的应用
&&& 目前，有关多弧离子镀技术的阐述主要散见于相关学术刊
物和此前的一些关于表面沉积技术的书籍中，迄今为止，国内
尚无专门针对多弧离子镀技术及应用的著作面世。
&&& 本书以多弧离子镀技术为中心，围绕其技术、工艺、设备和
应用，有针对性地展开相关论述，力求为读者提供关于多弧离
子镀技术的系统、翔实和有效的、全方位的、具有较强实用性的
&&& 本书引用列举了20年来国内外大量的相关文献，使本书
得以丰富充实，在此，向文献的作者致以深切的谢意。本书的
出版得益于沈阳大学出版基金的资助，得益于大连理工大学三
束材料表面改性国家重点实验室及沈阳大学表面改性技术与
材料研究所的老师和研究生的有益讨论和大力支持。
&&& 尽管我们付出了极大的努力，但由于作者水平所限，本书
难免仍存在疏漏、不足、甚至错误之处，诚恳希望读者批评
&&& 2007年10月
多弧离子镀装饰涂层
&&& 利用多弧离子镀技术可以制备金黄色的TiN膜、黑色的TiC
膜、棕色的TiAlN膜和绿色的ZrO膜等。获得的膜层具有附着力
强、不易脱落、绕射性好、厚度均匀、镀层致密、孔隙率低等特点。
同时，可镀材质广，在金属和非金属面上均可镀制金属或金属反应
膜，节约贵重金属材料、无污染。作为一种较为理想的装饰涂层制
备方法，多弧离子镀装饰涂层从镀表壳、表带发展到镀瓷砖、卫生
洁具、楼梯扶手、大厅圆柱及汽车车身、配电柜体等，已经广泛应用
于人们的日常生活和工业产品装饰的许多领域。
6．1 TiN装饰涂层
&&& TiN膜是一种颜色十分接近于黄金、耐用性远远超过仿金铜
和黄金的首选的装饰涂层。采用多弧离子镀法在金属表面制备仿
金TiN装饰膜层具有生产效率高、工艺成本低、膜层性能稳定等
&&& 除了作为超硬膜所需要的力学性能外，作为装饰涂层，人们更
多地注意了TiN膜的色泽、耐蚀性、耐磨性。TiN膜层色泽
可以采用椭圆偏光仪或分光光度计借助于样品的光反射信号进行
&&& TiN膜层色泽的影响因素较多，包括氮气分压、偏压、镀膜时
间、镀膜温度、引弧电流、基片与靶的距离等。但关键是镀膜室真
空度及氮气、氩气流量的控制，氮气分压对膜层颜色有决定性的影
响。当氮气分压很低时，膜层的相组成为&&Ti+t&Ti2N。膜层色
泽为浅黄色；随着氮气分压的升高，膜层中出现了a&TiN相，同时
t-Ti2N相的含量也相应增多，此时膜层呈金黄色；当氮气分压继
续增大时，膜层的相组成逐渐变为a-TiNd-￡-Ti2N，此时膜层颜色
进一步加深，呈棕黄色。
&&& 实际上，氮气分压对膜层色泽的影响主要是通过膜层中三种
相组成的相对含量变化来实现的。a-Ti为银白色，￡一Tiz N为浅黄
色，a-TiN为深黄色。氮气分压不同，膜层中各相的相对含量也不
同，改变氮气分压，也就改变了膜层中各相的相对含量比，从而改
变膜层的色泽。其中￡一Ti2 N相起着调节膜层颜色深浅的作用，
其含量高，色泽变浅，反之则加深，这样就可以制成深浅各异的各
种仿金装饰膜层。在偏压、弧电流、镀膜时间一定的条件下，TiN
膜层的颜色随Nz分压的加大而依次呈现出浅黄色、黄色、金黄色、
&&& 在采用多弧离子镀制备TiN装饰膜的沉积过程中，常通人一
定流量的氩气。一方面，为了稳弧的需要，另一方面为了调解真空
室的压力。但是，对于N。／Ar流量比(或分压比)，不同的研究者
的看法不太一致。文献[1]的结果表明，当氩气分压为4．1 Pa、氮
气分压为4．8&10-1Pa、轰击电压为一400 V、基板偏压为一20 V
时，可以获得接近24 K金的膜层色泽。而文献[2]则指出，当真空
度在(4～6)&10叫Pa时，N2／Ar流量比在10：1左右，基板偏压
为一100 V时，膜层的色泽较好。这里，需要注意到二者所用的基
板偏压的差别。文献[3]给出了更为宽泛的工艺范围，但是，作为
一种主要的工艺改进，在镀膜过程结束后，增加了二次(N。气)辉
光放电，不仅增加了膜层表面的TiN含量、膜层颜色加深，也提高
了膜层的光亮度、致密度。
&&& 基片偏压既能提高沉积粒子的能量，从而增加膜层与基片之
间的附着力，又能起到维持基片本身温度的作用，同时细化晶粒，
减少表面液滴的沉积。偏压必须适当选择，过低，则影响附着力；
过高，则易于引起膜层表面粗糙、基片升温过高、沉积速率下降、膜
层失去光泽等不良后果。尽管如此，基片偏压的选择仍然有较大
的空间，一般在50～150 V，具体可根据气体压力、弧电流大小进
行调整。研究表明，一定范围内的基片偏压变化对膜层颜色的影
