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薄膜人生

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物理气相沉积(PVD  

2010-04-16 10:18:00|  分类: PVD |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、PVD技术的发展与应用

PVD技术(物理气相沉积技术)出现于上世纪七十年代末期,由于其工艺处理温度可控制在150~500℃以下,因此可作为最终处理工艺用于多种材质基体的涂层,不仅具有多姿多彩的装饰效果,更重要的是采用PVD技术可使涂层具有优异的理化特性,大幅度强化基体表面诸如硬度,摩擦系数等物理特性指标。因可有效提高加工刀具的切削性能,所以该项技术在八十年代得到迅速推广应用,八十年代末工业发达国家复杂高速钢刀具PVD涂层比例已超过了60%。

PVD工艺对环境没有不利影响,符合目前绿色工业的发展方向;此外,随着高速切削加工时代的到来,高速钢刀具应用比例的下降,硬质合金、陶瓷刀具应用比例的上升已成为必然,因此工业发达国家自九十年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD涂层技术的研究,九十年代中期,硬质合金刀具PVD涂层技术已取得了突破性的进展,并普遍用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。

目前PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度,涂层成分也由第一代的TiN发展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多种多元复合涂层,且由于纳米级涂层的出现,使得PVD涂层刀具质量又有了新的突破,这种薄膜涂层不仅结合强度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好,并可有效地控制精密刀具刃口形状及精度。

 

二、离子镀膜技术的特点和用途

金属在特定的环境下(压力,温度,电磁场等)与各种气体(氮气,氩气,氧气及乙炔气等)产生综合作用形成等离子体,经过加速后,等离子体涌向被镀工件表面,形成牢固的膜层。用此法镀制的膜层细密均匀,结合力强,硬度高,防腐耐磨,具有良好的导电性和自润滑性能,同时色泽丰富多样,不仅是提高材料使用性能的有力手段,在装饰上同样是提升档次,提高附加价值的最佳选择。

离子镀膜设备和技术因其生产效率高,成本低,操作简便,无污染等特点在功能性和装饰性涂层领域发挥着无可替代的作用。

1、工艺性镀膜:提高工件表面理化特性的镀膜可使其使用寿命及生产效率成倍提高。如在切削刀具上镀制2~5μm的TiN膜层,可使刀具寿命提高2~10倍,提高切削速度30%,提高进给量20~100%,且使加工工件的光滑度提高一个等级。

2、装饰性镀膜:离子镀膜设备可制备多种色泽的膜层,由浅到深的金黄色,黑色,蓝色以及彩色和复合色等等,在钟表首饰,灯具厨具及各种装饰性材料的加工过程中已被广泛运用。

 

三、设备种类及结构配置

真空离子镀膜(PVD物理气相沉积)设备按照镀膜方式的不同可分为多弧离子镀膜机和磁控溅射离子镀膜机以及两种不同镀膜方式同时安装性能互补的复合真空镀膜机。在镀膜加工领域,根据膜层特性的需要选择相应的镀膜系统可使膜层品质实现质的飞跃。

1、类别型号(例)

某系列多弧离子镀膜设备按真空室尺寸及离化源数量可分为:LD400;LD600;LD800;LD10及LD12等。

根据控制方式可划分为普通型(B)和自动型(A)

某系列离子镀膜机设备

机 型

LD-400

LD-600

LD-800

LD-10

LD-12

镀膜室尺寸

(mm)

Φ×H

500×600

Φ×H

800×800

Φ×H

800×1000

Φ×H

1000×1000

Φ×H

1200×1300

极限真空度(冷态)

优于<8×10-4Pa

弧靶个数

4

6

8

10

12

排空时间

从大气抽真空至7×10-3Pa<20分钟

工件转架

行星式自公转

转速控制

0~5转/分钟

装机功率(KVA)

40

50

60

70

80

厂地面积(M2)

15

20

30

30

40

循环水(吨/小时)

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

厂房高度(m)

3.0

3.5

3.5

3.5

4.5

辅助设施

气泵气源

(在具体使用中,可根据镀膜的种类及工作量的大小选择不同型号的机型,或根据镀膜过程的实际要求由工程技术人员参考设计不同尺寸的离子镀膜设备。)

2、结构配置

真空离子镀膜设备由以下几部分组成

1.真空系统

真空室:真空筒体,工件转架,隔热内衬等。

真空机组:高真空阀;扩散泵机组(分子泵);罗茨泵;旋片泵,真空管道及阀门等。

2.镀膜系统

阴极电弧离子源,磁控溅射离子源,蒸发源等。

3.电源系统

脉冲偏压电源,中频溅射电源,弧电源,加热电源等。

4.控制系统

真空控制,镀膜控制,流量控制,电源控制或计算机全自动控制。

 

