磁控濺射在金屬表面強化中的應用

王藝霖

摘要：磁控濺射是在近似真空的環境下，利用低壓氣體放電產生的正離子在電場作用下轟擊靶材，使濺射出來的原子沉積在基片上的過程。它有低溫、高速、低損傷的特點，且鍍膜的質量高。該技術用于許多領域，例如光學、電子通訊等。金屬表面強化是降低金屬損耗，增加金屬材料壽命，降低成本的重要技術。本文在描述磁控濺射與金屬表面強化的基礎上，重點闡述了磁控濺射在金屬表面強化中的應用。

關鍵詞：磁控濺射 表面強化 鋁合金強化 鎂合金強化

濺射技術從1852年格洛夫（Grove）發現陰極濺射開始發展，上世紀80年代到現在，磁控濺射技術已經在表面技術領域有了舉足輕重的地位。

濺射鍍膜是在真空室中，利用氣體在低壓環境中的放電現象，使其產生的正離子在電場的作用下加速轟擊靶材表面，使濺射出來的原子（分子）沉積在基片上。而磁控濺射鍍膜技術更是具有高速、低溫、低損傷的特點，而且可用于制備的靶材料種類更多。其應用也十分廣泛。面光整加工技術、表面涂層制備、金屬表面合金化等，都是磁控濺射鍍膜的應用[1]。

一、磁控濺射制備薄膜

（一）基本原理

磁控濺射是指電子在電場的作用下飛向基片，在過程中與Ar原子碰撞，將它們電離成Ar離子和新電子，新電子飛向基片，Ar離子飛向陰極靶，轟擊靶的表面，使靶材發生濺射。沉積中性的靶原子（分子）形成薄膜，產生的電子在場的作用下漂移，電離出大量的Ar離子轟擊靶材，這極大地提高了濺射的效率[2]。

（二）工作流程

所有磁控濺射鍍膜的過程都可以歸納為三步：

1.產生所需粒子

2.將產生的粒子運輸到基片

3.讓粒子在基片表面生成連續性薄膜。

從薄膜生長的角度來看，磁控濺射鍍膜可以分為兩種流程：

1.濺射—成核、生長—成膜

2.濺射—半成膜—熱處理—成核、生長—成膜

（三）主要特點

相比較于傳統的鍍膜方式，磁控濺射鍍膜可以用作靶材的材料很多，基本上所有的金屬材料、合金材料、陶瓷材料都可以用。磁控濺射還可以同時進行多種靶材的共同濺射，使鍍上的合金膜比例更加精確。

普通的濺射技術只有電場的作用，在經過多次能量傳遞之后，電子因能量不足只能直接落在基片上。而磁控濺射施加了磁場，因此電子也受到洛倫茲力的約束，運動軌跡從直線變為擺線，這樣增加了高速電子與Ar原子碰撞的可能性，從而增加了Ar原子的電離程度，這降低了對氣壓的要求，Ar離子在電場的加速下轟擊目標表面，使其表面上更多的原子（分子）濺出并飛向基片，在基片上沉淀形成薄膜，由于電子的能量殘留較低，落在基片后引起的溫度變化不明顯，因此這項技術擁有“高速低溫”的特點。

磁控濺射的局限性主要有：輝光放電期間產生的電子和氣體電離過程中產生的二次原子，會被磁場束縛在一個很小的區域內，且隨著距離的增加，電子的濃度降低，因此，基片只能放置在一個小區域內，基片的尺寸因此受到了限制；同時此過程中被轟擊而脫離靶材原子的速度因反復的能量轉移而明顯下降，從而導致鍍層與基片之間的粘著力不高的缺點。

二、金屬表面強化方法對比

（一）常用方法及基本原理

金屬表面強化工藝主要是分為化學熱處理、高密度能量表面淬火強化、表面形變強化、表面覆層強化、復合表面強化等方法[3]。

（二）常用方法特點

1.化學熱處理

該工藝按照滲入劑在化學熱處理爐內的物理狀態分類可以分為固體滲、液體滲、氣體滲、固體滲的方法比較簡便，但是生產效率比較低。氣體滲對于所用的滲劑有一定的要求，它必須能易于分解為活性原子、經濟、易控制、無污染、深層性能較好。

