真空镀膜的基本调研

文献调研

本文主要是介绍了刀具涂层、涂层薄膜的制备工艺中的磁控溅射及阴极电弧离子镀膜，还有它的物理过程；并对比CVD和PVD的特点及优缺，还有薄膜表征分析的方法做一个不全面的抄录。在文中主要是以专著《真空镀膜》和《真空镀膜原理与技术》两本书为基础，以文献论文里的方法经验为内容编辑。在这过程中我认识到镀膜涉及到原子物理、真空物理、等离子体物理及材料学等多方面的知识。

目录

1.真空镀膜技术的简介 (1)

2.刀具涂层 (2)

3.涂层制备工艺 (4)

4.物理气相沉积（PVD）的物理过程 (6)

5.磁控溅射镀 (7)

6.多弧离子镀 (8)

7.涂层测量 (9)

8.性能分析 (10)

1.真空镀膜技术的简介

真空镀膜技术初现于20世纪30年代，四五十年代开始出现工业应用，工业化大规模生产开始于20世纪80年代，在电子、宇航、包装、装潢、烫金印刷等工业中取得广泛的应用。真空镀膜是指在真空环境下，将某种金属或金属化合物以气相的形式沉积到材料表面（通常是非金属材料），属于物理气相沉积工艺。因为镀层常为金属薄膜，故也称真空金属化。广义的真空镀膜还包括在金属或非金属材料表面真空蒸镀聚合物等非金属功能性薄膜。在所有被镀材料中，以塑料最为常见，其次，为纸张镀膜。相对于金属、陶瓷、木材等材料，塑料具有来源充足、性能易于调控、加工方便等优势，因此种类繁多的塑料或其他高分子材料作为工程装饰性结构材料，大量应用于汽车、家电、日用包装、工艺装饰等工业领域。但塑料材料大多存在表面硬度不高、外观不够华丽、耐磨性低等缺陷，如在塑料表面蒸镀一层极薄的金属薄膜，即可赋予塑料程亮的金属外观，合适的金属源还可大大增加材料表面耐磨性能，大大拓宽了塑料的装饰性和应用范围。真空镀膜的功能是多方面的，这也决定了其应用场合

非常丰富。

总体来说，真空镀膜的主要功能包括赋予被镀件表面高度金属光泽和镜面效果，在薄膜材料上使膜层具有出色的阻隔性能，提供优异的电磁屏蔽和导电效果。

2.刀具涂层

现代制造业对机械加工提出了更高的要求，提高加工效率、可靠性与精度的需求使各国不断加强对刀具涂层技术的关注.随着切削加工要求不断提高，我国原有刀具涂层技术逐渐力不从心，涂层设备需要进行更新换代，刀具涂层技术正处于关键时期.因此，及时瞄准国际涂层技术先进水平，充分了解其技术现状及发展趋势十分重要。

2.1刀具涂层应有特点

为了使刀具获得优良的综合机械性能，延长刀具使用寿命，提高机械加工效率，刀具表面涂层技术逐步发展起来，并具有以下特点：

（1）硬度高，一般来说，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。

（2）良好的润滑性能，可有效地改善加工物件质量，也适合于干式切削加工，有效降低加工时的温度；

（3）优良的高温抗氧化性及化学稳定性，氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。

（4）耐磨性：耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力，高硬度材料受到大冲量时的容易折损，使刀具切削刃崩裂或磨钝。所以某些工件材料本身硬度可能并不太高，但耐磨可以让刀具的寿命越长。

2.2刀具涂层材料

涂层材料被涂覆在刀具基体上并与之相结合，刀具的耐磨性和切削性能被提高的同时，基体本身的韧性不会被降低，从而降低工件与刀具之间的摩擦系数，延长了刀具的工作寿命。刀具涂层另外一项显著的作用就是隔热，由于大多数涂层自身的热传导系数比被加工部件和刀具基体都要低的多，导致加工中产生的热量冲击散失途径改变，形成热屏蔽，有效地保护刀具基体，改善其使用效率。

应用广泛的涂层材料主要有一些具有高硬度的耐磨化合物，如氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、硅化物、硼化物、金刚石及复合涂层等八大类数十个品种。这些涂层材料按照化学键的特征可分成金属键型、共价键型和离子键型。

2.2.1硬涂层：

TiC涂层：最早被开发出来的涂层之一，抗磨料和机械磨损性能良好，可以降低加工过

程中的阻力，降低切削温度.其缺点是涂层性脆。

TiN涂层：该涂层是最早开始广泛应用于工业的涂层，中等硬度，但有抗氧化性差的缺点。

TiCN涂层：该涂层是通过向TiN涂层中加入C元素得到。

Al2O3涂层：该涂层相比于TiC和TiN涂层刀具，Al2O3涂层刀具具有更高的切削性能。

TiAlN涂层：该涂层在高速切削中性能优异。

金刚石涂层：该涂层硬度可达10000HV，导热性强，摩擦系数较低，具有优异的力、热、光、电等

立方氮化硼（CBN）涂层：该涂层是在高温高压下人工合成的立方结构氮化物，硬度可以达到HV72000～98000MPa，具有很好的导热性，热膨胀小，断裂韧性低，密度较小.更重要的是，立方氮化硼同铁族元素几乎不发生反应，具有卓越的化学和热稳定性。

其它新型开发的硬涂层材料包括氮化碳（CN X）、多晶氮化物超点阵涂层等

2.2.2软涂层：

软涂层也称为自润滑涂层，追求的目标是低摩擦因数，增加刀具表面的润滑性能，在切削加工中减少工件与刀具之间的摩擦，防止积屑瘤的产生，从而提高加工表面质量，延长刀具寿命。在某些情况下，一些材料并不适合采用硬涂层刀具加工，如在航空航天中的一些高硬度硬质合金、钛合金等。这些材料在加工中非常黏刀，在刀具前刀面生成积屑瘤，不仅增加切削热、降低刀具寿命，而且影响加工表面质量。采用软涂层材料刀具可获得更好的加工效果。通常的软涂层有MoS2、WS2、WC/C、TaS2/Mo等。

2.3刀具涂层结构

（a）单涂层：也叫做普通涂层，只由一种成分构成，在薄膜的纵向生长方向上涂层成分稳定；

（b）多涂层：由多种成分稳定、性能各异的薄膜叠加而成。常见的多层涂层由2种不同膜组成，层数可达十几层以上；

（c）纳米结构多涂层：各层薄膜的尺寸为纳米数量级的多层涂层，又可称为超显微结构。此类薄膜具有高模量、高硬度的特点；

（d）梯度涂层：涂层成分沿着薄膜生长方向逐步变化，可以分为多种化合物间的变化和一种化合物中各元素比例的变化两种类型；

（e）复合涂层：也称为复合涂层结构膜，由两种以上不同的涂层薄膜组成；

纳米复合结构涂层，等。