四、镀膜的应用

1、磁钢(钕铁硼):镀铝---Al

磁钢的应用范围较广,应用环境比较复杂,在材质上易受到环境腐蚀,表面产生粉化现象,影响正常使用效果和寿命,因此需要进行表面涂装以提高其耐腐蚀,增强抗蚀能力。

               电泳涂漆---结合力差,膜层质量差,影响使用性能。

               电    镀---结合力差(工件表面易粉化,导致膜层脱落);磨层薄厚不均匀(边角电流密度大,磨层厚),环境污染。

               离 子 镀---多弧离子镀---结合力优异,膜厚均匀,膜层颗粒度较大,光亮度稍差。

               磁控溅射离子镀---结合力优异,膜厚均匀,膜层细腻,光亮度好。

2、高速切削工具(钻头,铣刀等):镀---AlTiN,TiAlN等

由于工具在高速切削,尤其是干式切削(不加润滑冷却液)的工作状态下,切削工具刃部温度急剧上升,造成刃口过温,回火,崩刃,断口现象,影响加工精度,增加换刀次数,降低工作效率,增加加工成本。经过镀膜的刀具在高速切削时,可以在刀具表面形成耐高温的氧化膜,提高了刀具的导热性,因而有效地改善了上述情况,大大延长刀具使用寿命,提高生产效率。

   离子镀膜---沉积速率高,膜层结合力好,膜层致密,光亮度好。

3、机加工工具(车刀,铣刀,滚刀等):镀---TiN,TiNC,TiAlN等。

机加工所使用的HSS高速钢工具或硬质合金工具在加工过程中常出现崩刃或断刃现象,这不仅与工具本身的质量有关,同时也与被加工工件的材质和硬度有关。针对不同材质的工件使用不同涂层的工具可以极大地提高工作效率,降低加工成本,确保加工质量。

   离子镀膜---选择性镀制不同种类膜层,提高工具表面硬度及耐磨性,大幅提高其使用寿命。

4、模具(塑料挤压模具,金属成型模具等):镀---TiN,TiNC,TiAlN,CrC等。

模具的种类很多,所加工的材料多种多样,因而对模具材料的要求也各不相同。有的要求耐高温,有的要求耐腐蚀,但有一个共同点就是对其耐磨性能的要求。镀制了适当膜层的模具,不仅可以满足其耐高温耐腐蚀的要求,而且在脱模或出模过程中,可以有效提高模具的耐磨性,提高生产效率,延长模具的使用寿命。

   离子镀膜---可以镀制多种功能性膜层,提高模具表面的理化特性,膜层结合力强,均匀致密。

5、锯片(金属锯片,石料锯片,木工锯片等):镀---TiN,CrC,TiCN,AlTiN等。

不论是高速钢锯片还是合金锯片,如果能够有效提高它的硬度和耐磨性,同时使其具有优异的耐高温性能和导热性,那么在进行切削加工时,不仅可以保证加工质量,更能够显著提高锯片的使用寿命和生产效率。

   离子镀膜---可以按使用环境的需要,为锯片镀制不同特性的膜层,使其完全满足切削加工的要求。所镀制的膜层具有均匀致密,结合力强,光亮度好的特点。

6、电极(钛,铌等):镀---钽,石墨,铂

电极在使用过程中一方面需要提高其耐腐蚀的能力,另外需要考虑的是其能通过的电流密度。不论是作为阴极还是阳极,经过镀膜处理后的电极都能够大幅度地提高使用寿命和效能。

                电    镀---膜层不均匀,与基体结合力较差,针孔率高,污染。

                磁控溅射离子镀---膜层均匀致密,与基体结合力强,表面光亮度好,抗蚀性强。

7、印刷版(不锈钢,镍等):镀---铬,钛

针对于印刷行业所使用的印版等,不仅要想方设法地提高其使用寿命,增强其耐磨性,而且还要注意印版的浸润性,对油墨的亲和性。

                电    镀---膜层薄厚不均匀,与基体结合力差,膜层内部应力大,弯曲易断裂脱落,针孔率高。

                离子镀膜---膜层细腻均匀,结合力强,抗弯曲能力强不脱落,可选择多种镀层,膜层致密。

8、轴承(GCr15):镀---自润滑膜层(石墨,MoS,CrC)

轴承的应用极为广泛,磨损率很高,在具有一定压力的工作环境中更易损坏。要提高轴承的使用寿命,就必须考虑它的耐磨性。在提高表面硬度的同时,更重要的是降低它的摩擦系数。在某些轴承上同时镀制提高硬度和降低摩擦系数的两种膜层,可以大幅度地提高轴承的寿命和使用效果。

