气相沉积技术及其特点

气相沉积是一种利用气态物质中发生的物理变化和化学反应，在模具表面形成具有某种特殊性能的金属或化合物涂层的一种新技术，其是一种表面改性技术。根据沉积过程的原理，气相沉积分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两大类。

气相沉积技术已广泛用于各类模具的表面硬化处理，应用的主要沉积层有TiC，TiN，TiCN。TiC，TiN涂层具有以下特点：

①涂层具有很高的硬度（TiC：2 980～3 800 HV，TiN：2 500～3 000 HV），低的摩擦系数和自润滑性能，抗磨性能良好。

②涂层具有很高的熔点（TiC：3 800℃，TiN：2 930℃），化学稳定性好，难以与其他金属反应“黏着”，具有很好的抗黏着磨损能力。

③涂层具有较强的抗蚀能力，能抵抗硫酸、盐酸、氯化钠水溶液的侵蚀，在某些情况下甚至优于1Cr18Ni9Ti不锈钢，而TiN的抗蚀能力一般比TiC的抗蚀能力更好一些。

④涂层在高温下也具有良好的抗大气氧化能力（TiC：约400℃，TiN：约500℃）。

1）化学气相沉积法（CVD）

CVD是将低温下气化的金属化合物与加热到高温的工件接触，在工件表面与碳氢化合物和氢气或氮气进行气相反应而生成金属或化合物沉积层的过程。CVD可以用来沉积各种金属和碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、硼化物等。

如图2-13所示为化学气相沉积装置示意图，先将经过一定预处理的模具放入CVD设备的反应室中，用机械泵将反应室抽成真空，电炉丝将反应室内温度加热至900～1 200℃。另将液态TiCl4低温加热汽化，并与H2，CH4以一定的流量比混合，通过进气系统送进反应室，在炽热的模具表面发生化学反应，生成的TiC或TiN会牢固地沉积在模具表面。反应后的废气经处理系统排出。为了防止发生爆炸事故，在反应室内，沉积过程结束后至下一次开启前要充入氩气。为了去除气体中的有害成分，如氧、水分等，管路中还应配备必要的干燥净化装置。

图2-13　化学气相沉积装置示意图

化学气相沉积具有以下特点：

①可以在大气压或低于大气压下进行沉积。

②一般在850～1 100℃温度下进行，沉积结合力高。

③容易控制沉积层的致密度和纯度，也可以获得梯度的沉积层或混合沉积层。

④通过调节工艺参数，可控制沉积层的化学成分、形态、晶体结构等。

⑤可获得多种金属、合金或化合物沉积层。

⑥设备简单、操作方便，适于处理大批量的小工件，且不受工件形状限制。

⑦由于沉积温度较高，工件会产生较大的内应力和畸变，且会降低基材的组织和性能，削弱涂层和基体的结合力。

目前，化学气相沉积主要适用于硬质合金、高速钢、高碳高铬钢、不锈钢等材料制造的模具。

为了扩大化学气相沉积的应用范围，减小工件变形，简化后续热处理工艺，必须采取降低沉积温度的方法，为此开发了新的CVD处理工艺，如金属有机化合物化学气相沉积，采用化学结合力较弱的有机金属化合物作为反应气体，可实现中温（700～900℃）沉积TiCN涂层；等离子体化学气相沉积（PCVD），可将沉积温度将至500～600℃，并具有良好的绕镀性，更适合模具零件的表面处理。

2）物理气相沉积法（PVD）

PVD是将金属、合金或化合物放在真空室中蒸发（或溅射），使这些气相原子或分子在一定条件下沉积在工件表面上的工艺。PVD法一般涂覆TiN涂层较多，此外还有TiC，TiCN，TiAlN，CrN和W2C等涂层，层深5μm左右，不影响模具精度。(www.xing528.com)

