工具镀膜基础知识

真空涂层技术的发展真空涂层技术起步时间不长，国际上在上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。

由于该技术需在高温下进行(工艺温度高于1000ºC)，涂层种类单一，局限性很大，因此，其发展初期未免差强人意。

到了上世纪七十年代末，开始出现PVD(物理气相沉积) 技术，为真空涂层开创了一个充满灿烂前景的新天地，之后在短短的二、三十年间PVD 涂层技术得到迅猛发展，究其原因，是因为其在真空密封的腔体内成膜，几乎无任何环境污染问题，有利于环保；因为其能得到光亮、华贵的表面，在颜色上，成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色，可谓五彩缤纷，能够满足装饰性的各种需要；又由于PVD 技术，可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层，应用在工装、模具上面，可以使寿命成倍提高，较好地实现了低成本、高收益的效果；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，应用范围十分广阔，其发展神速也就不足为奇。

真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术，各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷，如今在这一领域中，已呈现出百花齐放，百家争鸣的喜人景象。

与此同时，我们还应该清醒地看到，真空涂层技术的发展又是严重不平衡的。

由于刀具、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。

因而，尽管装饰涂层的厂家已遍布各地，但能够生产工模涂层的厂家并不多。

再加上刀具、模具涂层售后服务的欠缺，到目前为止，国内大多数涂层设备厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具和模具的应用技术等)，而且，它还要求工艺技术人员，除了精通涂层的专业知识以外，还应具有扎实的金属材料与热处理知识、工模涂层前表面预处理知识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术要求等，如果任一环节出现问题，都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。

所有这些，都严重制约了该技术在刀具、模具上的应用。

另一方面，由于该技术是一门介乎材料学、物理学、电子、化学等学科的新兴边缘学科，而国内将其应用于刀具、模具生产领域内的为数不多的几个骨干厂家，大多走的也是一条从国外引进先进设备和工艺技术的路子，尚需一个消化、吸收的过程，因此，国内目前在该领域内的技术力量与其发展很不相称，急需奋起直追。

3. PVD 涂层的基本概念及其特点PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的缩写形式，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 方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。

多弧镀设备结构简单，容易操作。

它的离子蒸发源靠电焊机电源供电即可工作，其引弧的过程也与电焊类似，具体地说，在一定工艺气压下，引弧针与蒸发离子源短暂接触，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，多弧镀涂层颜色较为稳定，尤其是在做TiN 涂层时，每一批次均容易得到相同稳定的金黄色，令磁控溅射法望尘莫及。

多弧镀的不足之处是，在用传统的DC 电源做低温涂层条件下，当涂层厚度达到0.3μm 时，沉积率与反射率接近，成膜变得非常困难。

而且，薄膜表面开始变朦。

多弧镀另一个不足之处是，由于金属是熔后蒸发，因此沉积颗粒较大，致密度低，耐磨性比磁控溅射法成膜差。

可见，多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣，为了尽可能地发挥它们各自的优越性，实现互补，将多弧技术与磁控技术合而为一的涂层机应运而生。

在工艺上出现了多弧镀打底，然后利用磁控溅射法增厚涂层，最后再利用多弧镀达到最终稳定的表面涂层颜色的新方法。

大约在八十年代中后期，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，应用效果很好，使TiN 涂层刀具很快得到普及性应用。

其中热阴极电子枪蒸发离子镀，利用铜坩埚加热融化被镀金属材料，利用钽灯丝给工件加热、除气，利用电子枪增强离化率，不但可以得到厚度3~5μm的TiN 涂层，而且其结合力、耐磨性均有不俗表现，甚至用打磨的方法都难以除去。

但是这些设备都只适合于TiN涂层，或纯金属薄膜。

对于多元涂层或复合涂层，则力不从心，难以适应高硬度材料高速切削以及模具应用多样性的要求。

目前，一些发达国家(如德国CemeCon、英国ART-TEER )在传统的磁控溅射原理基础上，用非平衡磁场代替原先的平衡磁场、50KHz 的中频电源代替原来的直流电源、脉冲电源取代以往的直流偏压，采用辅助阳极技术等，使磁控溅射技术逐步成熟，已大批量应用在工模涂层上，现在已稳定生产的涂层主要有TiAlN、AlTiN、TiB2、DLC、CrN，我国广东、江苏、贵州、株洲等地也已陆续引进此种设备，大有星火燎原之势。

4. 现代涂层设备(均匀加热技术、温度测量技术、非平衡磁控溅射技术、辅助阳极技术、中频电源、脉冲技术) 现代涂层设备主要由真空室、真空获得部分、真空测量部分、电源供给部分、工艺气体输入系统、机械传动部分、加热及测温部件、离子蒸发或溅射源、水冷系统等部分组成。

4.1 真空室涂层设备主要有连续涂层生产线及单室涂层机两种形式，由于工模涂层对加热及机械传动部分有较高要求，而且工模形状、尺寸千差万别，连续涂层生产线通常难以满足要求，须采用单室涂层机。

4.2 真空获得部分在真空技术中，真空获得部分是重要组成部分。

由于工模件涂层高附着力的要求，其涂层工艺开始前背景真空度最好高于6mPa，涂层工艺结束后真空度甚至可达0.06mPa 以上，因此合理选择真空获得设备，实现高真空度至关重要。

