1、PVD涂层技术及工艺流程1 .真空涂层技术的发展真空涂层技术起步时间不长，国际上在上世纪六十年代才出现将CVD（化学气相沉积）技术应用于硬质合金刀具上。由于该技术需在高温下进行（工艺温度高于1000 oC）,涂层种类单一，局限性很大，因此， 其发展初期未免差强人意。到了上世纪七十年代末， 开始出现PVD（物理气相沉积）技术，为真空涂层开创了一个充 满灿烂前景的新天地，之后在短短的二、三十年间PVD涂层技术得到迅猛发展， 究其原因， 是因为其在真空密封的腔体内成膜，几乎无任何环境污染问题，有利于环保；因为其能得到光亮、华贵的表面，在颜色上，成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金 黄
2、色到黑色之间的任何一种颜色，可谓五彩缤纷，能够满足装饰性的各种需要；又由于PVD技术，可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层，应用在工装、模具上面，可以使寿命成倍提高，较好地实现了低成本、高收益的效果；此外，PVD涂层技术具有低温、高能两个特点，几乎可以在任何基材上成膜， 因此，应用范围十分广阔， 其发展神速也就不足为奇。真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD（物理化学气相沉积卜MT-CVD（中温化学气相沉积）等新技术，各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷，如今在这一领域中，已呈现 出百花齐放，百家争鸣的喜人景象。与此同时，我们还应该清醒地看到，真空涂层技术的发展又
3、是严重不平衡的。由于刀具、模具的工作环境极其恶劣，对薄膜附着力的要求，远高于装饰涂层。因而， 尽管装饰涂层的厂家已遍布各地，但能够生产工模涂层的厂家并不多。再加上刀具、模具涂层售后服务的欠缺，到目前为止，国内大多数涂层设备厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术（包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具和模具的应用技术等），而且，它还要求工艺技术人员，除了精通涂层的专业知识以外，还应具有扎实的金属材料与热处理知 识、工模涂层前表面预处理知识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术所有要求等，如果任一环节出现问题， 都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。这些，都严重制约了该
4、技术在刀具、模具上的应用。另一方面，由于该技术是一门介乎材料学、物理学、电子、化学等学科的新兴边缘学科，而国内将其应用于刀具、 模具生产领域内的为数不多的几个骨干厂家，大多走的也是一条从国外引进先进设备和工艺技术的路子，尚需一个消化、吸收的过程，因此，国内目前在该领 域内的技术力量与其发展很不相称，急需奋起直追。2 .PVD涂层的基本概念及其特点PVD是英文PhysicalVaporDeposition 的缩写形式，意思是物理气相沉积。我们 现在一般地把真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等都称为物理气相沉积。较为成熟的PVD方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。多弧镀设备结构简单，容易操作。它的离子蒸
5、发源靠电焊机电源供电即可工作，其引弧的过程也与电焊类似，具体地说，在一定工艺气压下，引弧针与蒸发离子源短暂接触，断开，使气体放电。由于多弧镀的成因主要是借助于不断移动的弧斑， 在蒸发源表面上连续形成熔池，使金属蒸发后，沉积在基体上而得到薄膜层的，与磁控溅射相比，它不但有靶材利用率高，更具有金属离子离化率高，薄膜与基体之间结合力强的优点。 此外，多弧镀涂层颜色较为稳定，尤其是在做TiN涂层时，每一批次均容易得到相同稳定的金黄色，令磁控溅射法望尘莫及。多弧镀的不足之处是，在用传统的DC电源做低温涂层 条件下，当涂层厚度达到 0.3 m时，沉积率与反射率接近，成膜变得非常困难。而且，薄 膜表面开始变
