1. 摘要

2. 真空涂層技術(shù)的發(fā)展

真空涂層技術(shù)起步時間不長,，國際上在上世紀(jì)六十年代才出現(xiàn)將CVD(化學(xué)氣相沉積)技術(shù)應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具上。由于 該技術(shù)需在高溫下進行(工藝溫度高于 1000ºC),，涂層種類單一,，局限性很大，因此,，其發(fā)展初期未免差強人意,。

到了上世紀(jì)七十年代末，開始出現(xiàn) PVD(物理氣相沉積) 技術(shù),，為真空涂層開創(chuàng)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(shù)得到迅猛發(fā)展,，究其原因,，是因為其在真空密封的腔體內(nèi)成膜，幾乎無任何環(huán)境污染問題,，有利于環(huán)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(shù),，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(fù)合涂層,，應(yīng)用在工裝、模具上面,，可以使壽命成倍提高,，較好地實現(xiàn)了低成本、高收益的效果,；此外,， PVD 涂層技術(shù)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(yīng)用范圍十分廣闊,，其發(fā)展神速也就不足為奇,。真空涂層技術(shù)發(fā)展到了今天還出現(xiàn)了 PCVD(物理化學(xué)氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學(xué)氣相沉積)等新技術(shù),，各種涂層設(shè)備,、各種涂層工藝層出不窮，如今在這一領(lǐng)域中,，已呈現(xiàn)出百花齊放,，百家爭鳴的喜人景象。

與此同時,，我們還應(yīng)該清醒地看到,，真空涂層技術(shù)的發(fā)展又是嚴(yán)重不平衡的。由于刀具,、模具的工作環(huán)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(chǎn)工模涂層的廠家并不多。再加上刀具,、 模具涂層售后服務(wù)的欠缺,，到目前為止，國內(nèi)大多數(shù)涂層設(shè)備廠家都不能提供完整的刀具涂層工藝技術(shù)(包括前處理工藝,、涂層工藝,、涂后處理工藝、檢測技術(shù),、涂層刀具和模具的應(yīng)用技術(shù)等),，而且，它還要求工藝技術(shù)人員,，除了精通涂層的專業(yè)知識以外,，還應(yīng)具有扎實的金屬材料與熱處理知識、工模涂層前表面預(yù)處理知識,、刀具,、模具涂層的合理選擇以及上機使用的技術(shù)要求等，如果任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,，都會給使用者產(chǎn)生使用效果不理想這樣的結(jié)論,。所有這些，都嚴(yán)重制約了該技術(shù)在刀具,、模具上的應(yīng)用,。

另一方面，由于該技術(shù)是一門介乎材料學(xué),、物理學(xué),、電子、化學(xué)等學(xué)科的新興邊緣學(xué)科,，而國內(nèi)將其應(yīng)用于刀具,、模具生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的為數(shù)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(shè)備和工藝技術(shù)的路子,，尚需一個消化,、吸收的過程，因此,，國內(nèi)目前在該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)力量與其發(fā)展很不相稱,，急需奮起直追。

3. 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(xiàn)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(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，容易操作,。它的離子蒸發(fā)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(fā)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(fā)源表面上連續(xù)形成熔池,，使金屬蒸發(fā)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(jié)合力強的優(yōu)點,。此外，多弧鍍涂層顏色較為穩(wěn)定,，尤其是在做 TiN 涂層時,，每一批次均容易得到相同穩(wěn)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(tǒng)的 DC 電源做低溫涂層條件下，當(dāng)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(fā),，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(yōu)劣，為了盡可能 地發(fā)揮它們各自的優(yōu)越性，實現(xiàn)互補,，將多弧技術(shù)與磁控技術(shù)合而為一的涂層機應(yīng)運而生,。在工藝上出現(xiàn)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(wěn)定的表面涂層顏色的新方法,。

大約在八十年代中后期，出現(xiàn)了熱陰極電子槍蒸發(fā)離子鍍,、熱陰極弧磁控等離子鍍膜機,，應(yīng)用效果很好，使TiN 涂層刀具很快得到普及性應(yīng)用,。其中熱陰極電子槍蒸發(fā)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(jié)合力,、耐磨性均有不俗表現(xiàn)，甚至用打磨的方法都難以除去,。但是這些設(shè)備都只適合于 TiN涂層,，或純金屬薄膜。對于多元涂層或復(fù)合涂層,，則力不從心,，難以適應(yīng)高硬度材料高速切 削以及模具應(yīng)用多樣性的要求。

