表⾯合⾦化原理
表⾯⼯程概论实践教学内容
1.等离⼦表⾯冶⾦炉
1）结构特点
该设备抽⽓系统设置机械泵和扩散泵。根据⼯作要求，炉内可获得低真空和中⾼真空。在炉壁设置⼀弧靶，从炉底引⼊两阴极柱。当系统抽到⾼真空时，利⽤弧靶和⼀个阴极靶（弧靶提供⾦属离⼦，阴极上悬挂⼯件），可以实现在⾦属⼯件上镀⾦属膜层、镀⾦属化合物膜层。当系统抽到初、中真空时，利⽤弧靶和⼀个阴极靶，可以进⾏弧光辉光渗⾦属。利⽤两个阴极靶，⼀个阴极靶悬挂欲渗⾦属，另⼀个阴极靶悬挂⼯件，进⾏双层辉光离⼦渗⾦属。本设备实现弧光、辉光渗⾦属技术的复合。 2)表⾯合⾦化原理及设备功能
⼀、表⾯合⾦化原理
①双层辉光渗⾦属技术
双层辉光离⼦渗⾦属技术是利⽤真空条件下双层辉光放电所产⽣的低温等离⼦体⽽形成的⼀种等离⼦表⾯冶⾦⽅法。其主要功能是在可导电材料表⾯形成具有特殊物理化学性能的合⾦层。例如在普通碳钢表⾯形成⾼速钢、不锈钢和镍基合⾦等。在钛及钛合⾦表⾯形成各种耐磨、耐蚀、抗⾼温氧化的合⾦层和在⾦属材料表⾯形成⾼硬耐磨的⾦属陶瓷复合层等。
双层辉光离⼦渗⾦属原理图。抽真空⾄1Pa左右后，充Ar⽓⾄30-50Pa，阴极（即⼯件）置400-500V负偏压，欲渗⾦属极（称为源极）置800-1000V负偏压。在偏压的作⽤下，⽓体被点燃，产⽣强烈的辉光放电，在阴极和源极之间产⽣不等电位空⼼阴极效应，使得⼯件被迅速加热到⾼温，使的欲渗⾦属原⼦被溅射出来，沉积到⼯件表⾯，在⾼温下，在⼯件表⾯沉积原⼦浓度梯度的作⽤下，原⼦通过扩散，进⼊⼯件表层，形成表⾯合⾦层。图4给出利⽤双层辉光离⼦渗⾦属技术在普通碳钢表⾯获得渗铬层，使得普通碳钢变为表⾯不锈钢，获得优良的耐蚀性。
②加弧辉光离⼦渗⾦属技术
加弧辉光离⼦渗⾦属原理。其特征是在双层辉光离⼦渗⾦属装置中，引⼊冷阴极电弧源，把辉光放电和弧光放电有机的结合起来，在被处理⼯件周围设置辅助阴极，利⽤辉光放电空⼼阴极效应使⼯件迅速升温。本设备同时在真空容器壁上设置⼀个⾦属阴极电弧靶源，利⽤真空电弧放电引燃电弧源，不断地发射出⾼能量、⾼密度、⾼离化率的欲渗⾦属离⼦流，在⼯件负偏压的作⽤下加速到达⼯件表⾯。依靠扩散和离⼦轰击作⽤快速渗⼊⼯件表⾯，在⼯件表⾯可以形成渗层、镀层、渗镀结合层。
⼆、功能：
利⽤双层辉光离⼦渗⾦属技术，在⾦属材料表⾯可渗⼊特定的合⾦元素，包括⼏乎所有的⾼熔点⾦属，如W、Mo、Cr、Ni 等，可⼤幅度提⾼材料表⾯的耐磨、耐腐蚀性能；强化材料表⾯，提⾼抗疲劳性能；提⾼材料的抗⾼温氧化性能；同时也可⽣成具有特殊功能的合⾦层。⽤⽯墨作源极，可在钛合⾦表⾯实现⽆氢渗碳，提⾼钛合⾦的耐磨性。双层辉光离⼦渗⾦属技术具有节约贵⾦属，节省能源、⽆公害，并可⼤⾯积处理及表⾯合⾦成份可控等显著优点。已成功地应⽤于⼿⽤
锯条，机⽤锯条，⼤型钢板，化⼯⽤阀门及液体泵，钢窗附件以及汽车排⽓阀等。是⼀项有⼴阔应⽤前景的表⾯⼯程技术。利⽤双层辉光渗⾦属技术⽣产的表⾯⾼速钢⼿⽤锯条，此锯条具有国外双⾦属锯条相近的性能，⽽成本仅为双⾦属锯条的⼀半。
利⽤加弧辉光离⼦渗⾦属技术，同样可在⾦属表⾯实现特定⾦属、⾮⾦属元素的渗⼊，提⾼材料表⾯的耐磨、耐腐蚀性能、抗疲劳性能；与双辉渗相⽐，具有⼀些特点：
1．渗速极快，平均值为300~700µm/h；
2．⼯件形状不受限制，可以在炉内任意放置；
3．⼯件可以转动，能实现均匀渗镀；
4．不仅可以渗镀⾼熔点的⾦属和合⾦如Ti,Mo,Cr,Ni,Cr-Ni,W-Mo等，还可以渗镀低熔点的⾦属和合⾦Al,Zn,Pb,Al合⾦等；
2 多功能离⼦镀膜机
1）结构特点
该设备的真空抽⽓系统由机械泵、罗兹泵和扩散泵组成，⽤于获得⾼真空。炉壁设置4个弧靶和2个磁控靶。该设备可⽤于多弧离⼦镀膜和磁控溅射镀膜，也可以同时⼯作，⽤途极为⼴泛。
2）镀膜原理与设备功能
⼀、镀膜原理
①多弧离⼦镀膜原理