6、朦。多弧镀另一个不足之处是，由于金属是熔后蒸发，因此沉积颗粒较大，致密度低，耐磨性比磁控溅射法成膜差。可见，多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣，为了尽可能地发挥它们各自的优越性，实现互补，将多弧技术与磁控技术合而为一的涂层机应运而生。在工艺上出现了多弧镀打底， 然后利用磁控溅射法增厚涂层，最后再利用多弧镀达到最终稳定的表面涂层颜色的新方法。大约在八十年代中后期，出现了热阴极电子枪蒸发离子镀、热阴极弧磁控等离子镀膜机，应用效果很好，使 TiN涂层刀具很快得到普及性应用。其中热阴极电子枪蒸发离子镀，利 用铜塔期加热融化被镀金属材料，利用铝灯丝给工件加热、除气，利用电子枪增强离化率，不但可以得到厚度
7、35口的TiN涂层，而且其结合力、耐磨性均有不俗表现，甚至用打 磨的方法都难以除去。但是这些设备都只适合于TiN涂层，或纯金属薄膜。对于多元涂层或复合涂层，则力不从心，难以适应高硬度材料高速切削以及模具应用多样性的要求。3 .现代涂层设备（均匀加热技术、温度测量技术、非平衡磁控溅射技术、辅助阳极技术、 中频电源、脉冲技术）现代涂层设备主要由真空室、真空获得部分、真空测量部分、电源供 给部分、工艺气体输入系统、机械传动部分、加热及测温部件、离子蒸发或溅射源、水冷系 统等部分组成。3.1 真空室涂层设备主要有连续涂层生产线及单室涂层机两种形式，由于工模涂层对加热及机械传动部分有较高要求， 而且工模
8、形状、尺寸千差万别，连续涂层生产线通常难以满足要求，须 采用单室涂层机。3.2 真空获得部分在真空技术中，真空获得部分是重要组成部分。 由于工模件涂层高附着力的要求， 其涂 层工艺开始前背景真空度最好高于 6mPa，涂层工艺结束后真空度甚至可达 0.06mPa以上, 因此合理选择真空获得设备，实现高真空度至关重要。就目前来说，还没有一种泵能从大气压一直工作到接近超高真空。因此，真空的获得不是一种真空设备和方法所能达到的，必须将几种泵联合使用，如机械泵、分子泵系统等。3.3 真空测量部分真空系统的真空测量部分，就是要对真空室内的压强进行测量。像真空泵一样，没有一种真空计能测量整个真空范围，人们于
9、是按不同的原理和要求制成了许多种类的真空计。3.4 电源供给部分靶电源主要有直流电源 （如MDX）、中频电源（如美国AE公司生产的PE、PEII、PINACAL）; 工件本身通常需加直流电源 （如MDX）、脉冲电源（如美国AE公司生产的PINACAL+）、或射 频电源（RF）。工艺气体，如僦气（Ar）、氟气（Kr）、氮气（N2）、乙快（C2H2）、甲烷（CH4）、氢气（H2）、氧气（O2）等，一般均由气瓶供应，经气体减压阀、气体截止阀、管路、气体流量计、电磁 阀、压电阀，然后通入真空室。这种气体输入系统的优点是，管路简捷、明快，维修或更换 气瓶容易。各涂层机之间互不影响。也有多台涂层机共用一组
10、气瓶的情况，这种情况在一些规模较大的涂层车间可能有机会看到。它的好处是，减少气瓶占用量，统一规划、统一布局。缺点是，由于接头增多，使漏气机会增加。而且，各涂层机之间会互相干扰，一台涂层机的 管路漏气，有可能会影响到其他涂层机的产品质量。此外，更换气瓶时，必须保证所有主机都处于非用气状态。3.6 机械传动部分刀具涂层要求周边必须厚度均匀一致，因此，在涂层过程中须有三个转动量才能满足要求。即在要求大工件台转动 （I）的同时，小的工件承载台也转动 （II），并且工件本身还能同时自 转（III）。在机械设计上，一般是在大工件转盘底部中央为一大的主动齿轮，周围是一些小的星行轮与之啮合，再用拨叉拨动工件自
11、转。 当然，在做模具涂层时，一般有两个转动量就足够了， 但是齿轮可承载量必须大大增强。3.7 加热及测温部分做工模涂层的时候，如何保证被镀工件均匀加热比装饰涂层加热要重要得多。工模涂层设备一般均有前后两个加热器，用热电偶测控温度。但是，由于热电偶装夹的为置不同，因而，温度读数不可能是工件的真实温度。要想测得工件的真实温度，有很多方法，这里介绍一种简便易行的表面温度计法（SufaceThermomeer）。该温度计的工作原理是，当温度计受热，底部的弹簧将受热膨胀，使指针推动定位指针旋转， 直到最高温度。降温的时候，弹簧收缩， 指针反向旋转，但定位指针维持在最高温度位置不 动，开门后，读取定位指针
