金属表面处理,PVD涂层的分类

物理气相沉积(PVD)是一种表面处理的标准化称谓。从高精密加工刀具 、装饰件、高要求机械零部件到各类模具等都具有很广泛的用途,它是一种真正能够获得微米级涂层且无污染的环保型表面处理方法,且在不影响工件原来尺寸的情况下,PVD膜可用来改善表面的外观, 提高表面的强度,增强耐磨性,而且具有很好的导热、防腐蚀、自润滑及抗刮擦的能力。

PVD技术出现于20世纪70年代末,其工艺处理温度可控制在500℃以下, 因此可作为最终处理工艺用于各类机加工刀具(包括齿轮滚刀、拉刀、钻头、铣刀、铰刀、焊接刀具、丝锥等)、各类成型模具(包括汽车零部件成型模具、塑胶模具、铝合金压铸模具等)和摩擦磨损件(包括各种需要配合的摩擦副如电喷装置中的柱塞、无油轴承等)。由于采用PVD工艺可大幅度提高刀具、模具和摩擦磨损件的性能,所以该技术自80年代以来得到了迅速推广。

PVD技术中,真空蒸镀技术出现较早,但由于其膜与基体的结合力不高,多用于装饰和半导体元件,而难于用于工具。 1963年,美国Sandia公司的D.M.Hatton首先提出离子镀(ion plating)技术,并于1976年获得美国专利。两年后,美国IBM公司研制出射频溅射法,这样离子镀、溅射镀与蒸镀构成了PVD的3大系列。目前发展最为迅速的是前两种技术。PVD涂层技术分类方法较多,下图是其中一种:

金属表面处理,PVD涂层的分类 金属加工 PVD

20世纪70~80年代随着PVD技术的崛起和不断扩大应用,使得表面涂层技术全面繁荣。1972年R.F.Bunshan发明了活性反应蒸镀技术(ARE);1973年美国推出多弧离子镀,日本的村山洋一发明了射频离子镀( radio frequency ionplating)。1974年小宫泽治将空心阴极放电技术用于离子镀形成了目前广泛应用的空心阴极离子镀(HCD)。随后又相继推出了磁控溅射离子镀、活性反应离子镀、集团束离子镀、冷电弧离子镀等。同一时期相应地溅射技术也得到迅速发展,先后出现了二极、三极、四极溅射,平面靶、同轴靶、对靶、磁控溅射和射频溅射等技术80年代还产生了将辉光放电与化学气相沉积相结合的等离子体化学气相沉积技术。

我国PVD涂层技术的研发工作始于80年代初期,至80年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机,并开发了高速钢刀具TiN涂层工艺技术。在此期间,由于对切削刀具涂层市场前景看好,国内共有七家大型工具厂从国外引进了大型PVD涂层设备(如汉江工具厂、上海工具厂、成都工具研究所、株洲刀具厂、陕西航空硬质合金厂等)。技术及设备的引进调动了国内PVD技术的开发热潮,许多科研单位和各大真空设备厂纷纷展开了大型离子镀膜机的研制工作,并于90年代初开发出多种PVD涂层设备。但由于多数设备性能指标不高,无法保证刀具涂层质量,同时预期的市场经济效益未能实现,因此大多数企业本对PVD刀具涂层技术作进一步深人研究,导致近10年国内PVD刀具涂层技术的发展徘徊不前。尽管90年代末国内成功开发出硬质合金TiCN-TiN多元复合涂层工艺技术并达到实用水平,CNx涂层技术的研发也有重大突破,但与国际发展水平相比,我国的刀具PVD涂层技术仍落后至少十年,目前国际PVD涂层技术已发展到第五代,而国内尚处于第二代水平,且仍以单层TiN涂层为主。

总体上说,国外的PVD表面工程无论是研发还是产业化远远走在了我国的前面,而我国在研发方面几乎是空白,产业化方面也少之又少。