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              1. 企業動態

              真空涂層技術的發展史與應用您了解多少?

              時間:

              1.真空涂層技術的發展
               
              真空涂層技術起步時間不長,國際上在上世紀六十年代才出現將CVD(化學氣相沉積)技術應用于硬質合金刀具上。由于該技術需在高溫下進行(工藝溫度高于1000℃),涂層種類單一,局限性很大,因此,其發展初期未免差強人意。
               
              到了上世紀七十年代末,開始出現PVD(物理氣相沉積)技術,為真空涂層開創了一個充滿燦爛前景的新天地,之后在短短的二、三十年間PVD涂層技術得到迅猛發展,究其原因,是因為其在真空密封的腔體內成膜,幾乎無任何環境污染問題,有利于環保;因為其能得到光亮、華貴的表面,在顏色上,成熟的有七彩色、銀色、透明色、金黃色、黑色、以及由金黃色到黑色之間的任何一種顏色,可謂五彩繽紛,能夠滿足裝飾性的各種需要;又由于PVD技術,可以輕松得到其他方法難以獲得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂層、復合涂層,應用在工裝、模具上面,可以使壽命成倍提高,較好地實現了低成本、高收益的效果;此外,PVD涂層技術具有低溫、高能兩個特點,幾乎可以在任何基材上成膜,因此,應用范圍十分廣闊,其發展神速也就不足為奇。真空涂層技術發展到了今天還出現了PCVD(物理化學氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學氣相沉積)等新技術,各種涂層設備、各種涂層工藝層出不窮,如今在這一領域中,已呈現出百花齊放,百家爭鳴的喜人景象。
               
              與此同時,我們還應該清醒地看到,真空涂層技術的發展又是嚴重不平衡的。由于刀具、模具的工作環境極其惡劣,對薄膜附著力的要求,遠高于裝飾涂層。因而,盡管裝飾涂層的廠家已遍布各地,但能夠生產工模涂層的廠家并不多。再加上刀具、模具涂層售后服務的欠缺,到目前為止,國內大多數涂層設備廠家都不能提供完整的刀具涂層工藝技術(包括前處理工藝、涂層工藝、涂后處理工藝、檢測技術、涂層刀具和模具的應用技術等),而且,它還要求工藝技術人員,除了精通涂層的專業知識以外,還應具有扎實的金屬材料與熱處理知識、工模涂層前表面預處理知識、刀具、模具涂層的合理選擇以及上機使用的技術要求等,如果任一環節出現問題,都會給使用者產生使用效果不理想這樣的結論。所有這些,都嚴重制約了該技術在刀具、模具上的應用。
               
              另一方面,由于該技術是一門介乎材料學、物理學、電子、化學等學科的新興邊緣學科,而國內將其應用于刀具、模具生產領域內的為數不多的幾個骨干廠家,大多走的也是一條從國外引進先進設備和工藝技術的路子,尚需一個消化、吸收的過程,因此,國內目前在該領域內的技術力量與其發展很不相稱,急需奮起直追。
               
              2. PVD涂層的基本概念及其特點
               
              PVD是英文“Physical Vapor Deposition”的縮寫形式,意思是物理氣相沉積。我們現在一般地把真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍等都稱為物理氣相沉積。
               
              較為成熟的PVD方法主要有多弧鍍與磁控濺射鍍兩種方式。多弧鍍設備結構簡單,容易操作。它的離子蒸發源靠電焊機電源供電即可工作,其引弧的過程也與電焊類似,具體地說,在一定工藝氣壓下,引弧針與蒸發離子源短暫接觸,斷開,使氣體放電。由于多弧鍍的成因主要是借助于不斷移動的弧斑,在蒸發源表面上連續形成熔池,使金屬蒸發后,沉積在基體上而得到薄膜層的,與磁控濺射相比,它不但有靶材利用率高,更具有金屬離子離化率高,薄膜與基體之間結合力強的優點。此外,多弧鍍涂層顏色較為穩定,尤其是在做TiN涂層時,每一批次均容易得到相同穩定的金黃色,令磁控濺射法望塵莫及。多弧鍍的不足之處是,在用傳統的DC電源做低溫涂層條件下,當涂層厚度達到0.3μm時,沉積率與反射率接近,成膜變得非常困難。而且,薄膜表面開始變朦。多弧鍍另一個不足之處是,由于金屬是熔后蒸發,因此沉積顆粒較大,致密度低,耐磨性比磁控濺射法成膜差。
               
