1、 第第8 8章章 工模具的物理气相沉积工模具的物理气相沉积第八章第八章8.1 溅射涂层8.4 物理气相沉积技术在工模具的应用8.2 离子镀技术8.3 工模具真空涂层产业的发展8.18.1溅射涂层溅射涂层溅射涂层(镀膜)是指在真空中，利用荷能粒子轰击镀料表面，使其原子获得足够的能量而溅出表面，沉积在基片上的技术。由于各种物质(包括高熔点、低蒸气压的金属和化合物)都可发生溅射，且溅射涂层的性能好，与基材的结合力强，因此比真空蒸镀要优越得多，适于用作工模具的涂层。8.1.1 溅射涂层的原理及分类 当荷能粒子轰击固体(靶材)表面时，将发生一系列物理和化学现象，如图81所示。这些现象包括：靶材表面的原子
2、、离子或分子的发射(溅射)；二次电子发射；入射离子的反射；光子和X射线的发射；气体的解吸；气体分解；溅射粒子背反射；加热；化学分解或反应；体扩散；碰撞级联；晶格损伤和注入等。这些物理或化学过程对溅射成膜都将产生不同程度的影响。这里需要指出，由于真空工作室壁、靶、基片、夹具等都带有一定的负电位，都有可能产生溅射现象，但只有以靶的溅射为主体，成为控制因素时，才能发生真正意义上的溅射成膜。基片上发生的溅射称为溅射清洗。在溅射沉积时，通过设置合理的电气参数，调整各部件相对于等离子体的电位，便可实现特定的某种工艺过程。溅射涂层有两种。一种是在真空室中，利用离子束轰击靶材表面，使溅射出的粒子在基片上成膜，
3、这称为离子束溅射。要实现离子束溅射要配置特制的离子源，这给溅射涂层的设备增加了造价，故一般只在制备特殊的膜层时才采用离子束溅射技术。在电子显微分析技术中对样品的刻蚀，也是用的这种溅射方法。另一种涂层工艺是，在真空室中利用低压气体放电现象，使处于等离子状态下的离子轰击靶面，以使溅射出的粒子在基片上发生沉积。通常把这种工艺方法称为辉光放电阴极溅射。辉光放电阴极溅射的工艺形式，从不同的角度来看，有不同的分类方法。例如，从电 极结构的角度来看，有二极溅射(Diode Sputtering)、三极溅射(Triod Sputtering)、四极溅射(等离子弧柱溅射，Plasma Arc Sputterin
4、g)、磁控溅射等方式；从电源与放电形式来看，有直流溅射(DCSputtering)、射频溅射(RFSputtering)、偏压溅射(Bias Sputtering)、溅射离子镀等种类。8.1.2 8.1.2 磁控溅射技术磁控溅射技术 图图82直流二极溅射原理图直流二极溅射原理图 图图83平面磁控溅射靶平面磁控溅射靶T作原理作原理 1一阴极靶；一阴极靶；2一氩离子；一氩离子；3一二次电子；一二次电子；4一溅射原子；一溅射原子；5一基片；一基片；6一阳极；一阳极；7一靶电源；一靶电源；8一阴极暗区；一阴极暗区；9一等离子体区。一等离子体区。8.2 8.2 离子镀技术离子镀技术8.2.1 8.2.1
5、 概述概述真空离子镀膜技术(简称离子镀，Ion Plating)，属于物理气相沉积(PVD)技术领域，是在真空蒸发镀膜和溅射技术基础上发展起来的一种新的涂层技术。离子镀是在真空条件下，利用气体放电璧皇婴方支电使工作气体或被蒸发材料(靶材)部分离化，在工作气体离子或被蒸发物质的亭子轰击下，将蒸发物或其反应产物沉积在待镀工件(基片)上的过程。这是一项把气体方文电或电弧放电、等离子体技术和真空蒸发技术结合起来的镀膜技术。电弧离子镀的技术优势更大，它的优点很多：设备结构较简单，弧源既是阴极材料的蒸发源，又是离子源；离化率高，一般可达6080，沉积速率高；入射离享能量大，膜基结合力高，涂层质量好。因而应
6、用面广，实用性强，作为硬质膜涂层手段，在刀具和各种工模具上已获得重要应用，有广阔的应用前景，已发展为世界范围的一项高新技术产业。通过真空离子镀技术，在高速钢、硬质合金和其他工模具材料基体上，涂覆一层硬质涂层(一般只有几微米厚)，是提高刀具、模具耐磨性、热稳定性，延长其服役寿命的有效途径之一。在硬质涂层家族中，经过多年的研发，已经出现了不少新的、品种。8.2.2 8.2.2 电弧离子镀的基本原理电弧离子镀的基本原理图图84电弧离子镀原理示意图电弧离子镀原理示意图 阴极电弧离子镀是把真空弧光放电阴极电弧离子镀是把真空弧光放电用于蒸发源的技术。由于镀膜设备用于蒸发源的技术。由于镀膜设备中通常设置有多
