等离子表面处理技术及其应用
等离子表面处理——双重涂层
双重涂层工艺将氮处理与离子镀薄膜相结合。在许多仅仅用PVD涂层不能获得相对于无涂层部件必要的性能改善的情况下,利用这种工艺却能提高工具和磨损部件的性能。下列应用就是这种情况:
①单位负载超过了适于这种应用的钢的塑性变形限度;
②利用任何一种具有合理机械性能的材料都不能满足腐蚀要求;
③具有适当的芯部刚性的钢的疲劳强度不足。
在这些情况下,简单的PVD涂层不能解决所有的磨损问题;而由热化学或等离子体化学处理生成的化合物层——铁的氮化物、碳氮化物和羧基氮化物——也不能提供PVD涂层所具有的必要的硬度、磨损特性以及机械完整性
为了将热化学处理、特别是渗氮处理与硬涂层相结合,已做了各种努力。然而,这些努力的成功受到这两种处理的相容性问题的限制。结果造成了涂层的附着力很差。只有在这个问题被解决之后。双重处理才成为工业生产的工艺流程今天。渗氮和PVD涂层都能在强流密度等离子体束离子镀系统内、在一次真空过程中成功地实现。这种一体化的双重涂层工艺的优点是:
①通过在等离子体渗氮和涂层之间的过渡较好地控制附着力;
②使低气压三彀管工艺的动力学得到改善;
③在高碳钢中。无碳的e一化合物层导致了较高的抗腐蚀性,并且几乎没有碳的脆化问题。
在非铁金属压铸件中,特别是铝合金和锌铸件中,铸模的磨损由以下机制造成:
①液态金属与冷却液温度之间的快速的热循环造成的热疲劳;
②在冷却期间由可离析出某些成分(取决于金属的组成)的液态金属的冲击造成的腐蚀; ③在脱模期间导致堵塞和粘着睹损的表面熔台。
这些现象导致铸摸出现凹痕,脱模出现问题以及所铸出的部件光洁度很差。对铸模利用双重涂层有助于缓和这些问题;一层适当的PVD涂层将防止表面熔合;由于有高的压缩应力,它也可防止裂缝的扩张。但是,它不能防止裂缝的形成,也不能防止在涂层内不可避免的缺陷引起的熔合。渗氮将增加具有压缩应力的区域的深度,并且给予钢以更好的化学稳定性。
钢的腐蚀特性也可用双重涂层而获重大改善。在所有情况下,双重涂层表面与未处理表面、渗氮表面或涂层表面相比较,都改善了腐蚀性能。
对于磨损部件和塑料铸模,双重涂层的抗腐蚀性能是特别重要的,因为在这些情况下,在浇铸某些聚台物时要产生腐蚀气体。
等离子表面处理——金刚石涂层
一些年来,薄膜金刚石涂层已在一定程度上实现了批量生产。这种涂层的可用性变得更为普通。并且价格降低时,它们将有许多应用领域。根据这些情况,预计将有几亿美元的市场潜力。
以上应用都利用了金刚石的下述特殊性质:
①在所有已知材料中具有最高的硬度;
②最高的热传导性
③极好的电绝缘;
④可与PTFE相比拟的很低的摩擦系数;
⑤只要不是对铁和不是处于高温之下。它都具有化学稳定性;
⑥从225nm到远红外区的光学透明度。
可能利用金刚石薄膜的众多的领域是:
①用作非铁金属和诸如铝钛台金、黄铜、铜、石墨、钨及强化塑料等磨蚀材料的切削工具;
②摩擦应用,倒如拉丝工具和关键的磨损部件;
③集成电路的散热片;
④X射线窗口;
⑤光学磨损保护涂层;
⑥由于它们的刚性强、重量轻,独立的金刚石薄膜可用于高质量的声学部件(话筒、扬声器);
⑦利用大的能带隙、高的载流子迁移率,低的介电常数、高温特性和高导热性的半导体器件。
目前可甩于制造金刚石薄膜的最重要的一些技术均采用同一简单原理。它们使用了氢与1%碳氢化台物(甲烷或乙炔)的混合气体。碳被沉积在热的基体上。氢分子被离解,它选择性地蚀刻已沉积的碳膜里的SP2链(氧也有同样的作用),并防止在表面上由于悬空链的饱和而再生成石墨键。
可利用以下不同的方法使氢离解:
①利用热丝或热化学火焰的加热;
②利用rf或dc等离子体喷射
③使处于微波或ECR(电子回旋共振)等离子体内;
④利用dc弧放电。
一种利用强流、低压dc弧来制造金雕石膜的工业涂敷机由一个顶部有电离室、底部有阳极的圆筒形真空室组成。基体被排列在围绕弧的圆柱体上。按此方法可容纳大量基体。