目前,，一些發(fā)達國家(如德國 CemeCon,、英國 ART-TEER、 瑞士 Platit)在傳統(tǒng)的磁控濺射原理基礎(chǔ)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(shù)等,，使磁控濺射技術(shù)逐步成熟，已大批量應(yīng)用在工模涂層上,，現(xiàn)在已穩(wěn)定生產(chǎn)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(xù)引進此種設(shè)備，大有星火燎原之勢,。

4. 現(xiàn)代涂層設(shè)備(均勻加熱技術(shù),、溫度測量技術(shù)、非平衡磁控濺 射技術(shù),、輔助陽極技術(shù),、中頻電源、脈沖技術(shù)) 現(xiàn)代涂層設(shè)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(tǒng)、機械傳動部分,、加熱及測溫部件,、離子蒸發(fā)或濺射源、水冷系統(tǒng)等部分組成,。

4.1 真空室

涂層設(shè)備主要有連續(xù)涂層生產(chǎn)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(xù)涂層生產(chǎn)線通常難以滿足要求，須采用 單室涂層機,。

4.2 真空獲得部分

在真空技術(shù)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(jié)束后真空度甚至可達 0.06mPa 以上，因此合 理選擇真空獲得設(shè)備,，實現(xiàn)高真空度至關(guān)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(shè)備和方法所能達到的，必須將幾種泵聯(lián)合使用,，如機械泵,、分子泵系統(tǒng)等,。

4.3 真空測量部分

真空系統(tǒng)的真空測量部分，就是要對真空室內(nèi)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,。

4.4 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(chǎn)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(chǎn)的 PINACAL+),、或射頻電源(RF),。

4.5 工藝氣體輸入系統(tǒng)

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(yīng),，經(jīng)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(tǒng)的優(yōu)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(guī)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(tǒng)一規(guī)劃,、統(tǒng)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(chǎn)品質(zhì)量,。此外，更換氣瓶時,，必須保證所有主機都處于非用氣狀態(tài),。

4.6 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(zhuǎn)動量才能滿足要求,。即在要求大工件臺轉(zhuǎn)動(I)的同時，小的工件承載臺也轉(zhuǎn)動( II),并且工件本身還能同時自轉(zhuǎn)(III),。

在機械設(shè)計上,，一般是在大工件轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。當(dāng)然,，在做模具涂層時,，一般有兩個轉(zhuǎn)動量就足夠了，但是齒輪可承載量必須大大增強,。

4.7 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(shè)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(shù)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(dāng)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(zhuǎn),，直到最高溫度,。降溫的時候,，彈簧收縮，指針反向旋轉(zhuǎn),，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(nèi)加熱時,，表面溫度計放置位置所曾達到的最高溫度值。

4.8 離子蒸發(fā)及濺射源

多弧鍍的蒸發(fā)源一般為圓餅形,，俗稱圓餅靶,，近幾年也出現(xiàn)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(diào)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(dǎo)電,、導(dǎo)熱性,，還可以在靶與靶座之間加錫(Sn)墊片。

磁控濺射鍍膜一般采用長方形或圓柱形靶材,，

4.9 水冷系統(tǒng)

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 400~500ºC,，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18~20ºC 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(tǒng)應(yīng)有能力切換到供 熱水狀態(tài),，熱水溫度約為 40~45ºC,。

5. 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,。

5.1 IQC

IQC(In Quality Control)的主要工作除了常規(guī)的清點數(shù)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(fā)現(xiàn)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(nèi)嚴(yán)重放氣,，輕者造成整批產(chǎn)品脫涂層，重者使原本 OK 的產(chǎn)品報廢,，后果不堪設(shè)想。

5.2 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(xué)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(jié)構(gòu)強度,。