   离子镀膜---膜层均匀致密,结合力好,不易脱落,在轴承上镀制不同特性的膜层如:硬质膜层TiN和耐磨膜层CrC,不仅可以有效提高轴承的使用寿命,而且在外观上提升了产品的档次,更为醒目和美观。

9、齿(导)轮:镀---TiN,CrN,CrC等。

为有效延长齿(导)轮的使用寿命,一方面需要提高它的表面硬度,另一方面还需要改善其耐磨性。针对齿(导)轮的受力部位,加强其表面硬度和耐磨性是提高其使用寿命的最佳办法之一。

   离子镀膜---膜层均匀致密,结合力强,可镀制不同膜层,满足提高硬度和耐磨性的要求。

10、灯具(反光板):镀---铝(Al)

对于灯具的反光板或反光罩来说,重要的是提高表面光亮度和反光率。另外,耐蚀性的要求也很高。通过离子镀膜的方法在其表面镀制一层金属铝,不仅可以改善反光率,提高表面光亮度,而且铝的本身具有一定的耐蚀性,可保证膜层在相对长的时间内不退色,不变色。

   磁控溅射离子镀膜---膜层细腻致密,与底材结合力强,表面光亮度高,针孔率低。

11、塑料(ABS,PS,PVC):镀---Ti,Cr,TiN,不锈钢等。

在塑料上镀制一层金属,其目的或许是在特定的应用环境下需要塑料金属化,既具有导电或导热的特性,也许仅仅是为了美观,以达到提高档次的要求。

   磁控溅射离子镀膜---具有镀膜过程温度低,可镀制厚度膜层的特点。经过镀膜的塑料工件不仅可以达到在塑料原有韧性,成份不变的基础上改变理化参数的要求,而且金属膜层致密光亮,均匀美观,与塑料基体结合力强,在外观上具有金属的质感。

 

五、常用涂层性能及应用领域

产品名称

镀膜材料

微硬度(HV)

摩擦系数

内应力

耐氧化温度

镀膜颜色

镀膜结构

TiAlN

氮化钛铝

3000

0.4

-1.5

800

暗紫色

多层膜

TiAlN

氮化铝钛

3300

0.3~0.35

-1.5

900

黑紫色

纳米结构

DLC

类金刚石

2500

0.1~0.2

N/A

350 

灰黑色

单层膜

WC/C

碳化钨

1000

0.1

-1.0

300

灰黑色

薄  膜

TiN

氮化钛

2000

0.4

-2.5

550

金  色

单层膜

TiCN

碳氮化钛

3000

0.4

-4.0

400

灰  色

多层膜

CrN

氮化铬

1800

0.5

-1.5

700

银白色

单层膜

TiAlN-氮化钛铝

多层膜结构,适用于众多种类工具,例如碳化钨,陶瓷,高速钢,具有良好的热传导率和优秀的化学稳定性,适用于高硬度模具之高速干式切削等各类切削刀具,及需耐温,耐腐蚀性场合之模具,工具零配件。

         

TiAlN-氮化铝钛(高铝)

纳米结构,更强化了附着力,硬度及减低内应力,适用于高硬度模具钢材之高速,干式切削等各类切削刀具,及需耐温、耐腐蚀性场合之模具、工具零配件。

         

DLC-类金刚石

具有高硬度低摩擦系数之镀膜,适用于切削铝合金、铜合金,具低摩擦系数,运用于精密工件及发动机零件均有良好的效果。

         

WC/C-碳化钨

由坚硬的碳化钨颗粒与硬度较低的无结晶炭所形成的镀膜,有极低如钻石般的摩擦系数,应用如传动部品、零件,亦可用于非铁金属,如铜、石墨等之切削。

         

TiN-氮化钛

应用范围最广泛,如车、铣刀片、钻头、铣刀、丝攻、切齿刀工具、冲棒、成型模具、冲压模、射出、压铸模具配件、耐磨耗零件、机械部品、装饰品等均可适用。

         

TiCN-碳氮化钛

适用于需要高速切削,高进给且切削和成型轫口处经常受冲击之切割,成型,冲剪工具,比TiN更具耐磨性及高温稳定性,但必须注意被镀材的材质及表面状况。

         

CrN-氮化铬

耐氧化、耐腐蚀。适用于切削铜类金属,成型、模具及零件,较传统镀铬耐磨,并可防止塑料射出压铸粉末烧结等之黏着沾黏现象。

         

 

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