真空涂层技术的发展

真空涂料技术的发展

1、真空涂层技术起步时间不长，直到20世纪60年代才出现CVD硬质合金刀具采用化学气相沉积技术。 该技术需在高温下进行(工艺温度高于 1000oC)，涂料种类单一，局限性大，因此其发展初期并不令人满意。

二、七十年代末开始出现 PVD(物理气相沉积) 技术为真空涂层创造了一个充满光明前景的新世界，然后在短短的二三十年里PVD 涂层技术之所以发展迅速，是因为它在真空密封腔内成膜，几乎没有环境污染问题，有利于环境保护；因为它可以得到明亮奢华的表面，在颜色上，成熟的有五颜六色、银色、透明色、金黄色、黑色，以及从金黄色到黑色的任何颜色，可以说是五颜六色，可以满足各种装饰需求；因为 PVD 该技术可以轻松获得高硬度、高耐磨性的陶瓷涂合涂层，应用于工具、模具，可使寿命翻倍，更好地实现低成本、高回报的效果；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，其应用范围非常广泛，其快速发展也就不足为奇了。如今，真空涂层技术仍在发展PCVD(物理化学气相沉积)MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术层出不穷，各种涂层设备和工艺层出不穷。如今，在这一领域，百花齐放，百家争鸣。如今，真空涂层技术仍在发展PCVD(物理化学气相沉积)MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术层出不穷，各种涂层设备和工艺层出不穷。如今，在这一领域，百花齐放，百家争鸣。

与此同时，我们也应该清楚地看到，真空涂层技术的发展是严重不平衡的。由于刀具和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。因此，虽然装饰涂料的厂家遍布全国，但能生产工模涂料的厂家并不多。此外，由于缺乏刀具和模具涂料的售后服务，到目前为止，大多数国内涂料设备制造商无法提供完整的工具涂料技术（包括预处理技术、涂料技术、涂料后处理技术、检测技术、涂料工具和模具应用技术等）。此外，它还需要技术人员，除了精通涂层的专业知识外，还应具有扎实的金属材料和热处理知识、模具涂层前表面预处理知识、刀具、模具涂层的合理选择和计算机使用的技术要求。如果任何环节都有问题，就会给用户一个使用效果不理想的结论。所有这些都严重限制了该技术在刀具和模具中的应用。所有这些都严重限制了该技术在刀具和模具中的应用。

四、 另一方面，由于该技术是一门介于材料、物理、电子、化学等学科的新兴边缘学科，国内应用于刀具、模具生产领域为数不多的骨干制造商，其中大部分也是从国外引进先进设备和技术的途径，仍需要消化、吸收过程，因此，国内技术实力与其发展非常不相称，急需赶上。

五、PVD (Physical Vapor Deposition) 即物理气相沉积，分为：真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。我们通常所说的PVD镀膜 ，指真空离子涂层；通常说NCVM涂层是指真空蒸发涂层和真空溅射涂层。

6、真空蒸发的基本原理：在真空条件下，蒸发金属和金属合金，然后沉积在基体表面。蒸发方法通常采用电阻加热、电子束轰击涂层，使蒸发成气相，然后沉积在基体表面。在历史上，真空蒸发是PVD较早的技术用于法中。

七、溅射涂层基本原理：充氩：(Ar)氩气在真空条件下放电，然后氩气(Ar)原子电离成氩离子(Ar )，氩离子在电场力的作用下，加速对镀层阴极靶材的轰击，会溅出并沉积在工件表面。 溅射涂层中的入射离子通常通过光放电获得l0-2Pa～10Pa因此，溅出的颗粒在飞向基体的过程中，容易与真空室内的气体分子碰撞，使运动方向随机，沉积的膜容易均匀。

8、离子镀的基本原理：在真空条件下，采用一定的等离子体电离技术将镀层原子部分电离成离子，产生大量高能中性原子，在镀层基体上增加负偏压。这样，在深度负偏压的作用下，离子沉积在基体表面形成薄膜。

九、离子镀工艺：蒸发材料颗粒作为高压阴极（即工件）吸引的高能离子，以高速注入工件表面。

十、离子镀的作用如下：

蒸发源连接阳极，工件连接阴极，蒸发源与工件之间通过三到五千伏高压直流产生光放电。由于真空罩中充满惰性氩气，部分氩气在放电场的作用下被电离，因此在阴极工件周围形成一等离子暗区。带正电荷的氩离子被阴极负高压吸引，猛烈轰击工件表面，导致工件表面颗粒和污垢溅出，使工件待镀表面得到充分的离子轰击清洗。接通蒸发源交流电源，蒸发料颗粒熔化蒸发，进入辉光放电区，电离。在阴极的吸引下，带正电荷的蒸发离子与氩离子一起冲向工件。当工件表面的蒸发离子超过溅出离子的数量时，逐渐积累形成一层粘附在工件表面的涂层。这是离子镀的简单工艺。

三种涂层方法的比较：

PVD四个技术步骤

(1)清洗工件:接通直流电源，氩气将光放电为氩离子，氩离子轰击工件表面，工件表面的颗粒和污垢被溅出；

(2)镀料气化:即进入交流电后，镀料蒸发气化。

(3)涂层离子的迁移:原子、分子或离子通过气化源的碰撞和高压电场高速冲向工件；

（4）涂层原子、分子或离子沉积在基体上：当工件表面的蒸发离子超过溅出离子的数量时，逐渐积累，形成一层粘附在工件表面的涂层。

离子镀时，蒸发粒子电离后具有3000-5000电子伏特的动能。高速轰击工件时，不仅沉积速度快，还能穿透工件表面，形成注入基体深度的扩散层。离子镀的界面扩散深度可达4-5微米，即比普通真空涂层深几十倍甚至几百倍，因此相互粘附。

十一、PVD 涂层的基本概念及其特点

PVD 是英文“Physical Vapor Deposition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 主要有多弧镀和磁控溅射镀。多弧镀设备结构简单，操作方便。其离子蒸发源可通过焊机电源工作，其电弧引导过程与焊接相似。具体来说，在一定的工艺气压下，电弧引导针与蒸发离子源短接触，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，多弧涂层的颜色相对稳定，特别是在 TiN 涂层时，每一批都容易得到同样稳定的金黄色，使磁控溅射法达不到灰尘。多弧镀的缺点在于传统的应用 DC 在低温涂层条件下，当涂层厚度达到0时.3μm 当沉积率接近反射率时，成膜变得非常困难。而且，薄膜表面开始变朦胧。多弧镀的另一个缺点是，由于金属熔化后蒸发，沉积颗粒大，密度低，耐磨性比磁控溅射法差。

可以看出，多弧涂层和磁控溅射涂层各有优缺点，为了尽可能多 充分发挥各自的优势，实现互补性，将多弧技术与磁性控制技术相结合的涂层机应运而生。多弧涂层底座出现在工艺中，然后采用磁性控制溅射法增厚涂层，较后采用多弧涂层实现较终稳定的表面涂层颜色。

20世纪80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，具有良好的应用效果TiN 涂层刀具应用迅速。其中，热阴极电子枪蒸发离子镀，铜坩埚加热熔化镀金属材料，钽灯丝加热除气，电子枪增强离化率，不仅可以获得厚度 3~5μm的TiN 涂层，其结合力和耐磨性都表现良好，甚至很难通过抛光去除。但这些设备只适合 TiN涂层，或纯金属薄膜。对于多层涂层或复合涂层，很难适应高硬度材料的高速切割 模具应用多样性的切割和要求。