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。
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