              可見,多弧鍍膜與磁控濺射法鍍膜各有優劣,為了盡可能地發揮它們各自的優越性,實現互補,將多弧技術與磁控技術合而為一的涂層機應運而生。在工藝上出現了多弧鍍打底,然后利用磁控濺射法增厚涂層,最后再利用多弧鍍達到最終穩定的表面涂層顏色的新方法。
               
              大約在八十年代中后期,出現了熱陰極電子槍蒸發離子鍍、熱陰極弧磁控等離子鍍膜機,應用效果很好,使TiN涂層刀具很快得到普及性應用。其中熱陰極電子槍蒸發離子鍍,利用銅坩堝加熱融化被鍍金屬材料,利用鉭燈絲給工件加熱、除氣,利用電子槍增強離化率,不但可以得到厚度3~5μm的TiN涂層,而且其結合力、耐磨性均有不俗表現,甚至用打磨的方法都難以除去。但是這些設備都只適合于TiN涂層,或純金屬薄膜。對于多元涂層或復合涂層,則力不從心,難以適應高硬度材料高速切削以及模具應用多樣性的要求。
               
              目前,一些發達國家(如德國CemeCon、英國ART-TEER、瑞士Platit)在傳統的磁控濺射原理基礎上,用非平衡磁場代替原先的平衡磁場、50KHz的中頻電源代替原來的直流電源、脈沖電源取代以往的直流偏壓,采用輔助陽極技術等,使磁控濺射技術逐步成熟,已大批量應用在工模涂層上,現在已穩定生產的涂層主要有TiAlN、AlTiN、TiB2、DLC、CrN,我國廣東、江蘇、貴州、株洲等地也已陸續引進此種設備,大有星火燎原之勢。
               
              3.現代涂層設備(均勻加熱技術、溫度測量技術、非平衡磁控濺射技術、輔助陽極技術、中頻電源、脈沖技術)現代涂層設備主要由真空室、真空獲得部分、真空測量部分、電源供給部分、工藝氣體輸入系統、機械傳動部分、加熱及測溫部件、離子蒸發或濺射源、水冷系統等部分組成。
               
              3.1真空室
               
              涂層設備主要有連續涂層生產線及單室涂層機兩種形式,由于工模涂層對加熱及機械傳動部分有較高要求,而且工模形狀、尺寸千差萬別,連續涂層生產線通常難以滿足要求,須采用單室涂層機。
               
              3.2真空獲得部分
               
              在真空技術中,真空獲得部分是重要組成部分。由于工模件涂層高附著力的要求,其涂層工藝開始前背景真空度最好高于6mPa,涂層工藝結束后真空度甚至可達0.06mPa以上,因此合理選擇真空獲得設備,實現高真空度至關重要。
               
              就目前來說,還沒有一種泵能從大氣壓一直工作到接近超高真空。因此,真空的獲得不是一種真空設備和方法所能達到的,必須將幾種泵聯合使用,如機械泵、分子泵系統等。
               
              3.3真空測量部分
               
              真空系統的真空測量部分,就是要對真空室內的壓強進行測量。像真空泵一樣,沒有一種真空計能測量整個真空范圍,人們于是按不同的原理和要求制成了許多種類的真空計。#p#分頁標題#e#
               
              3.4電源供給部分
               
              靶電源主要有直流電源(如MDX)、中頻電源(如美國AE公司生產的PE、PEII、PINACAL);工件本身通常需加直流電源(如MDX)、脈沖電源(如美國AE公司生產的PINACAL+)、或射頻電源(RF)。
               