12、指示的温度，即为真空室内加热时，表面温度计放置位置所曾达到的最高温度值。3.8 离子蒸发及溅射源多弧镀的蒸发源一般为圆饼形，俗称圆饼靶，近几年也出现了长方形的多弧靶，但未见有明显效果。圆饼靶装在铜靶座 (阴极座)上面，两者为罗纹连接。靶座中装有磁铁，通过前 后移动磁铁，改变磁场强度，可调整弧斑移动速度及轨迹。为了降低靶及靶座的温度，要给靶座不断通入冷却水。 为了保证靶与靶座之间的高导电、导热性，还可以在靶与靶座之间加锡(Sn)垫片。磁控溅射镀膜一般采用长方形或圆柱形靶材，3.9 水冷系统因为工模涂层时，为了提高金属原子的离化率，各个阴极靶座都尽可能地采用大的功率 输出，需要充分冷却；而且，工模
13、涂层中的许多种涂层，加热温度为400500 oC,因此，对真空室壁、对各个密封面的冷却也很重要，所以冷却水最好采用1820 oC左右的冷水机供水。为了防止开门后，低温的真空室壁、阴极靶与热的空气接触析出水珠，在开门前10分钟左右，水冷系统应有能力切换到供热水状态，热水温度约为4045 oCo4.工模具PVD的工作步骤工模具PVD基本工艺流程可简述为：IQC一前处理一 PVD -FQC,分别介绍如后。4.1IQCIQC(InQualityControl)的主要工作除了常规的清点数量检查图纸与实物是否相符外， 还须仔细检查工件表面，特别是刃口部位有无裂纹等缺陷。 有时对于一些刀具、刀粒的刃口，在体
14、式显微镜下观察，更方便发现问题；另外，IQC的人员还要注意检查待镀膜件有无塑胶、低熔点的焊料等，这些东西如果因漏检而混入镀膜程序，则将在真空室内严重放气，轻者造成整批产品脱涂层，重者使原本OK的产品报废，后果不堪设想。4.2前处理工艺(蒸汽枪、喷砂、抛光、清洗 )前处理的目的是净化或粗化工件表面。净化就是要去除各种表面玷污物，制备洁净表面。通常使用各种净化剂，借助机械、物理或化学的方法进行净化。粗化与光蚀相反，其目的在于制备粗糙的表面以提高喷涂层或涂料装饰的结构强度。我们现在已有的前处理主要方法为：高温蒸洗、清洗、喷砂、打磨、抛光等方法。4.2.1高温蒸洗目前，PVD车间常用的高温蒸洗设备是蒸
15、汽枪。它的最大工作温度可达145?C ,气压在35巴左右。由于模具中经常带有一些细小孔、螺纹孔，孔内中常常有油污、残余冷却 液等杂质，用常规清洗的方法难以除去。此时，高温蒸洗设备便可最大程度的发挥它的优越性。4.2.2清洗各厂工模涂层前清洗程序大致如下：1.超声波除蜡一 2.过水一 3.超声波除油 4.过水一 5.超声波自换一 6.过水一 7.过纯水一 8. 强风干燥具体实施时，与我们所熟悉的装饰涂层前的清洗又有许多不同。这是因为装饰涂层的底材大多为不锈钢或钛合金，不容易生锈。此外，装饰涂层对水印、点痣等缺陷是绝对不允许的。因此，装饰涂层对纯水的水质要求极高，甚至要达到15M 以上。要保证清洗
16、的高质量，可以通过反复清洗， 并在高质量的纯水加超声波中长时间浸泡来得到。但是，工模的清洗就不同，尤其是一些热做模具钢，如果像装饰涂层那样去清洗，就会锈得一塌糊涂。由于工模涂层的原始表面状态，除了一些高标准的镜面模具以外，一般较装饰涂层要粗糙，因而，对涂层后的表面状态的要求也不象装饰涂层那样高，这就允许我们采取快速过水，用干燥、无油的压缩空气吹干，然后对工模强风干燥的方法来处理。而那些高标准的镜面模具，一般均为136等不锈钢，可以借用装饰涂层的清洗法。总而言之，工模涂层前的清洗方法因工模所使用的材料的不同而不同，因工模涂层前的表面状态的不同而不同，且不可千篇一律。下面是几种材料生锈由难到易的排
