FCVA镀膜及其应用

在中国缝制机械行业“十二五”时期主要技术攻关方向中，新材料、新工艺是一个重要领域。在“十一五”期间的行业科技开发实施指南中，新材料、新工艺在产品中的开发与应用就已经是重要内容，主要体现在无油、微油润滑材料和特种材料涂覆工艺的应用与开发，通过在缝制机械的高速运转部件采用耐磨材料涂覆技术，实现无油或微油润滑。

材料及其涂覆工艺的发展与进步，对缝制机械的性能、品质的提升有积极的促进作用。尤其在高速自动化缝纫机的品种和数量均大幅增加的情况下，如何通过新材料、新工艺的应用满足和提升高速自动化缝纫机的各项性能要求，是缝制机械制造商正在考虑的事情。

目前应用于缝制机械的新材料很多，比如多元填充高分子材料、陶瓷、金属钛、特氟龙、低温液态化油脂等。而陶瓷、金刚石粉、钛合金、多元填充高分子材料等特种材料的涂覆工艺也在不断改进并且越来越多地应用于缝制机械中。

镀膜，是应用新的材料及新的涂覆工艺较多的一道工序。已经有不少高速自动化缝纫机的零部件在镀膜时采用了新膜层材料和新镀膜方式。我们知道，镀膜涉及两项基本内容，一是镀膜的技术与方法，二是所镀膜层的材料。不同的镀膜方式，所达到的镀膜效果不同，膜层的性能发挥情况也随之有差异，而采用不同的镀层材料也有不同的性能表现。

1 不同的镀膜技术

在微观环境下看，镀膜就是将一些物质（反应物）的分子、原子或者离子通过一定的方式被分解出来在其所具有的能量作用下涂覆（沉积）在需要镀膜的工件（基体）上。镀膜时，要考虑膜层、工件材料的物理或化学性质，选择合适的镀膜方法将膜层紧紧地附着于工件上并且要产生好的性能效果。

真空镀膜技术就是在真空环境下，通过化学、物理方式将反应物或者靶材沉积到基体上的薄膜气相沉积技术。镀膜通常需要在干净、纯粹的真空环境下进行，既为了避免污染（减少成膜过程中气体分子进入薄膜中成为杂质的量），也在于膜层材料的分子、原子化学性活跃，在常温常态下容易出现问题（比如分子间的碰撞、氧化反应）。

根据反应方式分，真空镀膜技术有PVD（物理气相沉积）、CVD（化学气相沉积）以及FCVA等。

1.1 PVD

PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。PVD镀膜技术主要分真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜三类。

真空蒸发镀膜是通过加热蒸发某种物质（比如金属、化合物等）使其原子或分子以冷凝方式沉积在作为基体的固体表面；溅射镀膜是用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒

子获得能量并逸出表面，沉积在基体上；离子镀膜是蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面，是真空蒸发与阴极溅射技术的结合。

1.2 CVD

CVD是Chemical Vapor Deposition（化学气相沉积）的缩写，很多反应物质在通常条件下是液态或固态，经过汽化成蒸汽再参与反应，通常是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物。

CVD是现代半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。

近年来，等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）发展起来，最早也是用于半导体材料的加工，将沉积温度从1000℃降到600℃以下，最低的只有300℃左右。

1.3 FCVA

FCVA镀膜是英文Filtered Cathodic Vacuum Arc的缩写，即“过滤阴极真空电弧技术镀膜”，对缝制机械行业而言还算是新事物。这种镀膜技术正在为朝高速、无油环保方向发展的缝制机械提供助力。

图1 FDVE原理示意图

如图1所示，FCVA使用异面双弯过滤器以及高能电、磁场过滤除去多余宏观颗粒和不带电的离子，其膜层表面形貌方面的质量可以与CVD膜层相比。FCVA技术产生能像稳定的电弧和纯离子束流，能量可以根据不同的工艺要求精确控制，由FCVA技术沉积的碳膜和金属膜质量高，其等离子扫描技术可以使镀膜沉积面积提高到直径12英寸以上。FCVA 的镀膜过程可以在低温下（小于80摄氏度）进行，可广泛应用于包括塑料和橡胶在内的各种领域，这点对缝制机械元器件来说也特别重要。