              3.5工藝氣體輸入系統
               
              工藝氣體,如氬氣(Ar)、氪氣(Kr)、氮氣(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氫氣(H2)、氧氣(O2)等,一般均由氣瓶供應,經氣體減壓閥、氣體截止閥、管路、氣體流量計、電磁閥、壓電閥,然后通入真空室。這種氣體輸入系統的優點是,管路簡捷、明快,維修或更換氣瓶容易。各涂層機之間互不影響。也有多臺涂層機共用一組氣瓶的情況,這種情況在一些規模較大的涂層車間可能有機會看到。它的好處是,減少氣瓶占用量,統一規劃、統一布局。缺點是,由于接頭增多,使漏氣機會增加。而且,各涂層機之間會互相干擾,一臺涂層機的管路漏氣,有可能會影響到其他涂層機的產品質量。此外,更換氣瓶時,必須保證所有主機都處于非用氣狀態。
               
              3.6機械傳動部分刀具涂層要求周邊必須厚度均勻一致,因此,在涂層過程中須有三個轉動量才能滿足要求。即在要求大工件臺轉動(I)的同時,小的工件承載臺也轉動(II),并且工件本身還能同時自轉(III)。
               
              在機械設計上,一般是在大工件轉盤底部中央為一大的主動齒輪,周圍是一些小的星行輪與之嚙合,再用撥叉撥動工件自轉。當然,在做模具涂層時,一般有兩個轉動量就足夠了,但是齒輪可承載量必須大大增強。
               
              3.7加熱及測溫部分
               
              做工模涂層的時候,如何保證被鍍工件均勻加熱比裝飾涂層加熱要重要得多。工模涂層設備一般均有前后兩個加熱器,用熱電偶測控溫度。但是,由于熱電偶裝夾的為置不同,因而,溫度讀數不可能是工件的真實溫度。要想測得工件的真實溫度,有很多方法,這里介紹一種簡便易行的表面溫度計法(Surface Thermomeer)。該溫度計的工作原理是,當溫度計受熱,底部的彈簧將受熱膨脹,使指針推動定位指針旋轉,直到最高溫度。降溫的時候,彈簧收縮,指針反向旋轉,但定位指針維持在最高溫度位置不動,開門后,讀取定位指針指示的溫度,即為真空室內加熱時,表面溫度計放置位置所曾達到的最高溫度值。
               
              3.8離子蒸發及濺射源
               
              多弧鍍的蒸發源一般為圓餅形,俗稱圓餅靶,近幾年也出現了長方形的多弧靶,但未見有明顯效果。圓餅靶裝在銅靶座(陰極座)上面,兩者為羅紋連接。靶座中裝有磁鐵,通過前后移動磁鐵,改變磁場強度,可調整弧斑移動速度及軌跡。為了降低靶及靶座的溫度,要給靶座不斷通入冷卻水。為了保證靶與靶座之間的高導電、導熱性,還可以在靶與靶座之間加錫(Sn)墊片。
               
              3.9水冷系統
               
              因為工模涂層時,為了提高金屬原子的離化率,各個陰極靶座都盡可能地采用大的功率輸出,需要充分冷卻;而且,工模涂層中的許多種涂層,加熱溫度為400~500℃,因此,對真空室壁、對各個密封面的冷卻也很重要,所以冷卻水最好采用18~20℃左右的冷水機供水。
               
              為了防止開門后,低溫的真空室壁、陰極靶與熱的空氣接觸析出水珠,在開門前10分鐘左右,水冷系統應有能力切換到供熱水狀態,熱水溫度約為40~45℃。
               
              4.工模具PVD的工作步驟
               
              工模具PVD基本工藝流程可簡述為:IQC→前處理→PVD→FQC,分別介紹如后。
               
              4.1 IQC
               
              IQC(In Quality Control)的主要工作除了常規的清點數量,檢查圖紙與實物是否相符外,還須仔細檢查工件表面,特別是刃口部位有無裂紋等缺陷。有時對于一些刀具、刀粒的刃口,在體式顯微鏡下觀察,更方便發現問題;另外,IQC的人員還要注意檢查待鍍膜件有無塑膠、低熔點的焊料等,這些東西如果因漏檢而混入鍍膜程序,則將在真空室內嚴重放氣,輕者造成整批產品脫涂層,重者使原本OK的產品報廢,后果不堪設想。
               