17、序，供参考：不锈钢、硬质合金、金属陶瓷合金、DC53、高速钢、8407有一种自动清洗机型号为CR288 ,产自德国。该机一次最大清洗量为80KG ,主要用于清洗刀具、小型零部件、或小尺寸的模具。它共有三个清洗缸，里面的溶液分别为自来水 +清洗剂、自来水、去离子水。除了常见的超声波、 大水冲洗、喷淋、摆动、热风干燥等功能外，该机另外一个优点是最后设有抽真空步骤，可以使水分尽 快挥发掉。自动清洗机内存十种工艺，均由供方预先设定。 一至九可分别用于不同类型的产品、不同的表面状态的净化处理。第十种用于加注清洗剂。4.2.3喷砂喷砂法是借助压缩空气使磨料强力冲刷工件表面，从而去除锈蚀、积碳、焊渣、氧化皮
18、、残盐、旧漆层等表面缺陷。按磨料使用条件，喷砂分为干喷砂与湿喷砂两类。喷砂的工艺参数主要有枪距、倾角、装夹台旋转速度、移动速度、行程、往返次数、喷 砂时间、喷砂气压。我们已使用过的参数有枪距：3070mm;倾角3070?C;装夹台旋转速度1030;往返次数39次;喷砂气压：1.83.5巴等。具体操作时，根据工件表面脏污程度， 工件硬度，工件表面几何形状等因素，选取上下限。我们在干喷砂机中所选用的磨料为玻璃 珠，适合喷一些硬度介中的材料，如油钢、模具等；在液体喷砂机中所选用的磨料为氧化铝， 硬度较高，适合喷一些硬度高的材料，如硬质合金材料。对于工模涂层而言，喷砂所使用的磨料粒度也很重要。如果磨料
19、粒度过大，则工件表面太粗糙；如果磨料粒度太小，又会降低冲击力度，甚至嵌在工件表面，清洗难以去除，从而使工件涂层附着力降低。为此，欧洲一 些国家，对工模涂层前喷砂所用磨料粒度做过仔细研究，严格到必须保证85%以上的晶粒度在中 A、B两点范围内才能使用。相比之下，我国磨料的供应商还缺乏这方面的共识， 我们也很少有做这方面的 检验。4.3 PVD涂层工艺(加热、离子清洗、涂层、冷却、工艺气体、气压、温度、溅射功率)4.4 FQCFQC的英文全拼为：FunctionQualityControl ”,意思是功能质量控制，它有别与 一般意义上的 OQC(OutQualityControl) 。 FQC的内
20、容主要包括外观检查、层深检查、附 着力检查、耐磨性检查、抗蚀性检查、模拟性测试等方法。我厂目前应用的主要有外观检查、因而我们层深检查和附着力检查。 由于我们所接触的产品大多都是不允许做破坏性检查的,在镀膜时，每批都会放进随批试样。 做层深检查和附着力检查的时候，大多数情况下，实际上是对随批试样进行检查。因为试样与产品在原材料、热处理状态、面夹位置等方面都难于 一致，所以这样检测出的结果，与产品实际值会有一定的误差。有时可能还会有相当大的误差，只能做参考使用。当然，必要的时候，我们也可以通过制作模拟件，达到准确测量的目 的。4.4.1外观检查对于开门取件后的产品，应仔细检查表面有无裂纹、掉涂层、
21、疏松等缺陷。对于刀具、 刀粒，还需在显微镜下仔细检查它们的刃口状态。4.4.2层深检查层深检查有切片金相观察法、X-ray检查法、用单色光做光源的光学测试法、球磨仪测试法等多种方法。工模涂层的层深检查是在球磨仪上进行的。方法是先用直径为10mm的钢球与测试表面滚磨，然后在显微镜下测量磨痕的有关数据，带入公式中，即可方便算出层深。这种层深检查法的特点是：方便适用，误差稍大。但这种误差应用于工模上面影响不会 太大。有兴趣的同事还可参阅有关的说明书。附着力的检查方法有很多，各个厂根据自己产品的特点，都制定了相应的检测方法。其中，比较权威的方法有两种， 一种是在洛氏硬度计上，以圆锥型金刚石压头做压痕试
22、验，在显微镜下观察，以压痕周边裂纹的多少来判断涂层附着力的高低。该方法对金刚石压头的形状要求很高，不但严格要求中心点在圆的中心，而且金刚石圆锥的圆度必须十分规则。遗憾的是，目前，我国还没有它的国家或行业标准；另一种方法是划痕法， 我国有些涂层发起较早的科研部门，也是采用的该方法， 有专门的国家行业标准可供查询。5 .工装夹具的处理6 .涂后处理工艺（喷砂、涂脂技术，抛光处理 ）7 .检测技术（结合力的检测、层深的检测、酸蚀 ）8 .涂层剥离技术（TiN/TiAlN 的剥离技术、CrN/DLC/CrAlTiN的剥离技术、硬质合金的表面涂层剥离技术）9 .涂层刀具的应用技术（涂层的正确选择、涂层刀具的正确使用涂层对刀具的优化非常大，由于高速切削加工比传统切削加工所产生的温度要高，应用涂层，可以发挥其耐高温、抗氧化及加硬材质等作用。例如，氮化铭 （CrN）涂层可降低磨擦系数，改善光洁度及排屑情况
