硬質合金刀具的CVD(化學氣相沉積)技術鍍膜設備涂層技術

1.  摘要

2.  真空涂層技術的發展

　　鍍膜設備技術起步時間不長，國際上在上世紀六十年代才出現將CVD(化學氣相沉積)技術應用于硬質合金刀具上。由于 該技術需在高溫下進行(工藝溫度高于 1000oC)，涂層種類單 一，局限性很大，因此，其發展初期未免差強人意。

　　到了上世紀七十年代末，開始出現 PVD(物理氣相沉積) 技術，為真空涂層開創了一個充滿燦爛前景的新天地，之后在短短的二、三十年間PVD 涂層技術得到迅猛發展，究其原因，是 因為其在真空密封的腔體內成膜，幾乎無任何環境污染問題， 有利于環保；因為其能得到光亮、華貴的表面，在顏色上，成熟 的有七彩色、銀色、透明色、金黃色、黑色、以及由金黃色到黑色之 間的任何一種顏色，可謂五彩繽紛，能夠滿足裝飾性的各種需要；又由于 PVD 技術，可以輕松得到其他方法難以獲得的高硬 度、高耐磨性的陶瓷涂層、復合涂層，應用在工裝、模具上面，可以使壽命成倍提高，較好地實現了低成本、高收益的效果；此外， PVD 涂層技術具有低溫、高能兩個特點，幾乎可以在任何基材上成膜，因此，應用范圍十分廣闊，其發展神速也就不足為奇。 真空涂層技術發展到了今天還出現了PCVD(物理化學氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學氣相沉積)等新技術，各種涂層設備、各種涂層工藝層出不窮，如今在這一領域中，已呈現出百花齊放，百家爭鳴的喜人景象。

　　與此同時，我們還應該清醒地看到，真空涂層技術的發展 又是嚴重不平衡的。由于刀具、模具的工作環境極其惡劣，對薄膜附著力的要求，遠高于裝飾涂層。因而，盡管裝飾涂層的廠家 已遍布各地，但能夠生產工模涂層的廠家并不多。再加上刀具、 模具涂層售后服務的欠缺，到目前為止，國內大多數涂層設備 廠家都不能提供完整的刀具涂層工藝技術(包括前處理工藝、涂層工藝、涂后處理工藝、檢測技術、涂層刀具和模具的應用技術等)，而且，它還要求工藝技術人員，除了精通涂層的專業知識以外，還應具有扎實的金屬材料與熱處理知識、工模涂層前表 面預處理知識、刀具、模具涂層的合理選擇以及上機使用的技術 要求等，如果任一環節出現問題，都會給使用者產生使用效果不理想這樣的結論。所有這些，都嚴重制約了該技術在刀具、模具上的應用。

　　另一方面，由于該技術是一門介乎材料學、物理學、電子、化學等學科的新興邊緣學科，而國內將其應用于刀具、模具生產領 域內的為數不多的幾個骨干廠家，大多走的也是一條從國外引進先進設備和工藝技術的路子，尚需一個消化、吸收的過程，因此，國內目前在該領域內的技術力量與其發展很不相稱，急需奮起直追。

3.  PVD 涂層的基本概念及其特點

　　PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的縮寫形式，意思 是物理氣相沉積。我們現在一般地把真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍等都稱為物理氣相沉積。

　　較為成熟的 PVD 方法主要有多弧鍍與磁控濺射鍍兩種方式。 多弧鍍設備結構簡單，容易操作。它的離子蒸發源靠電焊機電源 供電即可工作，其引弧的過程也與電焊類似，具體地說，在一定工藝氣壓下，引弧針與蒸發離子源短暫接觸，斷開，使氣體放電。由于多弧鍍的成因主要是借助于不斷移動的弧斑，在蒸發源表面上連續形成熔池，使金屬蒸發后，沉積在基體上而得到 薄膜層的，與磁控濺射相比，它不但有靶材利用率高，更具有 金屬離子離化率高，薄膜與基體之間結合力強的優點。此外，多 弧鍍涂層顏色較為穩定，尤其是在做 TiN 涂層時，每一批次均 容易得到相同穩定的金黃色，令磁控濺射法望塵莫及。多弧鍍的不足之處是，在用傳統的 DC 電源做低溫涂層條件下，當涂層厚度達到0.3μm 時，沉積率與反射率接近，成膜變得非常困難。而且，薄膜表面開始變朦。多弧鍍另一個不足之處是，由于金屬是熔后蒸發，因此沉積顆粒較大，致密度低，耐磨性比磁控濺射法成膜差。

　　可見，多弧鍍膜與磁控濺射法鍍膜各有優劣，為了盡可能 地發揮它們各自的優越性，實現互補，將多弧技術與磁控技術合而為一的涂層機應運而生(如圖1)。在工藝上出現了多弧鍍 打底，然后利用磁控濺射法增厚涂層，最后再利用多弧鍍達到 最終穩定的表面涂層顏色的新方法。

大約在八十年代中后期，出現了熱陰極電子槍蒸發離子鍍、熱陰極弧磁控等離子鍍膜機，應用效果很好，使TiN 涂層刀具很快得到普及性應用。其中熱陰極電子槍蒸發離子鍍，利用銅坩 堝加熱融化被鍍金屬材料，利用鉭燈絲給工件加熱、除氣，利用電子槍增強離化率，不但可以得到厚度 3~5μm的TiN 涂層，而且其結合力、耐磨性均有不俗表現，甚至用打磨的方法都難以除去。但是這些設備都只適合于 TiN涂層，或純金屬薄膜。對于多 元涂層或復合涂層，則力不從心，難以適應高硬度材料高速切 削以及模具應用多樣性的要求。