多弧离⼦镀技术是采⽤阴极电弧蒸发源的⼀种离⼦镀技术。阴极电弧蒸发源可以使Ti、Al、Zr、Cr等单项靶材，也可以是由它们组成的合⾦靶材。多弧离⼦镀应⽤⾯⼴，实⽤性强。除了具有其他各种离⼦镀⽅法的⼴泛⽤途外，特别是在⾼速钢⼑具镀覆TiN膜层的应⽤⽅⾯发展的最为迅速，并进⼊了⼯业化阶段。多弧离⼦镀的基本组成包括真空镀膜室、阴极弧源、基⽚、负偏压电源、真空系统等。阴极 弧源是多弧离⼦镀的核⼼，它所产⽣的⾦属等离⼦体⾃动维持阴极和镀膜室之间的弧光放电。微⼩弧斑在阴极靶⾯迅速徘徊，弧斑的电流密度很⼤，达到105-107A/cm2，电压为-20V左右。由于微弧能量密度⾮常⼤，弧斑发射⾦属蒸汽流的速度可以达到103m/s。阴极靶本⾝既是蒸发源，⼜是离化源。外加磁场可以改变阴极弧斑在极靶⾯的移动速度，并使弧斑均匀、细化，以达到阴极靶⾯的均匀烧蚀，延长靶的使⽤寿命。⼯件加500V左右的负偏压。通⼊真空室的氮⽓在阴极等离⼦区被离化为N离⼦或活性N原⼦，这样从弧靶蒸发出来的Ti离⼦或活性Ti原⼦与N离⼦或活性N原⼦⽣成TiN并沉积在⼯件表⾯，⽣成TiN 膜。 ②磁控溅射镀膜原理
磁控溅射源系统可以是平⾯磁控溅射源、圆柱⾯磁控溅射源和S抢型磁控溅射源。本设备采⽤平⾯磁控溅射源。其⼯作原理是在⼆极溅射的阴极靶⾯上建⽴⼀个环形封闭磁场，它具有平⾏于靶⾯的横向磁场分量，该磁场由靶体内的磁体产⽣。此外，磁控溅射装置的阳极就在阴极四周，基⽚不在阳极上，⽽在靶对⾯
的悬浮基⽚架上。镀膜时，基⽚架可以加负偏压，也可不加。磁控溅射与多弧离⼦镀的主要区别就是⽤磁控溅射源取代多弧离⼦镀的离⼦蒸发源。因此，磁控溅射的⼯作电压在-400--600V。
螺钉加工
⼆、功能：
该设备既能制备纯⾦属膜，也能制备⾦属化合物膜或复合材料膜，既能制备单层膜，⼜能制备多层复合膜；既能⽤于装饰镀，也能⽤于功能镀。如Ti-Al-Cr 涂层⽤于钛合⾦⾼温防护涂层；TiN⽤于装饰镀；TiN、ZrN、TiC、（Ti,Al）N 等超硬涂层，⽤于⼑具或耐磨件。资料介绍，⽤多弧离⼦镀TiN后的M3滚⼑与未镀膜层的M3滚⼑的切削对⽐试验表明，前者加⼯的⼯件数是后者的8倍多，由于TiN涂层的⾼硬度和低的动、静摩擦因数，使滚⼑使⽤寿命显著提⾼.表1给出不同钻头的切削性能⽐较，结果显⽰，随钻速从500r/min提⾼到1000r/min，镀TiN的钻头的相对寿命是⽆涂层钻头的寿命从5.38倍提⾼到7.24倍。
焊接钢板B品制备及前处理⼯艺
1）样品的打磨
2）样品的清洗
⼩样品：⽤丙酮、酒精清洗
⼤样品及样品多时⽤超声波机。⽔中加⾦属清洗剂。洗完后清⽔冲洗⼲净。最后⼿接触样品时戴塑料进⾏，以免汗啧污染。
3）装炉待处理
C 多功能镀膜机操作规程
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
6.开压强控制仪。当P≤2×102P a时，关旁通阀，开罗兹泵电机转速传感器
7.当P≤1×100P a时，关钟罩阀，开系统阀，开⾼阀
8.P≤1×10-1P a时，关系统阀，关罗兹泵，关机械泵（当⼯件较⼤时，开加热，jvktwrna
开转动）
9.当P≤8×10-3P a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，充⼊氮⽓，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3，引弧，关引弧2，计时，观察电压、电流
18.调节偏压电位器，使电压在设定范围内，计时，依次重覆14-17
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.调节偏压电源，档位“A“，百分⽐”80“，电压值在设定范围，关氮⽓，
增加压强仪电位器刻度