我們現(xiàn)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,。

5.2.1 高溫蒸洗

目前,，PVD 車間常用的高溫蒸洗設(shè)備是蒸汽槍,。它的最大工作溫度可達 145?C,，氣壓在 3~5 巴左右。由于模具中經(jīng)常帶有一些細小孔,、螺紋孔,，孔內(nèi)中常常有油污、殘余冷卻液等雜質(zhì),，用 常規(guī)清洗的方法難以除去,。此時，高溫蒸洗設(shè)備便可最大程度的發(fā)揮它的優(yōu)越性,。

5.2.2 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(fēng)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(zhì)要求極高,，甚至要達到 15MΩ 以上。要保證清洗的高質(zhì)量,，可以通過反復(fù)清洗,，并在高質(zhì)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(tài),，除了一些高標(biāo)準(zhǔn)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(tài)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(fēng)干燥的方法來處理,。而那些高標(biāo)準(zhǔn)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(tài)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(zhì)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(chǎn)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(fēng)干燥等功能外,，該機另外一個優(yōu)點是最后設(shè)有抽真空步驟，可以使水分盡快揮發(fā)掉,。

自動清洗機內(nèi)存十種工藝，均由供方預(yù)先設(shè)定,。一至九可分別用于不同類型的產(chǎn)品,、不同的表面狀態(tài)的凈化處理。第十種用于加注清洗劑,。

5.2.3 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(shù)主要有槍距,、傾角、裝夾臺旋轉(zhuǎn)速度,、移動速度、行程,、往返次數(shù)、噴砂時間,、噴砂氣壓。我們已使用過的參數(shù)有槍距：30~70mm; 傾角 30~70?C; 裝夾臺旋轉(zhuǎn)速度 10~30,；往返次數(shù) 3~9 次,；噴砂氣壓：1.8~3.5 巴等,。具體操作時,，根據(jù)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(zhì)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(yán)格到必須保證 85%以上的晶粒度在中 A、B 兩點范圍內(nèi)才能使用,。相比之下,，我國磨料的供應(yīng)商還缺乏這方面的共識,，我們也很少有做這方面的檢驗,。

5.3 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)

5.4 FQC

FQC 的英文全拼為：“Function Quality Control”,，意思是功能 質(zhì) 量 控 制 ， 它有別與一般意義上的 OQC(Out Quality Control) ,。FQC 的內(nèi)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(yīng)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(chǎn)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(shù)情況下，實際上是對隨批試樣進行檢查,。因為試樣與產(chǎn)品在原材料、熱處理狀態(tài),、裝夾位置等方面都難于一致,，所以這樣檢測出的結(jié)果,，與產(chǎn)品實際值會有一定的誤差,。有時可能還會有相當(dāng)大的誤差,，只能做參考使用,。當(dāng)然,，必要的時候,，我們也可以通過制作模擬件,，達到準(zhǔn)確測量的目的,。

5.4.1 外觀檢查

對于開門取件后的產(chǎn)品,，應(yīng)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(tài),。

5.4.2 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(xué)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(guān)數(shù)據(jù),，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(yīng)用于工模上面影響不會太大,。有興趣的同事還可參閱有關(guān)的說明書,。

附著力的檢查方法有很多，各個廠根據(jù)自己產(chǎn)品的特點,，都制定了相應(yīng)的檢測方法。其中,，比較權(quán)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(yán)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(guī)則。遺憾的是,，目前,，我國還沒有它的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),；另一種方法是劃痕法,，我國有些涂層發(fā)起較早的科研部門，也是采用的該方法,，有專門的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可供查詢。

6. 工裝夾具的處理

7. 涂后處理工藝(噴砂,、涂脂技術(shù))

8. 檢測技術(shù)(結(jié)合力的檢測,、層深的檢測、酸蝕)

9. 涂層剝離技術(shù)(TiN/TiAlN 的剝離技術(shù),、CrN/DLC/CrAlTiN 的剝離技術(shù),、硬質(zhì)合金的表面涂層剝離技術(shù))

10.涂層刀具的應(yīng)用技術(shù)(涂層的正確選擇、涂層刀具的正確使用

涂層對刀具的優(yōu)化非常大,，由于高速切削加工比傳統(tǒng)切削 加工所產(chǎn)生的溫度要高,，應(yīng)用涂層，可以發(fā)揮其耐高溫,、抗氧化及加硬材質(zhì)等作用,。例如，氮化鉻(CrN)涂層可降低磨擦系數(shù),，改善光潔度及排屑情況,。