直流磁控溅射镀膜在不锈钢刀片涂层技术中的应用
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摘 要：磁控溅射属于一种真空镀膜技术，在微电子、光学薄膜、材料表面处理等众多领域广泛应用。随着磁控溅射镀膜技术的不断发展，其应用范围不断扩大。文章中，主要在探讨磁控溅射镀膜在刀片涂层技术中应用的基础上，对磁控溅射真空镀膜技术的应用机理、靶的结构、靶的选材与提高镀膜质量的方法进行了研究，在文章最后，对磁控溅射镀膜刀片的应用与发展前景进行了探讨。
关键词：磁控溅射；镀膜刀片；涂层技术；应用
1 磁控溅射镀膜机理分析
磁控溅射镀膜所获得的膜层质量较好，膜基强度较高，设计性能较好，广泛应用于刀具涂层中。磁控溅射镀膜机理如下：
1.1 二极直流溅射镀膜
通过离子对靶材表面进行轰击，将靶材原子击出的现象被称为溅射，通过溅射所形成的原子沉积并在基体中成膜的技术，被称之为溅射镀膜技术。二极直流溅射镀膜属于最常见的溅射镀膜，其机理为：通过气体放电形成气体电离，气体电离中正离子在电场影响下，对阴极靶材进行快速轰击，并将阴极靶材中的原子或分子击出，在被镀基体的表面成膜。二极直流溅射镀膜适用于半导体与金属靶材中，但不适用于绝缘材料，且溅射过程中阴极靶电流密度较低，成膜速度速度较慢，在低气压环境中不能进行溅射，气压较低，放电维持困难，气压较高，膜层中存在气体，会影响膜层质量。
1.2 磁控溅射
磁控溅射机理与二极直流溅射机理基本是相同的，但在磁控溅射技术中，在靶的结构中安装了永久磁铁，将电场与磁场正交，并形成正交电磁场。磁场的应用，能够对电子运动方向进行改变，正交电磁场能够约束并延长电子运动轨迹，提高了气体电离率，并实现了电子能量的有效利用。其工作机理如下图：
磁控溅射机理示意图
磁控溅射机理的应用，在高密度等离子体异常辉光放电过程中，在正离子对靶材进行轰击的过程中，所轰击的靶材溅射较之二极直流溅射更加有效。电子被正交电磁场约束，在电子能量完全消耗后，会在基片上进行沉积，形成镀膜。这种磁控溅射机理充分体现了高速与低温两大特征。
2 磁控溅射镀膜在刀片涂层中应用的技术要点
2.1 靶的结构与靶材选择问题
在磁控溅射真空镀膜技术中，磁控溅射靶的类型与结构较多，如下图，为同轴圆柱靶与圆形平面靶：
同轴圆柱靶与圆形平面靶示意图
图中，1：水冷系统；2：阴极体；3：法兰；4：屏蔽罩；5：靶材；6：极靴；7：永磁体；8：螺母；9：密封圈；10：螺帽；11：绝缘；12：压环；13：基片；14：辅助阳极。
靶的结构除了同轴圆柱靶与圆形平面靶以外，还包括矩形平面靶、旋转式圆柱矩形靶、特殊结构靶等。靶型主要是由阴极体、屏蔽罩、靶材、永磁体、压环、基片、辅助阳极等共同组成。根据刀片涂层的用途及对膜性能的要求选择合适的靶型。
2.2 合理布局靶内永久磁铁，保证膜层均匀性
靶内永久磁铁的布局直接影响着靶的溅射率，影响着膜层的均匀性。这是因为磁控溅射情况下的膜层均匀性与靶材溅射率是磁场强度存在着极大关系。为此，在进行靶内永久磁铁的设计时，需要通过合理分析，保证永久磁铁在靶内布局的合理性。在磁场强度要求下，引入导磁极靴，保证磁场强度水平分量分布均匀，从而提高膜层均匀性与溅射速率。
2.3 增加镀膜稳定性及强度
选择合适的基片温度，气体压强沉积速率等磁控溅射工艺参数，提高设备构建焊缝质量，结合膜的性能要求，对溅射参数进行科学调整，能够有效提高膜与不锈钢刀片基片界面之间的附着强度。
2.4 提高膜纯度
在靶材结构中设置屏蔽罩，通过屏蔽罩进行非靶材零件发射电子的截获，从而让其非靶材电子不产生辉光放电，提高膜的纯度。
磁控溅射所获得膜层具有着质量高，可设计性强，膜基结合强度较高等较多优势，在刀具涂层中应用十分广泛。TiN属于一种硬质薄膜材料，TiN膜硬度在20GPa左右，其抗机械性能与抗磨损性能较好，且与基体结合牢固性较强，多被应用于刀片涂层的底模中。在TiN薄膜材料的基础上，逐渐发展处了较多的薄膜材料，膜层逐渐向多元化与复合化发展。如在TiN涂层的基础上掺入Al元素，形成一种新型的TiAIN涂层，TiAIN涂层具备更高的硬度，耐热温度也大幅度提高。
随着现代制造业及科学技术的不断发展，难以进行加工的材料越来越多，如何提高不锈钢刀片刃口的硬度及性能成为了研究的重点。将磁控溅射应用于提升不锈钢刀片刃口涂层中，如利用射频电源，通过反应磁控溅射技术可以获得金刚石涂层，从而提高刀片刃口硬度。然而这种涂层膜基结合牢固性不足。类金刚石涂层是当前研究与应用较多的一种超硬薄膜，具备着摩擦系数低、硬度高、耐腐蚀性能好、生物相容性优良等较多优势，在刀片刃口涂层应用中效果十分明显。类金刚石薄膜制备的技术较多，如激光束蒸发、离子束溅射、脉冲高能量密度等离子体技术、磁控溅射技术等，因磁控溅射镀膜法沉积速率较快，沉积温度较低，且薄膜均匀性较好，被广泛应用。
当前，刀片刃口涂层发展主要表现为两种趋势，第一种趋势为减少涂层摩擦系数，进行自涂层的开发；第二种趋势为提高刀片刃口硬度，进行超硬材料开发工作。磁控溅射属于一种先进实用的真空镀膜方法，在电子领域、光学领域、材料处理、刀片刃口表面处理等众多领域内获得了广泛应用。相信随着时代的发展，磁控溅射镀膜技术会在更多领域内发挥着重要作用。
4 结束语
磁控溅射为一种新型的真空镀膜技术，在不锈钢刀片涂层中应用磁控溅射技术，能够有效提高刀片的硬度及整体性能。磁控溅射在微电子、光学薄膜、材料表面处理领域获得了广泛应用。在本文中，主要对磁控溅射的工作原理、磁控溅射镀膜在刀片涂层中应用的技术要点、磁控溅射镀膜在不锈钢刀片涂层技术中的应用及前景进行了探讨。相信在未来，磁控溅射技术将会在更多领域内发挥更大作用，获得更好的综合效益。
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