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
焗炉
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，保护电流超过5A时，应及时清理弧源靶与屏蔽的间隙，当保护开关跳闸时，不要合闸，停机后检查弧源靶
6．磁控靶不起辉光时可加⼤氩⽓充⼊量，最⾼可达8×10-1P a，当正常辉光时，再降到3×10-1P a。当靶中毒时，可充⼊氩⽓到5×10-1P a，开启磁控电源，调节电压值700V左右，发现靶表⾯有浅浅的辉光或⼩的放电点即可，不要再加电压，当靶⾃⾝
溅射⼲净后，可出现正常辉光，电流值0.5-1.2A左右，
电压值350-450V之间
建议：当磁控靶不⽤时，可⽤铁板压住现在的档板，因其间隙太⼤
多弧装饰镀
贝克曼梁
1轰击
抽⾄8×10-3P a后充氩⽓到8×10-2P a，600V×0.6，依次1、2、3、4 各40″2加热
充氩⽓到1×10-1P a，充氮⽓到2×10-1P a，400V×0.7，1，2，3，4共1分钟
3 镀膜
关氩⽓，充氮⽓到4×10-1P a，200V×0.8， 1,2,3,4共3分钟
150V×0.8， 1,2,3,4 共5分钟
100V×0.8， 1,2,3,4 共5分钟
关机
多弧⼯具（以Φ6钻头为例）
1轰击
抽⾄8×10-3P a后充氩⽓到4×10-2P a，600V×0.6，依次1、2、3、4 各40″
900V×0.6依次1、2、3、4 各40″2加热
充氩⽓到4×10-2P a，充氮⽓到2×10-1P a，600V×0.7，1，2，3，4共30″
400V×0.8，1，2，3，4共30″
3 镀膜
关氩⽓，充氮⽓到6×10-1P a，200V×0.8， 1,2,3,4共50分钟
150V×0.8， 1,2,3,4 共10分钟
关机
磁控
1轰击
抽⾄8×10-3P a后充氩⽓到4×10-2P a，600V×0.6，依次1、2、3、4 各40″
900V×0.6 依次1、2、3、4 各40″2加热
充氩⽓到2×10-1P a， 600V×0.7，1，2，3，4共30″
400V×0.8，1，2，3，4共30″
3 镀膜
关弧源后，偏压降到“0”V，再启动磁控靶，辉光正常后，再提升偏压。充氩⽓到3×10-1P a，200V×0.8，磁控靶1，2共3分钟，（350V左右，电流1.7A左右）。
氩⽓不变，充氮⽓到3.5×10-1P a， 200V×0.8，磁控靶1,2，共10分钟
氩⽓不变，充氮⽓到 4×10-1P a， 200V×0.8，磁控靶1,2，共10分钟
氩⽓不变，充氮⽓到5×10-1P a， 200V×0.8，磁控靶1,2，共30分钟
150V×0.8，磁控靶1,2 共10分钟
100V×0.8 磁控靶1，2 共10分钟
关机
注意：当⽤磁控靶时，偏压电源的电压为0V，磁控靶正常起辉后，再提升偏压电源的电压到设定值。磁控靶到⼯件的最佳位置40-60mm.
D等离⼦表⾯冶⾦炉操作规程
1）加弧辉光渗
1.打磨并清洗⼯件，装炉。
2抽真空到极限真空度。
3充氩到15-30Pa。
4.加⼯件偏压400-600V，开弧靶升温到要求温度
5保温1⼩时左右。降温，关炉。
2）双层辉光渗
1.打磨并清洗⼯件，装炉。
2抽真空到极限真空度。
3充氩到30-60Pa。
4.加阴极偏压400-600V，加源极偏压800-1050V，升温到要求
温度
6保温5⼩时左右。降温，关炉。
E辉光离⼦氮化炉操作规程
1.打磨并清洗⼯件，装炉。
2抽真空到极限真空度。
3充氩到300-600Pa。
4.加⼯件偏压400-600V，升温到要求温度520-550℃
7保温7-10⼩时左右。降温，关炉。
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