2.高密度能量表面淬火強化

該工藝具有工序簡單、過程迅速、零件形變微小、生產效率高的優點。但它的缺點也比較明顯.電子束加熱淬火雖然能耗低、零件形變小，但是設備成本比較高、技術要求復雜；高頻沖擊感應加熱對零部件精度要求極高。現在廣泛使用的是激光淬火表面強化。

3.表面形變強化

該工藝能顯著提高高周疲勞性能，而且材料的強度越高效果越顯著 有缺口件的效果高于光滑件，而且耗能少，成本低。

4.表面覆層強化

該技術主要分為熱噴涂和氣相沉積技術。熱噴涂又主要分為火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂。火焰噴涂設備簡單、成本低，但它的噴射速度慢，粘合強度也不高；等離子噴涂的焰流溫度可以達到10000℃以上，能噴涂基本上所有的固態工程材料。氣相沉積主要分為物理氣相沉積和化學氣相沉積，兩者都是在不斷發展并且被廣泛應用的技術。

三、磁控濺射在金屬強化中的典型應用

（一）軸承鋼

軸承鋼是一種十分重要的的冶金產品，在制造柴油機油泵的精密部件、滾動軸承的精密量具、機床絲杠、滾珠等具有的廣泛的應用。因為軸承工作環境相對苛刻，因此軸承鋼的原材料要求十分嚴格。摩擦和磨損是軸承鋼的主要失效原因之一。而磁控濺射鍍膜則可以極大幅度地改善鋼材的性能，提高它的耐磨能力，比如較常見的鈦膜[4]。

（二）鋁合金

鋁合金現在在航空航天、電子信息、能源等領域具有越來越廣泛的應用。但鋁箔的綜合性能有時不盡如人意，原因就在于它的硬度和光澤度都比較低。而且，鋁箔的表面微觀組織并不特別均勻。因此，提高其整體性能尤為重要。在眾多鍍膜處理工藝之中，磁控濺射鍍膜可以大面積地在基體材料上沉積薄膜，且薄膜沉積得十分均勻，因此可以制作各種功能的薄膜[5]。

（三）鎂合金

鎂合金的耐蝕性比較差，而且因此它在各個領域中的應用收到了極大的限制。而對電偶腐蝕的敏感性則是耐蝕性差的主要原因。因為鎂合金在溫度超過100℃時，它的抗蠕變性和強度會大幅度下降。而磁控濺射可以在較低溫度下沉積各種功能的薄膜，所以在這方面的研究也是最多的。磁控濺射在鎂合金表面沉積薄膜現在仍在不斷的研究發展過程當中[6]。

（四）其他

磁控濺射在在其它材料表面沉積薄膜的應用也十分廣泛。比如在玻璃上沉積制備金屬鎳薄膜，可以解決化學電度法危害環境、不均勻、附著性差的問題；在制造業輕量化和精密化的事業當中，磁控濺射也是發揮著不可替代的作用它可以根據不同環境中設計不同功能的膜層，成倍地提高了材料的性價比。

四、總結與展望

總之，磁控濺射因為其低溫、高速、低損傷和鍍膜質量高的優點而成為工業鍍膜的主要方式之一，其種類也越來越多，非平衡磁濺射、多靶閉合式非平衡磁控濺射、中頻濺射、脈沖濺射，它們的優缺點也各不相同。新的高速濺射和自濺射技術也為該領域開創了新的應用領域。磁控濺射也在新材料、新工件、新功能的發現、應用于提升等方面發揮著越來越重要的作用。磁控濺射因為其種種優點，未來在金屬表面強化方面仍然有著重要的研究價值和廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]余東海，王成勇，成曉玲，等.磁控濺射鍍膜技術的發展[J].真空，2009，（02）：19-25.

[2]郝正同，謝泉，楊子義.磁控濺射法中影響薄膜生長的因素及作用機理研究[J].貴州大學學報（自然科學版），2010，（01）：62-66.

[3]郭燕，張俊.金屬材料表面改性及強化技術研究進展[J].資源信息與工程，2015，（06）：94-95.

（作者單位：青島市第二中學）