气相沉积技术及其应用介绍

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：物理气相沉积由真空蒸镀、离子镀和溅射镀三种基本方法组成，后两种属于离子气相沉积。PVD法的重要特点是镀膜沉积温度低，只有500℃左右，而且温度还可以降低，沉积速度快。

气相沉积是一种利用气态物质（气相）中发生的某些物理或化学过程，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，如Ti、V、Ni、W、Mo、Cr等元素，形成碳化物、氮化物和硼化物，这些高熔点、高硬度及与钢基体结合能力强的金属化合物被覆在模具或工具的工作表面，从而使模具获得需要的各种性能，如高硬度、高耐磨性、高耐蚀性等，这便是气相沉积技术所要达到的目的。先进的表面超硬镀层是以TiN、TiC、TiCN、金刚石、立方氮化硼（CBN）等为代表的。

气相沉积的基本过程包括：沉积材料的气相物质（气体原子、离子、分子或集合体）的产生、气相物质的运输、气相物质在工件表面形成固态薄膜三个基本环节。

根据涂层成膜过程的机理不同，气相沉积可分为化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和等离子化学气相沉积（PCVD）三大类。

1.物理气相沉积（PVD）

物理气相沉积是在真空条件下，利用物理方法，将沉积物材料汽化为原子、分子或离子，直接沉积到基体表面形成金属涂层并与反应气体反应生成化合物涂层的方法，称为物理气相沉积法，简称PVD法。

物理气相沉积由真空蒸镀、离子镀和溅射镀三种基本方法组成，后两种属于离子气相沉积。由于加热方法不同和控制粒子运动的方法不同，PVD的种类也就很多，而且还在不断地发展，且每种PVD法都有专用的设备，工艺方法也在不断地研究发展中。目前PVD法有如图4-14所示几种。其中离子镀发展最快。

物理气相沉积（PVD）法与化学气相沉积（CVD）法相比形成涂层的成分相差不大，PVD法工件的温度较低，可减小工件的变形；而PVD法形成的涂层比CVD法要薄，涂层的粘着牢固度要低于CVD涂层。

PVD法的重要特点是镀膜沉积温度低，只有500℃左右，而且温度还可以降低，沉积速度快。虽然镀膜厚度较薄（一般＜5μm），但是能有效地提高模具寿命。如对硬质合金录音机磁头外壳拉深模凸、凹模进行PVD涂复TiN处理，模具寿命提高3倍以上；经低温沉积TiN涂层的电能表拉深模，其使用寿命由原来的2000件提高到2万件以上。但镀膜设备比较复杂，价格高，因此在模具制造上普遍应用受到一定限制。离子镀涂覆层附着力强，硬度高，耐磨性好。常用于冷冲模、压铸模、塑料模等。模具材料低合金工具钢为CrWMn，高速钢为W6Mo5Cr4V2。

图4-14 PVD法基本种类

2.化学气相沉积（CVD）

化学气相沉积（简称CVD）是利用气态物质在固态表面上进行化学反应，生成固态沉积物（表面被覆硬化层）的一种表面强化方法。

这种工艺是将模具工作零件置于抽成真空并通有氢气或氮气的反应室中，同时向反应室通入CH₄和TiCl₄，将温度升至900～1100℃，即发生化学反应，在模具零件表面沉积一层厚度为5～10μm的TiC涂层。由于TiC硬度很高（2000～4000HV），因而气相沉积TiC涂覆层耐磨性极好，而且具有较好的耐蚀性和很小的摩擦因数。

表面强化层除碳化物（TiC）外，还有氮化物（TiN）、硼化物等。

CVD法具有以下一些特点：

1）设备简单，操作维护方便，灵活性强，只要选用不同的原料，采用不同的工艺参数，就可以制备性能各异的单一或复合涂层。

2）由于绕镀性能好，所以可涂覆带有槽、沟、孔、不通孔等各种形状的复杂工件。

3）由于沉积温度高（800～1100℃），涂层与基体之间结合牢靠，经CVD处理的工件，即使在十分恶劣的条件下工作涂层也不易脱落。但对于高温时变形量较大的钢材和尺寸要求特别精密的工件，要考虑变形的影响。

4）涂层致密均匀，并且可以控制其纯度、结构与结晶度。

CVD法适用于各种拉深模、冷挤模、冲裁模、粉末冶金模等。模具材料高铬合金钢Cr12MoV、Cr12应用较多。

3.等离子化学气相沉积（PCVD）

等离子化学气相沉积（简称PCVD）是将低气压气体放电等离子体应用于化学气相沉积中的一项新技术。它是用辉光放电产生的等离子体激活气体分子，使化学气相的化学反应在低的温度下进行，因而也称等离子增强化学气相沉积（PECVD）。

PCVD具有CVD的良好绕镀性和PVD低温沉积的特点，镀TiN时仅需500℃，可以满足要求变形小的复杂模具工作零件的表面强化，可在不耐高温的材料上沉积成膜，膜致密，附着力强。

4.TD覆层处理

TD覆层处理是热扩散法碳化物覆层处理的简称。该工艺由日本丰田中央研究所于20世纪70年代首先研制成功并申请专利，简称TD处理。实际应用最为广泛的是用熔盐浸镀法，在工件表面形成钒碳化物（VC）、铌碳化物（NbC）、铬碳化物（Cr₇C₃＋Cr₂₃ C₆）等超硬覆层，其中VC覆层的应用更广，覆层厚为50μm以上。碳化钒覆层的主要特点如下：

1）覆层硬度高，可达2800～3200HV，远高于渗氮和镀铬（见表4-19），具有良好的表面耐磨性、抗拉伤、抗粘结（咬合）耐蚀性好等性能。

表4-19 几种表面处理及材料硬度比较

2）TD覆层是通过扩散形成的，覆层与基体具有冶金结合，覆层与基体的结合力较镀硬铬和PVD或PCVD的镀层（如镀钛层）高得多，使用中不会脱落，这对在成形模上的应用十分重要。

3）TD处理后可以直接进行淬火，这一点特别适合于各类模具钢材。

4）TD覆层处理可以重复进行。

TD法适用于拉深模、冷挤模、切边模、锤锻模及压铸模等，寿命延长几十倍。

气相沉积技术及其应用介绍

相关推荐