响较小，一般不会引起TiN装饰涂层相组成的明显变化。
&& 基片与靶的距离也是应该注意的一个因素凸]。距离过近，容
易引起基片温度升高、膜层表面液滴增多，从而导致膜层表面粗
糙、光亮度下降。合适的距离应该在150～200 mm之间。
&&& 对于装饰膜层而言，镀膜时间既不能过短，也不宜过长。时间
过短，膜层太薄、色泽较差并且硬度较低、易于磨损；而时间过长，
则容易引起温度升高、应力增大，附着力下降。合适的时间应为
10～20 min，膜厚在0．5～2 gm。
&&& 多弧离子镀制备TiN装饰膜时，一般不用特意进行预先烘烤
升温。在偏压轰击清洗的同时，基片温度会有一定的提高，这取决
于轰击偏压的大小和轰击时问的长短。轰击偏压在300～500 V、
时间在2～10 min为宜。
&&& 弧电流是另一个需要注意的沉积参数。电流过大，容易引起
液滴增大、增多，同时导致蒸发过快、基片过热；电流太小，则引起
沉积速率下降，同时容易断弧。此外，由于不同设备对引弧电流的
设定值不同，弧电流的选取也不尽相同，可以在50～100 A之问。
&&& 归结起来，采用多弧离子镀制备TiN装饰涂层的典型工艺列
于表6&1。在实际镀膜过程中，可以根据具体使用的多弧设备进
行参数调整。
多弧离子镀的沉积原理与技术特点&&&&&&&&&&1
& 1．1真空镀膜技术概论&&&&&&&&&&&&&&&1
&&& 1．1．1& 真空镀膜技术&&&&&&&&&&&&&&&1
&&& 1．1．2真空镀膜技术分类&&&&&&&&&&&&&4
& 1．2多弧离子镀的基本结构与沉积原理&&&&&&&&14
& 1．3多弧离子镀的技术特点&&&&&&&&&&&&&17
& 1．4多弧离子镀的应用&&&&&&&&&&&&&&&19
2工艺参数及液滴的控制&&&&&&&&&&&&&&&21
& 2．1大颗粒的产生&&&&&&&&&&&&&&&&&2l
&&& 2．1_1& 产生原因&&&&&&&&&&&&&&&&&21
&&& 2．1．2& 大颗粒的输运&&&&&&&&&&&&&&&23
& 2．2大颗粒的去除&&&&&&&&&&&&&&&&&24
&&& 2．2．1大颗粒发射的抑制&&&&&&&&&&&&&24
&&& 2．2．2在等离子体输运过程中大颗粒数量的减少&&&25
&&& 2．2．3其他过滤器&&&&&&&&&&&&&&&&33
& 2．3大颗粒的控制效果&&&&&&&&&&&&&&&34
& 2．4大颗粒控制的工艺实现及优化&&&&&&&&&&36
&&& 2．4．1& 弧电源&&&&&&&&&&&&&&&&&&36
&&& 2．4．2工艺参数的控制&&&&&&&&&&&&&&36
&&& 2．4．3过滤器的采用&&&&&&&&&&&&&&&37
& 参考文献&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&37
3多弧离子镀设备的改进&&&&&&&&&&&&&&&42
& 3．1国内外早期设备&&&&&&&&&&&&&&&&42
&&&& 3．1．1& 国外早期设备简介&&&&&&&&&&&&&42
&&& 3．1．2& 国内早期设备简介&&&&&&&&&&&&&45
& 3．2现阶段设备进展&&&&&&&&&&&&&&&&47
&&& 3．2．1& 国外设备进展&&&&&&&&&&&&&&&47
&&& 3．2．2国内设备进展&&&&&&&&&&&&&&&55
& 3．3设备技术发展方向&&&&&&&&&&&&&&&63
& 参考文献&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&63
&4多弧离子镀超硬反应膜&&&&&&&&&&&&&&&66
& 4．1多弧离子镀TiN超硬反应膜&&&&&&&&&&66
&&& 4．1．1 TiN膜的沉积工艺& &&&&&&&&&&&&67
&&& 4．1．2 TiN膜层织构&&&&&&&&&&&&&&71
&&& 4．1．3 TiN膜层缺陷&&液滴&&&&&&&&&&72
&&& 4．1．4 TiN膜层的摩擦磨损性能& &&&&&&&&&73
&&& 4．1．5 TiN膜层的机械加工性能& &&&&&&&&&75
& 4．2多弧离子镀CrN超硬反应膜&&&&&&&&&&76
& 4．3多弧离子镀ZrN超硬反应膜&&&&&&&&&&82
& 4．4多弧离子镀(Ti，A1)N超硬膜&&&&&&&&&&86