7、个阴极靶，把这种中通常设置有多个阴极靶，把这种技术实用化的美国技术实用化的美国MultiArc公司又公司又称其为多弧离子镀。称其为多弧离子镀。图图84是电弧离子镀的原理示意图。是电弧离子镀的原理示意图。真空室中有一个或多个作为蒸发离真空室中有一个或多个作为蒸发离化源的阴化源的阴极。蒸发离化源由蒸发材极。蒸发离化源由蒸发材料制成的阴极、磁场线圈、固定阴料制成的阴极、磁场线圈、固定阴极的座架、水冷系统、引弧电极极的座架、水冷系统、引弧电极(触触发极发极)等组成，其结构如图等组成，其结构如图85所示。所示。离子镀工作室的炉壁作为阳极离子镀工作室的炉壁作为阳极(接地接地)；工作时工作时真空室压力控制在
8、真空室压力控制在 低压大电流直流电源同时与蒸发离化源和引弧电极相接。引弧电极在与阴极表面接触与离开的瞬间引燃电弧，一旦电弧被引燃，低压大电流电源将维持阴极和阳极之间弧光放电过程，其电流一般为几安至几百安，工作电压为1OV40V。真空电弧离子镀是基于冷阴极真空弧光放电理论的一种沉积技术，按照这种理论，电量的迁移主要借助于场电子发射和正离子电流，这两种机制同时存在，而且相互制约，其过程比较复杂。JEDaolder认为此过程由如下步骤组成：(1)在放电过程中，阴极材料大量蒸发和离化，所产生的部分正离子被吸引在阴极表面附件很小的范围内，形成空间电荷层，由此产生强电场，使阴极表面功函数小的点(如晶界、裂
9、纹等缺陷处)开始发射电子(场电子发射)。(2)在个别发射电子密度高的点，电流密度高，所产生的焦耳热使表面温度升高又产生热电子发射，这种正反馈作用导致电流局部集中。(3)电流局部集中所产生的焦耳热使阴极材料局部微区爆发出等离子化，发射电子和离子，同时也放出熔融的阴极材料粒子(液滴)，然后留下放电痕迹。这些放电微区通常称为弧斑。(4)部分发射出的离子被吸引回阴极表面区附近的空间中，形成新的空间电荷层，产生新的电场，又使新的功函数小的点开始发射电子。8.2.3 8.2.3 电弧离子镀膜机电弧离子镀膜机 实用化的真空电弧离子镀膜机有多种形式，现介绍较有代表性的俄制-6真空电弧离子镀膜机。图86与图87
10、分别为这种镀膜机的结构原理图和实物照片。该镀膜机由真空系统、镀膜系统和电气及控制系统组成。真空系统由机械泵、扩散泵、各阀门及真空规管等组成，真空室尺寸为600mm，极限真空度可达 pa。镀膜系统由大束流冷阴极离子源：弧源、气体引入系统组成。离子源可提供气体离子束，用于溅射清洗基体表面，或用于离子束辅助沉积。镀膜室内有3个弧源，分别安装在顶部及左右两侧。弧源由阴极(靶)、阳极，引弧杆及控弧磁场线圈组成。在阴极真空弧光放电过程中，尽管弧斑的温度很高，但整个靶材由于有水冷，温度只有50200。为了维持真空电弧，一般要求电压为10V40V。这种冷阴极弧光放电，依靠弧斑产生的镀料蒸气即可维持，不必通人氩
11、气为工作气体。图图86-6离子镀膜机结离子镀膜机结构示意图构示意图图图87俄制俄制-6离子镀离子镀膜机膜机8.2.4 8.2.4 电弧离子镀的工艺设计电弧离子镀的工艺设计 图图88 电弧离子镀过程及其参数的联系结构图电弧离子镀过程及其参数的联系结构图8.3 8.3 工模具真空涂层产业的发展工模具真空涂层产业的发展8.3.1 8.3.1 工模具真空涂层产业的发展现状工模具真空涂层产业的发展现状 制造业，特别是装备制造业的整体能力和水平，与切削加工、成形技术及切削刀具、模具的发展水平关系极大。可以预测，在2l世纪前期，工模具及其加工技术仍将是制造业的基础工艺和主要工艺装备，并将在革新传统工艺、开发