物理气相沉积具有以下特点：

①真空蒸发或阴极溅射的原子或分子具有较高能量，有利于获得致密性及结合性能良好的沉积层。

②由于沉积温度较低（一般不超过600℃），工件变形小，不会产生退火软化，高速钢、模具钢和不锈钢沉积后通常无须再进行热处理。

③依靠离子溅射效应，可使工件在整个沉积过程中保持表面净化。

④在金属陶瓷、玻璃、塑料等材料表面均可沉积。

⑤无公害，设备较复杂，沉积速度慢。

目前，主要有3种物理气相沉积方法，即真空蒸镀、阴极溅射和离子镀，其中以离子镀在模具制造有较广的应用。

（1）真空蒸镀

真空蒸镀是指在真空中利用高温使金属、合金或化合物蒸发，再使蒸发原子或分子直接凝聚在工件表面形成沉积层的方法。如图2-14所示为真空蒸镀原理示意图，在高真空槽中，加热蒸发源，使其原子或分子从表面汽化逸出，形成蒸气流，以凝聚形式沉积在基体表面，形成固态薄膜。

图2-14　真空蒸镀原理示意图

真空蒸镀的主要缺点是镀层疏松，且与基体结合力差，不耐磨；镀层有方向性。

（2）阴极溅射

阴极溅射是指在真空条件下，利用离子源产生的荷能粒子轰击某一用沉积材料做的阴极靶材，使其原子或分子以一定能量逸出，并通过气相沉积在工件表面沉积成膜的工艺。工作时，在真空室中通入压力为13.2～2.66 Pa的氩气作为工作气体，将沉积材料靶接至几百至几千伏的负高压，在电场的作用下，氩气电离后产生的氩离子轰击阴极靶面，溅出的靶材原子或分子以一定的速度落在工件表面形成沉积，并使工件受热。阴极溅射时工件的温度可达500℃。

阴极溅射的靶材可以是任何类型的导电材料，包括各种金属和金属化合物，如碳化物、氯化物和氧化物等。由于溅出的材料原子或分子具有较高的动能，因此，形成的沉积层和基体有较好的强结合力。

阴极溅射涂层均匀，但沉积速率低，不适于沉积10μm以上厚度的涂层。

（3）离子镀

离子镀是利用惰性气体的辉光放电现象，使金属或合金蒸气离子化，离子经电场加速而在带负电荷的工件表面沉积成膜的过程。如图2-15所示为离子镀的原理示意图。

图2-15　离子镀的原理示意图

惰性气体一般采用氩气，压力为1.33～0.133 Pa，在模具上加500～2 000 V的负压，使蒸气源与模具之间产生辉光放电，在模具周围形成等离子区，当蒸发的镀膜材料原子在通过辉光区（等离子区）时，一小部分发生电离，并在电场的作用下飞向模具，以几千电子伏的能量射到工件表面上，可以打入基体约几纳米的深度，从而大大提高涂层的结合力。而未经电离的蒸发材料原子直接在工件上沉积成膜。惰性气体离子与镀膜材料离子在基板表面上发生的溅射，还可以清除工件表面的污染物，从而改善镀层与基体的结合强度。离子镀具有结合力强、均镀能力好、被镀模具材料和镀层材料可以广泛搭配等优点，故获得了较为广泛的应用。

综上所述，PVD技术的主要优点是处理温度低、沉积速度快、生产率高，可以在各种模具材料表面沉积致密、光滑、高精度的化合物镀层，在模具生产中使用广泛。例如，Crl2MoN钢制造油开关冲模，经PVD法沉积后，表面硬度为2 500～3 000 HV，同时减小了摩擦系数，改善了抗黏着性和抗咬合性，模具原使用1万～3万次即要刃磨，而经PVD法处理后，使用10万次都不需要刃磨，且尺寸无变化，仍可使用。又如，对用于冲压和挤压黏性材料冷作模具，采用PVD法处理后，其使用寿命大为提高。