&&& 4．4．1(Ti，A1)N膜的制备技术&&&&&&&&&&86
&&& 4．4．2& (Ti，A1)N膜层&&&&&&&&&&&&&&88
&&& 4．4．3& (Ti，A1)N膜的沉积参数&&&&&&&&&&88
&&& 4．4．4& (Ti，A1)N膜的相组成及晶体结构&&&&&&89
&&& 4．4．5& (Ti，A1)N膜的硬度和杨氏模量&&&&&&&91
&&& 4．4．6(Ti，A1)N膜的过渡层与结合力&&&&&&&92
&&& 4．4．7& (Ti，A1)N膜的氧化腐蚀性能&&&&&&&&94
&&& 4．4．8& (Ti，A1)N膜的机械加工性能&&&&&&&&96
& 4．5多弧离子镀(Ti，Cr)N超硬膜&&&&&&&&&&98
& 4．6多弧离子镀(Ti，Zr)N超硬膜&&&&&&&&&&102
& 4．7多弧离子镀多元超硬反应膜&&&&&&&&&&107
&&& 4．7．1 TiAlZrN超硬反应膜&&&&&&&&&&&107
&&&& 4．7．2 TiAlCrN超硬反应膜&&&&&&&&&&&111
& 参考文献&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&115
5多弧离子镀高温防护涂层&&&&&&&&&&&&&120
& 5．1高温防护涂层概述&&&&&&&&&&&&&&120
&&& 5．1．1& 高温防护涂层的历史发展_&&&&&&&&120
&&& 5．1．2& 高温防护涂层的作用&&&&&&&&&&&123
& 5．2 MCrAlX高温合金防护涂层[2]&&&&&&&&&126
&&& 5．2．1 MCrAlX型涂层的氧化和腐蚀&&&&&&&127
&&& 5．2．2 MCrAlX型防护涂层的组元及作用&&&&&131
&&& 5．2．3多弧离子镀MCrAlX型防护涂层的
&&& 示例&&&、&&&&&&&&&&&&&&&&134
& 5．3 Ti-A1-Cr系高温钛合金防护涂层&&&&&&&&137
&&& 5．3．1高温钛合金的氧化行为&&&&&&&&&&137
&&& 5．3．2高温钛合金防护涂层综述&&&&&&&&&138
&&& 5．3．3 Ti-A1-Cr系高温钛合金防护涂层&&&&&&139
& 5．4热障涂层&&&&&&&&&&&&&&&&&&144
&&& 5．4．1& 热障涂层的基本设计&&&&&&&&&&&144
&&& 5．4．2氧化锆的基本物理化学性质&&&&&&&&145
&&& 5．4．3黏结层材料&&&&&&&&&&&&&&&146
&&& 5.4．4热障涂层制备工艺&&&&&&&&&&&&148
&&& 5．4．5& 热障涂层研究重点&&&&&&&&&&&&149
& 参考文献&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&149
6多弧离子镀装饰涂层&&&&&&&&&&&&&&&152
&6．1 TiN装饰涂层&&&&&&&&&&&&&&&&152
&6．2 ZrN装饰涂层&&&&&&&&&&&&&&&&156
&6．3掺金装饰涂层&&&&&&&&&&&&&&&&157
&6．4其他装饰涂层&&&&&&&&&&&&&&&&161
参考文献&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&163
&&&& 7多弧离子镀在功能薄膜中的应用&&&&&&&&&&165
&&& 7．1 DLC膜&&&&&&&&&&&&&&&&&&&165
&&& 7．2 CN膜&&&&&&&&&&&&&&&&&&&169
&&& 7．3氧化物薄膜&&&&&&&&&&&&&&&&&169
&&& 7．3．1氧化钛薄膜&&&&&&&&&&&&&&&169
&&& 7．3．2氧化锌薄膜&&&&&&&&&&&&&&&172
&&& 7．3．3氧化铟锡(ITO)薄膜&&&&&&&&&&&174
&&& 7．3．4氧化镁薄膜&&&&&&&&&&&&&&&175
&&& 7．3．5氧化铝薄膜&&&&&&&&&&&&&&&176
&&& 7．3．6氧化铜薄膜&&&&&&&&&&&&&&&177
&&& 7．4金属膜&&&&&&&&&&&&&&&&&&&178
&&& 7．5贮氢薄膜&&&&&&&&&&&&&&&&&&179
&&& 7．6其他复合薄膜&&&&&&&&&&&&&&&&180