12、新的加工工艺技术中发挥重要作用。工模具表面真空涂层技术，是近几十年为适应制造业的发展和市场的需求而发展起来的先进材料表面改性技术。采用涂层技术可有效提高工具、模具使用性能、可靠性和服役寿命，从而大幅度提高机械加工和材料成形工效。8.3.2 8.3.2 加速发展的对策加速发展的对策 1研发有自主知识产权的先进涂层设备 2要努力扶持一批民营涂层企业发展8.4 8.4 物理气相沉积技术在工模具的应用物理气相沉积技术在工模具的应用8.4.1 8.4.1 常用常用PVDPVD涂层的特性和对工模具的涂层的特性和对工模具的适用性适用性 表81和表82分别是几种常用PVD涂层的特性和涂层应用建议。对涂层特性，
13、不同的研究者，由于其采用的设备及工艺方法不同，所得结果略有差异，表8一l数据仅供参考。涂层材料 TiN TiCN CrN ZrN TiAIN TiAICN 硬度 2300 3000 1800 24002800 2800 摩擦系数 0.55 O O O 0.5 O 厚度 24 2 3 2 24 2工作温度 550 400 650 600 800 500被加工材料钻车削铣削攻牙铰孔注塑模冲压模拉伸模五金成形模钢铁 TiAlNTiNTiAlNTiNTiAINTiAICNTiCNTiAlNTiAINTiAICNCrNTiNTiAlCNTiCNTiAICNTiCNTiAICNTiCN有色合金(TiTiA
14、lN TiAlN TiAlNTiAlCNTiAlCNTiCNTiAlNTiCNCrNTiNTiAlCNTiCNTiAICNTiCNTiA|CNTiCN黄铜青铜 CrNTiAINCrNTiAlNCrNTiAlNCrNTiAlNCrNTiAlNCrNTiNCrNTiCNCrNTiCNCrNTiCN塑胶 TiCNTjNTiAlNTiNTiAlNTiNTiAlCNTiN TiNCrN 8.4.2 PVD8.4.2 PVD硬质涂层工具硬质涂层工具 下面几个直用实例都是作者所在课题组进行的切削性能对比试验结果旧38。1TiN涂层刀具的切削性能 2TiN复合涂层高速钢钻头 3TiCrN涂层及NLTiCrN复
15、合涂层铣刀 复合涂层技术在广东世创金属科技公司中已投入实际应用，高速钢齿轮滚刀、麻花钻头、铣刀、拉刀等复合涂层刀具都取得良好的使用效果。8.4.3 PVD8.4.3 PVD硬质涂层模具硬质涂层模具 随着模具产业的发展，PVD硬质涂层技术在模具强化中的应用日益增多。从目前国内外的应用情况看，涂层材料已从最初的TiN逐渐拓展到TiN与CrN、TiAlN、TiAlCN、TiCrN等多种涂层，复合涂层与纳米涂层也开始进入涂层市场。图示为各种涂层刀具实物照片 表表8一一9，表，表810分别为日本和欧美一些企业在模具上应用分别为日本和欧美一些企业在模具上应用TiN和其他硬和其他硬质涂层质涂层的使用情况的使
16、用情况模具类型模具型号加工工零件加工工设备涂层前千件涂层后千件冷挤模M6轮胎螺母压力机38冷挤模M6活塞销压力机37冷挤模M6活塞销压力机612冷冲模M6螺母冷镦机430表表89 89 日本在几种模具中采用离子镀日本在几种模具中采用离子镀TjNTjN涂层的效果涂层的效果 模具名称 模具材料 延长寿命倍数(模具名称 模具材料 延长寿命倍数(弯曲模SKDl10冲剪模SKDlH9H92深冲成形冲头和模具SKDl10塑料模DC53(8C Cr8Mo oV)5成形滚轮SKDl10铝压铸模低碳基体高速钢10压头和模具SKDlH9H92锌压铸模SKDKD6l(H13)5镦锻冲头和模具SKDlH9H925 5 表表810 810 欧美某些模具涂层前后的寿命比较欧美某些模具涂层前后的寿命比较模具名称工工件材料模具材料涂层种类未涂层寿命涂层后寿命注塑模尼龙Z38CDV5TiN78183注塑模 CrN423冲压模INOX 304K340TiCN9006300冲压模INOX 304(0.8mm)K340TiCN415.6深拉模Fe42(3.5mm)APM23TiN50018600深拉模 特制100400挤压模Al 6012H13表面渗氮 200挤压模Al 6012H13TiN+CrN 500 图图813813广东世创的各种涂层模具实物照片广东世创的各种涂层模具实物照片Thanks