FCVA技术的核心点是：原体是百分百的等离子体——除了电子、原子外还有正离子，这些是所需要镀膜的材料本身产生的，比如镀碳，就是碳正离子，而镀铜则就是铜正离子，与工件上的电子合并成为中性的原子。它采用起弧方式产生100%离化的镀膜粒子，这些镀膜离子在到达镀膜基体之前，通过外加电磁场来调节镀膜离子的能量，而不像普通的磁控溅射镀膜方式只能通过加热的方法来增加镀膜粒子的能量。

过滤阴极电弧（FCA）配有高效的电磁过滤系统，可将离子源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒，因此制备的薄膜非常致密和平整光滑，抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强。

为了达到良好的效果，FCVA镀膜对各工艺环节有严格的管理要求。镀膜之前，要对待镀膜的基体进行清洗，因为这些基体带有空隙、空洞、油脂、污迹等，可通过真空加热和清洗加热去掉这些“脏东西”——镀膜的基体一定要干净无杂质。经过处理的基体还应该在无菌的环境中上到夹具上，如果短时间不能镀膜则会放到设置了一定温度的保温箱中，使其处于良好的状态。

1.4 几种镀膜技术的参数比较

表1 不同的镀膜技术比较

注：EV表示电子伏特

表1反映了不同的镀膜技术的各项指标情况。PVD （溅射）的镀膜微粒是原子，而CVD（PECVD）的镀膜微粒是原子团（反应分子），而FCVA输出是一束等离子，该等离子束可以被扫描，可以对该离子束加偏压，该等离子束可通过镀膜技术加以控制。

镀膜需要产生完全独立、自由的分子、原子，通常要采用加热、蒸发等方式把粒子从束缚中解脱出来，才能做一些改变。此时，镀铝、镀铜甚至是镀铬等都没有问题，但要镀陶瓷、氮化膜、氧化膜等硬膜，要将反应物烧沸很难。尤其是镀硬膜时，若采用溅射方式，将固体变为原子或者分子几乎不能做到，而是在真空环境中形成离子团，加入负电压，以正离子去轰击要镀膜的物件（让通氩气的原子加热，用氩离子告诉轰击靶面），效率低下（可能1000次轰击后有才1~2个原子出来），且如果冲击时真空环境不好，其分子疏松。若采用蒸发方式，则容易产生空洞，需要加高温让分子利用能量去填补空洞——这点对做镀膜不好，镀膜要求不存在空洞，其所加温度要在400摄氏度及以上，这种情况对原子、分子的要求不高，但对材料的要求高，比如需要高速钢、工具钢之类，其它的材料则不太好。

FCVA技术既不是溅射也不是热蒸发，由于用的是百分百等离子，其正离子带电，外加电磁场的方式使其加速（像光速），不用热能而是用动能（速度）来完成镀膜。溅射和蒸发时的动能速度是每秒几百米，约1个电子福特的能量，而FCVA的速度是每秒几十公里，有50、60个电子福特的能量且可变、可控。通常，要克服物体表面张力需要30、40个电子辐特。如果能很好穿透表面张力，则膜层的附着力和密实度高，能形成超硬膜，因为决定镀膜优劣的关键因素是镀膜粒子能量，当镀膜粒子的能量增加后，膜层的密度也将随之增加，附着力大大改善。传统镀膜技术只能通过升高基体温度来改善镀膜质量，但存在一定局限性。此外，FCVA镀膜时的离子能量可控，这些等离子体有了能量和可控性，其膜层的致密性也就更好。

2FCVA可镀的膜层

从应用分，目前FCVA镀膜层分为两大类：一类是在表面装饰镀膜方面，主要是（钛金、锆金）镀覆于钟表、锁具五金、厨房卫浴五金等各种五金制品表面；一类是在工具镀膜方面，主要是（硬质膜层、摩擦系数）镀覆于各种金属加工模具（冲压模具）、电子半导体类模具（成型刀）、粉末冶金模具、刀具（切纸刀、铣刀、绞刀等各类刀具）、车削刀具以及各种注塑模具（塑料成型注塑模具活动部件，零件上的应用）。

采用FCVA技术可在多种材质的工具、模具和刀具上涂上TAC-ONTM（类金刚石）、AITiN（铝氧化钛）、CrN（氧化铬）、TiN（氧化钛）等单层及多层优质硬质膜层，其膜层硬度高（2 000~5 000HV），结合强度高（最高达到100N），摩擦系数低（可降低到0.08），表面粗糙度低（最高达到球面）。