直流磁控濺射鍍膜在不銹鋼刀片涂層技術中的應用

摘 要：磁控濺射屬于一種真空鍍膜技術，在微電子、光學薄膜、材料表面處理等眾多領域廣泛應用。隨著磁控濺射鍍膜技術的不斷發展，其應用范圍不斷擴大。文章中，主要在探討磁控濺射鍍膜在刀片涂層技術中應用的基礎上，對磁控濺射真空鍍膜技術的應用機理、靶的結構、靶的選材與提高鍍膜質量的方法進行了研究，在文章最后，對磁控濺射鍍膜刀片的應用與發展前景進行了探討。

關鍵詞：磁控濺射；鍍膜刀片；涂層技術；應用

1 磁控濺射鍍膜機理分析

磁控濺射鍍膜所獲得的膜層質量較好，膜基強度較高，設計性能較好，廣泛應用于刀具涂層中。磁控濺射鍍膜機理如下：

1.1 二極直流濺射鍍膜

通過離子對靶材表面進行轟擊，將靶材原子擊出的現象被稱為濺射，通過濺射所形成的原子沉積并在基體中成膜的技術，被稱之為濺射鍍膜技術。二極直流濺射鍍膜屬于最常見的濺射鍍膜，其機理為：通過氣體放電形成氣體電離，氣體電離中正離子在電場影響下，對陰極靶材進行快速轟擊，并將陰極靶材中的原子或分子擊出，在被鍍基體的表面成膜。二極直流濺射鍍膜適用于半導體與金屬靶材中，但不適用于絕緣材料，且濺射過程中陰極靶電流密度較低，成膜速度速度較慢，在低氣壓環境中不能進行濺射，氣壓較低，放電維持困難，氣壓較高，膜層中存在氣體，會影響膜層質量。

1.2 磁控濺射

磁控濺射機理與二極直流濺射機理基本是相同的，但在磁控濺射技術中，在靶的結構中安裝了永久磁鐵，將電場與磁場正交，并形成正交電磁場。磁場的應用，能夠對電子運動方向進行改變，正交電磁場能夠約束并延長電子運動軌跡，提高了氣體電離率，并實現了電子能量的有效利用。其工作機理如下圖：

磁控濺射機理示意圖

磁控濺射機理的應用，在高密度等離子體異常輝光放電過程中，在正離子對靶材進行轟擊的過程中，所轟擊的靶材濺射較之二極直流濺射更加有效。電子被正交電磁場約束，在電子能量完全消耗后，會在基片上進行沉積，形成鍍膜。這種磁控濺射機理充分體現了高速與低溫兩大特征。

2 磁控濺射鍍膜在刀片涂層中應用的技術要點

2.1 靶的結構與靶材選擇問題

在磁控濺射真空鍍膜技術中，磁控濺射靶的類型與結構較多，如下圖，為同軸圓柱靶與圓形平面靶：

同軸圓柱靶與圓形平面靶示意圖

圖中，1：水冷系統；2：陰極體；3：法蘭；4：屏蔽罩；5：靶材；6：極靴；7：永磁體；8：螺母；9：密封圈；10：螺帽；11：絕緣；12：壓環；13：基片；14：輔助陽極。

靶的結構除了同軸圓柱靶與圓形平面靶以外，還包括矩形平面靶、旋轉式圓柱矩形靶、特殊結構靶等。靶型主要是由陰極體、屏蔽罩、靶材、永磁體、壓環、基片、輔助陽極等共同組成。根據刀片涂層的用途及對膜性能的要求選擇合適的靶型。

2.2 合理布局靶內永久磁鐵，保證膜層均勻性

靶內永久磁鐵的布局直接影響著靶的濺射率，影響著膜層的均勻性。這是因為磁控濺射情況下的膜層均勻性與靶材濺射率是磁場強度存在著極大關系。為此，在進行靶內永久磁鐵的設計時，需要通過合理分析，保證永久磁鐵在靶內布局的合理性。在磁場強度要求下，引入導磁極靴，保證磁場強度水平分量分布均勻，從而提高膜層均勻性與濺射速率。

2.3 增加鍍膜穩定性及強度

選擇合適的基片溫度，氣體壓強沉積速率等磁控濺射工藝參數，提高設備構建焊縫質量，結合膜的性能要求，對濺射參數進行科學調整，能夠有效提高膜與不銹鋼刀片基片界面之間的附著強度。

2.4 提高膜純度

在靶材結構中設置屏蔽罩，通過屏蔽罩進行非靶材零件發射電子的截獲，從而讓其非靶材電子不產生輝光放電，提高膜的純度。

3 磁控濺射鍍膜在不銹鋼刀片涂層技術中的應用及前景

磁控濺射所獲得膜層具有著質量高，可設計性強，膜基結合強度較高等較多優勢，在刀具涂層中應用十分廣泛。TiN屬于一種硬質薄膜材料，TiN膜硬度在20GPa左右，其抗機械性能與抗磨損性能較好，且與基體結合牢固性較強，多被應用于刀片涂層的底模中。在TiN薄膜材料的基礎上，逐漸發展處了較多的薄膜材料，膜層逐漸向多元化與復合化發展。如在TiN涂層的基礎上摻入Al元素，形成一種新型的TiAIN涂層，TiAIN涂層具備更高的硬度，耐熱溫度也大幅度提高。

隨著現代制造業及科學技術的不斷發展，難以進行加工的材料越來越多，如何提高不銹鋼刀片刃口的硬度及性能成為了研究的重點。將磁控濺射應用于提升不銹鋼刀片刃口涂層中，如利用射頻電源，通過反應磁控濺射技術可以獲得金剛石涂層，從而提高刀片刃口硬度。然而這種涂層膜基結合牢固性不足。類金剛石涂層是當前研究與應用較多的一種超硬薄膜，具備著摩擦系數低、硬度高、耐腐蝕性能好、生物相容性優良等較多優勢，在刀片刃口涂層應用中效果十分明顯。類金剛石薄膜制備的技術較多，如激光束蒸發、離子束濺射、脈沖高能量密度等離子體技術、磁控濺射技術等，因磁控濺射鍍膜法沉積速率較快，沉積溫度較低，且薄膜均勻性較好，被廣泛應用。

當前，刀片刃口涂層發展主要表現為兩種趨勢，第一種趨勢為減少涂層摩擦系數，進行自潤滑涂層的開發；第二種趨勢為提高刀片刃口硬度，進行超硬材料開發工作。磁控濺射屬于一種先進實用的真空鍍膜方法，在電子領域、光學領域、材料處理、刀片刃口表面處理等眾多領域內獲得了廣泛應用。相信隨著時代的發展，磁控濺射鍍膜技術會在更多領域內發揮著重要作用。

4 結束語

磁控濺射為一種新型的真空鍍膜技術，在不銹鋼刀片涂層中應用磁控濺射技術，能夠有效提高刀片的硬度及整體性能。磁控濺射在微電子、光學薄膜、材料表面處理領域獲得了廣泛應用。在本文中，主要對磁控濺射的工作原理、磁控濺射鍍膜在刀片涂層中應用的技術要點、磁控濺射鍍膜在不銹鋼刀片涂層技術中的應用及前景進行了探討。相信在未來，磁控濺射技術將會在更多領域內發揮更大作用，獲得更好的綜合效益。

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