就目前来说，还没有一种泵能从大气压一直工作到接近超高真空。

因此，真空的获得不是一种真空设备和方法所能达到的，必须将几种泵联合使用，如机械泵、分子泵系统等。

4.3 真空测量部分真空系统的真空测量部分，就是要对真空室内的压强进行测量。

像真空泵一样，没有一种真空计能测量整个真空范围，人们于是按不同的原理和要求制成了许多种类的真空计。

4.4 电源供给部分靶电源主要有直流电源(如MDX)、中频电源(如美国AE公司生产的PE、PEII、PINACAL)；工件本身通常需加直流电源(如MDX)、脉冲电源(如美国AE公司生产的PINACAL+)、或射频电源(RF)。

4.5 工艺气体输入系统工艺气体，如氩气(Ar)、氪气(Kr)、氮气(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氢气(H2)、氧气(O2)等，一般均由气瓶供应，经气体减压阀、气体截止阀、管路、气体流量计、电磁阀、压电阀，然后通入真空室。

这种气体输入系统的优点是，管路简捷、明快，维修或更换气瓶容易。

各涂层机之间互不影响。

也有多台涂层机共用一组气瓶的情况，这种情况在一些规模较大的涂层车间可能有机会看到。

它的好处是，减少气瓶占用量，统一规划、统一布局。

缺点是，由于接头增多，使漏气机会增加。

而且，各涂层机之间会互相干扰，一台涂层机的管路漏气，有可能会影响到其他涂层机的产品质量。

此外，更换气瓶时，必须保证所有主机都处于非用气状态。

4.6 机械传动部分刀具涂层要求周边必须厚度均匀一致，因此，在涂层过程中须有三个转动量才能满足要求。

即在要求大工件台转动(I)的同时，小的工件承载台也转动( II),并且工件本身还能同时自转(III)。

在机械设计上，一般是在大工件转盘底部中央为一大的主动齿轮，周围是一些小的星行轮与之啮合，再用拨叉拨动工件自转。

当然，在做模具涂层时，一般有两个转动量就足够了，但是齿轮可承载量必须大大增强。

4.7 加热及测温部分做工模涂层的时候，如何保证被镀工件均匀加热比装饰涂层加热要重要得多。

工模涂层设备一般均有前后两个加热器，用热电偶测控温度。

但是，由于热电偶装夹的为置不同，因而，温度读数不可能是工件的真实温度。

要想测得工件的真实温度，有很多方法，这里介绍一种简便易行的表面温度计法(Surface Thermomeer)。

该温度计的工作原理是，当温度计受热，底部的弹簧将受热膨胀，使指针推动定位指针旋转，直到最高温度。

降温的时候，弹簧收缩，指针反向旋转，但定位指针维持在最高温度位置不动，开门后，读取定位指针指示的温度，即为真空室内加热时，表面温度计放置位置所曾达到的最高温度值。

4.8 离子蒸发及溅射源多弧镀的蒸发源一般为圆饼形，俗称圆饼靶，近几年也出现了长方形的多弧靶，但未见有明显效果。

圆饼靶装在铜靶座(阴极座)上面，两者为罗纹连接。

靶座中装有磁铁，通过前后移动磁铁，改变磁场强度，可调整弧斑移动速度及轨迹。

为了降低靶及靶座的温度，要给靶座不断通入冷却水。

为了保证靶与靶座之间的高导电、导热性，还可以在靶与靶座之间加锡(Sn)垫片。

磁控溅射镀膜一般采用长方形或圆柱形靶材，4.9 水冷系统因为工模涂层时，为了提高金属原子的离化率，各个阴极靶座都尽可能地采用大的功率输出，需要充分冷却；而且，工模涂层中的许多种涂层，加热温度为400~500ºC，因此，对真空室壁、对各个密封面的冷却也很重要，所以冷却水最好采用18~20ºC 左右的冷水机供水。

为了防止开门后，低温的真空室壁、阴极靶与热的空气接触析出水珠，在开门前10 分钟左右，水冷系统应有能力切换到供热水状态，热水温度约为40~45ºC。

5. 工模具PVD 的工作步骤工模具PVD 基本工艺流程可简述为：IQC→前处理→PVD→FQC，分别介绍如后。

5.1 IQCIQC(In Quality Control)的主要工作除了常规的清点数量，检查图纸与实物是否相符外，还须仔细检查工件表面，特别是刃口部位有无裂纹等缺陷。

有时对于一些刀具、刀粒的刃口，在体式显微镜下观察，更方便发现问题；另外，IQC 的人员还要注意检查待镀膜件有无塑胶、低熔点的焊料等，这些东西如果因漏检而混入镀膜程序，则将在真空室内严重放气，轻者造成整批产品脱涂层，重者使原本OK 的产品报废，后果不堪设想。

5.2 前处理工艺(蒸汽枪、喷砂、抛光、清洗)前处理的目的是净化或粗化工件表面。

净化就是要去除各种表面玷污物，制备洁净表面。

通常使用各种净化剂，借助机械、物理或化学的方法进行净化。

粗化与光蚀相反，其目的在于制备粗糙的表面以提高喷涂层或涂料装饰的结构强度。

我们现在已有的前处理主要方法为：高温蒸洗、清洗、喷砂、打磨、抛光等方法。

5.2.1高温蒸洗目前，PVD 车间常用的高温蒸洗设备是蒸汽枪。