              4.2前處理工藝(蒸汽 槍、噴砂、拋光、清洗)
               
              前處理的目的是凈化或粗化工件表面。凈化就是要去除各種表面玷污物,制備潔凈表面。通常使用各種凈化劑,借助機械、物理或化學的方法進行凈化。
               
              粗化與光蝕相反,其目的在于制備粗糙的表面以提高噴涂層或涂料裝飾的結構強度。
               
              我們現在已有的前處理主要方法為:高溫蒸洗、清洗、噴砂、打磨、拋光等方法。
               
              4.2.1高溫蒸洗
               
              目前,PVD車間常用的高溫蒸洗設備是蒸汽 槍。它的最大工作溫度可達145℃,氣壓在3~5巴左右。由于模具中經常帶有一些細小孔、螺紋孔,孔內中常常有油污、殘余冷卻液等雜質,用常規清洗的方法難以除去。此時,高溫蒸洗設備便可最大程度的發揮它的優越性。
               
              4.2.2清洗
               
              各廠工模涂層前清洗程序大致如下:
               
              ①超聲波除蠟→②過水→③超聲波除油→④過水→⑤超聲波自換→⑥過水→⑦過純水→⑧強風干燥
               
              具體實施時,與我們所熟悉的裝飾涂層前的清洗又有許多不同。這是因為裝飾涂層的底材大多為不銹鋼或鈦合金,不容易生銹。此外,裝飾涂層對水印、點痣等缺陷是絕對不允許的。因此,裝飾涂層對純水的水質要求極高,甚至要達到15MΩ以上。要保證清洗的高質量,可以通過反復清洗,并在高質量的純水加超聲波中長時間浸泡來得到。但是,工模的清洗就不同,尤其是一些熱做模具鋼,如果像裝飾涂層那樣去清洗,就會銹得一塌糊涂。
               
              由于工模涂層的原始表面狀態,除了一些高標準的鏡面模具以外,一般較裝飾涂層要粗糙,因而,對涂層后的表面狀態的要求也不象裝飾涂層那樣高,這就允許我們采取快速過水,用干燥、無油的壓縮空氣吹干,然后對工模強風干燥的方法來處理。而那些高標準的鏡面模具,一般均為136等不銹鋼,可以借用裝飾涂層的清洗法。
               
              總而言之,工模涂層前的清洗方法因工模所使用的材料的不同而不同,因工模涂層前的表面狀態的不同而不同,且不可千篇一律。下面是幾種材料生銹由難到易的排序,供參考:
               
              不銹鋼、硬質合金、金屬陶瓷合金、DC53、高速鋼、8407有一種自動清洗機型號為CR288,產自德國。該機一次最大清洗量為80KG,主要用于清洗刀具、小型零部件、或小尺寸的模具。它共有三個清洗缸,里面的溶液分別為自來水+清洗劑、自來水、去離子水。除了常見的超聲波、大水沖洗、噴淋、擺動、熱風干燥等功能外,該機另外一個優點是最后設有抽真空步驟,可以使水分盡快揮發掉。#p#分頁標題#e#
               