&&& 7．7本章小结&&&&&&&&&&&&&&&&&&180
&&& 参考文献&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&181
&&& 8多弧离子镀合金涂层的成分问题&&&&&&&&&&187
&&& 8．1合金(反应)膜的制备方法&&&&&&&&&&&188
&&& 8．1．1单元素靶多靶共用&&&&&&&&&&&&188
&&& 8．1．2镶嵌组合&&&&&&&&&&&&&&&&189
&&& 8．1．3合金靶应用与成分问题&&&&&&&&&&190
&&& 8．2成分离析现象的一般规律&&&&&&&&&&&192
&&& 8．3成分离析效应的基本物理解释&&&&&&&&&194
&&& 8．3．1基片不加负偏压的情形&&&&&&&&&&195
&&& 8．3．2基片加一定负偏压后的情形&&&&&&&&196
&&& 8．3．3& 阴极靶材各组元含量对成分离析的影响&&&197
&&& 8．3．4基片负偏压对成分离析的影响&&&&&&&198
&&& 8．4靶材成分设计&&&&&&&&&&&&&&&&199
&&& 8．4．1设计方法(1)&&&&&&&&&&&&&&&200
&&&& 8．4．2设计方法(2)&&&&&&&&&&&&&&&201
& 8．5本章小结&&&&&&&&&&&&&&&&&&205
& 参考文献&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&205
9超硬反应膜形成元素分析&&&&&&&&&&&&&207
&9．1超硬膜形成元素&&&&&&&&&&&&&&&207
&&& 9．1．1& 合金元素选择的制约因素&&&&&&&&&207
&&& 9．1．2基体元素与合金化元素&&&&&&&&&&210
& 9．2超硬反应膜合金元素的物理特性分析&&&&&&212
& 9．3合金化元素的作用&&&&&&&&&&&&&&217
&&& 9．3．1铬(Cr)元素的作用&&&&&&&&&&&&217
&&& 9．3．2钒(V)元素的作用&&&&&&&&&&&&218
&&& 9．3．3锆(Zr)元素的作用&&&&&&&&&&&&219
&&& 9．3．4硅(Si)元素的作用&&&&&&&&&&&&220
&&& 9．3．5钼(Mo)元素的作用&&&&&&&&&&&&221
&&& 9．3．6钇(Y)、铪(Hf)、硼(B)元素的作用&&&&&222
& 9．4多元超硬反应膜的发展趋势&&&&&&&&&&222
& 参考文献&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&224
10多弧离子镀、渗复合工艺&&&&&&&&&&&&&226
& 10．1多弧离子镀、渗复合工艺&&&&&&&&&&&226
&&& 10．1．1& 离子渗氮、离子镀复合工艺&&&&&&&&226
&&& 10．1．2& 加弧辉光渗镀复合工艺&&&&&&&&&&228
&&& 10．1．3镀渗复合工艺&&&&&&&&&&&&&&232
& 10．2研究的前沿问题及发展方向&&&&&&&&&&233
& 参考文献&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&233
1l脉冲偏压多弧离子镀&&&&&&&&&&&&&&&236
& 11．1脉冲偏压工艺的工作原理&&&&&&&&&&&236
& 11．2脉冲偏压沉积工艺&&&&&&&&&&&&&&236
11．3脉冲偏压多弧离子镀技术的特征和内涵&&&&&237
&&& 11．3．1脉)中偏压多弧离子镀的热力学类型和特征&&237
&&& 11．3．2镀膜等离子体的物理原理&&&&&&&&&238
&&& 11．3．3镀膜电路的电磁兼容问题&&&&&&&&&241
11．4脉冲偏压对薄膜组织结构及性能的影响&&&&&248
&11．5脉冲工艺在制备各种膜层中的应用&&&&&&&252
&11．6脉冲工艺在工业生产中的应用前景&&&&&&&254
11．7发展方向和前景&&&&&&&&&&&&&&&255
参考文献&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&258
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