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| 工模具PVD涂层技术 | |
| 河源龙记涂层部 | |
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--回忆龙记的日子
1. 摘要
2. 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、 瑞士 Platit)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 IQC
IQC(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。它的最大工作温度可达 145?C，气压在 3~5 巴左右。由于模具中经常带有一些细小孔、螺纹孔，孔内中常常有油污、残余冷却液等杂质，用 常规清洗的方法难以除去。此时，高温蒸洗设备便可最大程度的发挥它的优越性。
5.2.2 清洗
各厂工模涂层前清洗程序大致如下：
1.超声波除蜡→2.过水→3. 超声波除油→4.过水→5. 超声波自换→6.过水→7.过纯水→8.强风干燥
具体实施时，与我们所熟悉的装饰涂层前的清洗 又有许多不同。这是因为装饰涂层的底材大多为不锈钢或钛合金，不容易生锈。此外，装饰涂层对水印、点痣等缺陷是绝对不允许的。因此，装饰涂层对纯水的水质要求极高，甚至要达到 15MΩ 以上。要保证清洗的高质量，可以通过反复清洗，并在高质量的纯水加超声波中长时间浸泡来得到。但是，工模的清洗就不同，尤其是一些热做模具钢，如果像装饰涂层那样去清洗，就会锈得一塌糊涂。
由于工模涂层的原始表面状态，除了一些高标准的镜面模具以外，一般较装饰涂层要粗糙，因而，对涂层后的表面状态的要求也不象装饰涂层那样高，这就允许我们采取快速过水，用干燥、无油的压缩空气吹干，然后对工模强风干燥的方法来处理。而那些高标准的镜面模具，一般均为136 等不锈钢，可以借用装饰涂层的清洗法。
总而言之，工模涂层前的清洗方法因工模所使用的材料的不同而不同，因工模涂层前的表面状态的不同而不同，且不可千篇一律。下面是几种材料生锈由难到易的排序，供参考：
不锈钢、硬质合金、金属陶瓷合金、DC53、高速钢、8407 有一种自动清洗机型号为 CR288，产自德国。该机一次最大 清洗量为 80KG，主要用于清洗刀具、小型零部件、或小尺寸的模具。它共有三个清洗缸，里面的溶液分别为自来水+清洗剂、自来 水、去离子水。除了常见的超声波、大水冲洗、喷淋、摆动、热风干燥等功能外，该机另外一个优点是最后设有抽真空步骤，可以使水分尽快挥发掉。
自动清洗机内存十种工艺，均由供方预先设定。一至九可分别用于不同类型的产品、不同的表面状态的净化处理。第十种用于加注清洗剂。
5.2.3 喷砂
喷砂法是借助压缩空气使磨料强力冲刷工件表面，从而去除锈蚀、积碳、焊渣、氧化皮、残盐、旧漆层等表面缺陷。按磨料使用条件，喷砂分为干喷砂与湿喷砂两类。
喷砂的工艺参数主要有枪距、倾角、装夹台旋转速度、移动速 度、行程、往返次数、喷砂时间、喷砂气压。我们已使用过的参数有枪距：30~70mm; 倾角 30~70?C; 装夹台旋转速度 10~30；往返次数 3~9 次；喷砂气压：1.8~3.5 巴等。具体操作时，根据工件表面脏污程度，工件硬度，工件表面几何形状等因素，选取上下限。 我们在干喷砂机中所选用的磨料为玻璃珠，适合喷一些硬度介中的材料，如油钢、模具等；在液体喷砂机中所选用的磨料为氧化铝，硬度较高，适合喷一些硬度高的材料，如硬质合金材料。对于工模涂层而言，喷砂所使用的磨料粒度也很重要。如果磨料粒度过大，则工件表面太粗糙；如果磨料粒度太小，又会降低打击力度，甚至嵌在工件表面，清洗难以去除，从而使 工件涂层附着力降低。为此，欧洲一些国家，对工模涂层前喷砂 所用磨料粒度做过仔细研究，严格到必须保证 85%以上的晶粒度在中 A、B 两点范围内才能使用。相比之下，我国磨料的供应商还缺乏这方面的共识，我们也很少有做这方面的检验。
5.3 PVD 涂层工艺(加热、离子清洗、涂层、冷却、工艺气体、气压、温度、溅射功率)
5.4 FQC
FQC 的英文全拼为：“Function Quality Control”，意思是功能 质 量 控 制 ， 它有别与一般意义上的 OQC(Out Quality Control) 。FQC 的内容主要包括外观检查、层深检查、附着力检查、 耐磨性检查、抗蚀性检查、模拟性测试等方法。我厂目前应用的主 要有外观检查、层深检查和附着力检查。
由于我们所接触的产品大多都是不允许做破坏性检查的， 因而我们在镀膜时，每批都会放进随批试样。做层深检查和附着力检查的时候，大多数情况下，实际上是对随批试样进行检查。 因为试样与产品在原材料、热处理状态、装夹位置等方面都难于一致，所以这样检测出的结果，与产品实际值会有一定的误差。有时可能还会有相当大的误差，只能做参考使用。当然，必要的时候，我们也可以通过制作模拟件，达到准确测量的目的。
5.4.1 外观检查
对于开门取件后的产品，应仔细检查表面有无裂纹、掉涂层、疏松等缺陷。对于刀具、刀粒，还需在显微镜下仔细检查它们的刃口状态。
5.4.2 层深检查
层深检查有切片金相观察法、X-ray 检查法、用单色光做光源的光学测试法、球磨仪测试法等多种方法。工模涂层的层深检查是在球磨仪上进行的。方法是先用直径为 10mm 的钢球与测试表面滚磨，然后在显微镜下测量磨痕的有关数据，带入公式中，即可方便算出层深。
这种层深检查法的特点是：方便适用，误差稍大。但这种误 差应用于工模上面影响不会太大。有兴趣的同事还可参阅有关的说明书。
附着力的检查方法有很多，各个厂根据自己产品的特点， 都制定了相应的检测方法。其中，比较权威的方法有两种，一种是在洛氏硬度计上，以圆锥型金刚石压头做压痕试验，在显微镜下观察，以压痕周边裂纹的多少来判断涂层附着力的高低。该方法对金刚石压头的形状要求很高，不但严格要求中心点在圆的中心，而且金刚石圆锥的圆度必须十分规则。遗憾的是，目前，我国还没有它的国家或行业标准；另一种方法是划痕法，我国有些涂层发起较早的科研部门，也是采用的该方法，有专门的国家行业标准可供查询。
6. 工装夹具的处理
7. 涂后处理工艺(喷砂、涂脂技术)
8. 检测技术(结合力的检测、层深的检测、酸蚀)
9. 涂层剥离技术(TiN/TiAlN 的剥离技术、CrN/DLC/CrAlTiN 的剥离技术、硬质合金的表面涂层剥离技术)
10.涂层刀具的应用技术(涂层的正确选择、涂层刀具的正确使用
涂层对刀具的优化非常大，由于高速切削加工比传统切削 加工所产生的温度要高，应用涂层，可以发挥其耐高温、抗氧化及加硬材质等作用。例如，氮化铬(CrN)涂层可降低磨擦系数，改善光洁度及排屑情况。
3/7/2009 | |
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