              自動清洗機內存十種工藝,均由供方預先設定。一至九可分別用于不同類型的產品、不同的表面狀態的凈化處理。第十種用于加注清洗劑。
               
              4.2.3噴砂
               
              噴砂法是借助壓縮空氣使磨料強力沖刷工件表面,從而去除銹蝕、積碳、焊渣、氧化皮、殘鹽、舊漆層等表面缺陷。按磨料使用條件,噴砂分為干噴砂與濕噴砂兩類。
               
              噴砂的工藝參數主要有槍距、傾角、裝夾臺旋轉速度、移動速度、行程、往返次數、噴砂時間、噴砂氣壓。我們已使用過的參數有槍距:30~70mm;傾角30~70°;裝夾臺旋轉速度10~30;往返次數3~9次;噴砂氣壓:1.8~3.5巴等。具體操作時,根據工件表面臟污程度,工件硬度,工件表面幾何形狀等因素,選取上下限。我們在干噴砂機中所選用的磨料為玻璃珠,適合噴一些硬度介中的材料,如油鋼、模具等;在液體噴砂機中所選用的磨料為氧化鋁,硬度較高,適合噴一些硬度高的材料,如硬質合金材料。對于工模涂層而言,噴砂所使用的磨料粒度也很重要。如果磨料粒度過大,則工件表面太粗糙;如果磨料粒度太小,又會降低打擊力度,甚至嵌在工件表面,清洗難以去除,從而使工件涂層附著力降低。為此,歐洲一些國家,對工模涂層前噴砂所用磨料粒度做過仔細研究,嚴格到必須保證85%以上的晶粒度在中A、B兩點范圍內才能使用。相比之下,我國磨料的供應商還缺乏這方面的共識,我們也很少有做這方面的檢驗。
               
              4.3 PVD涂層工藝(加熱、離子清洗、涂層、冷卻、工藝氣體、氣壓、溫度、濺射功率)
               
              4.4 FQC
               
              FQC的英文全拼為:“Function Quality Control”,意思是功能質量控制,它有別與一般意義上的OQC(Out Quality Control)。FQC的內容主要包括外觀檢查、層深檢查、附著力檢查、耐磨性檢查、抗蝕性檢查、模擬性測試等方法。我廠目前應用的主要有外觀檢查、層深檢查和附著力檢查。
               
              由于我們所接觸的產品大多都是不允許做破壞性檢查的,因而我們在鍍膜時,每批都會放進隨批試樣。做層深檢查和附著力檢查的時候,大多數情況下,實際上是對隨批試樣進行檢查。因為試樣與產品在原材料、熱處理狀態、裝夾位置等方面都難于一致,所以這樣檢測出的結果,與產品實際值會有一定的誤差。有時可能還會有相當大的誤差,只能做參考使用。當然,必要的時候,我們也可以通過制作模擬件,達到準確測量的目的。
               
              4.4.1外觀檢查
               
              對于開門取件后的產品,應仔細檢查表面有無裂紋、掉涂層、疏松等缺陷。對于刀具、刀粒,還需在顯微鏡下仔細檢查它們的刃口狀態。
               
              4.4.2層深檢查
               
              層深檢查有切片金相觀察法、X-ray檢查法、用單色光做光源的光學測試法、球磨儀測試法等多種方法。工模涂層的層深檢查是在球磨儀上進行的。方法是先用直徑為10mm的鋼球與測試表面滾磨,然后在顯微鏡下測量磨痕的有關數據,帶入公式中,即可方便算出層深。
               
              這種層深檢查法的特點是:方便適用,誤差稍大。但這種誤差應用于工模上面影響不會太大。有興趣的同事還可參閱有關的說明書。
               
              附著力的檢查方法有很多,各個廠根據自己產品的特點,都制定了相應的檢測方法。其中,比較權威的方法有兩種,一種是在洛氏硬度計上,以圓錐型金剛石壓頭做壓痕試驗,在顯微鏡下觀察,以壓痕周邊裂紋的多少來判斷涂層附著力的高低。該方法對金剛石壓頭的形狀要求很高,不但嚴格要求中心點在圓的中心,而且金剛石圓錐的圓度必須十分規則。遺憾的是,目前,我國還沒有它的國家或行業標準;另一種方法是劃痕法,我國有些涂層發起較早的科研部門,也是采用的該方法,有專門的國家行業標準可供查詢。
               
              5.工裝夾具的處理
               
              6.涂后處理工藝(噴砂、涂脂技術)
               
              7.檢測技術(結合力的檢測、層深的檢測、酸蝕)
               
              8.涂層剝離技術(TiN/TiAlN的剝離技術、CrN/DLC/CrAlTiN的剝離技術、硬質合金的表面涂層剝離技術)
               
              9.涂層刀具的應用技術(涂層的正確選擇、涂層刀具的正確使用)
               
              涂層對刀具的優化非常大,由于高速切削加工比傳統切削加工所產生的溫度要高,應用涂層,可以發揮其耐高溫、抗氧化及加硬材質等作用。例如,氮化鉻(CrN)涂層可降低磨擦系數,改善光潔度及排屑情況。

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