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PVD 工艺过程

作者: 来源: 日期:2016/10/19 8:38:29 人气:723
PVD 工艺过程
涂层技术及工艺流程涂层技术及工艺流程涂层技术及工艺流程涂层技术及工艺流程     1.真空涂层技术的发展   真空涂层技术起步时间不长,国际上在上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。由于   该技术需在高温下进行(工艺温度高于 1000ºC),涂层种类单一,局限性很大,因此,其发展初期未免差强人意。   到了上世纪七十年代末,开始出现 PVD(物理气相沉积) 技术,为真空涂层开创了一个充满灿烂前景的新天地,之后在短短的二、三十年间PVD 涂层技术得到迅猛发展,究其原因,是因为其在真空密封的腔体内成膜,几乎无任何环境污染问题,有利于环保;因为其能得到光亮、华贵的表面,在颜色上,成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色,可谓五彩缤纷,能够满足装饰性的各种需要;又由于 PVD 技术,可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层,应用在工装、模具上面,可以使寿命成倍提高,较好地实现了低成本、高收益的效果;此外, PVD 涂层技术具有低温、高能两个特点,几乎可以在任何基材上成膜,因此,应用范围十分广阔,其发展神速也就不足为奇。   真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术,各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷,如今在这一领域中,已呈现出百花齐放,百家争鸣的喜人景象。   与此同时,我们还应该清醒地看到,真空涂层技术的发展又是严重不平衡的。由于刀具、模具的工作环境极其恶劣,对薄膜附着力的要求,远高于装饰涂层。因而,尽管装饰涂层的厂家已遍布各地,但能够生产工模涂层的厂家并不多。再加上刀具、模具涂层售后服务的欠缺,到目前为止,国内大多数涂层设备厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具和模具的应用技术等),而且,它还要求工艺技术人员,除了精通涂层的专业知识以外,还应具有扎实的金属材料与热处理知识、工模涂层前表面预处理知识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术   要求等,如果任一环节出现问题,都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。所有这些,都严重制约了该技术在刀具、模具上的应用。   另一方面,由于该技术是一门介乎材料学、物理学、电子、化学等学科的新兴边缘学科,而国内将其应用于刀具、模具生产领域内的为数不多的几个骨干厂家,大多走的也是一条从国外引进先进设备和工艺技术的路子,尚需一个消化、吸收的过程,因此,国内目前在该领域内的技术力量与其发展很不相称,急需奋起直追。   2. PVD 涂层的基本概念及其特点   PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的缩写形式,意思是物理气相沉积。我们现在一般地把真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等都称为物理气相沉积。   较为成熟的 PVD 方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。多弧镀设备结构简单,容易操作。它的离子蒸发源靠电焊机电源供电即可工作,其引弧的过程也与电焊类似,具体地说,在一定工艺气压下,引弧针与蒸发离子源短暂接触,断开,使气体放电。由于多弧镀的成因主要是借助于不断移动的弧斑,在蒸发源表面上连续形成熔池,使金属蒸发后,沉积在基体上而得到薄膜层的,与磁控溅射相比,它不但有靶材利用率高,更具有金属离子离化率高,薄膜与基体之间结合力强的优点。此外,多弧镀涂层颜色较为稳定,尤其是在做 TiN 涂层时,每一批次均容易得到相同稳定的金黄色,令磁控溅射法望尘莫及。多弧镀的不足之处是,在用传统的 DC 电源做低温涂层条件下,当涂层厚度达到0.3μm 时,沉积率与反射率接近,成膜变得非常困难。而且,薄膜表面开始变朦。多弧镀另一个不足之处是,由于金属是熔后蒸发,因此沉积颗粒较大,致密度低,耐磨性比磁控溅射法成膜差。   可见,多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣,为了尽可能地发挥它们各自的优越性,实现互补,将多弧技术与磁控技术合而为一的涂层机应运而生。在工艺上出现了多弧镀打底,然后利用磁控溅射法增厚涂层,最后再利用多弧镀达到最终稳定的表面涂层颜色的新方法。   大约在八十年代中后期,出现了热阴极电子枪蒸发离子镀、热阴极弧磁控等离子镀膜机,应用效果很好,使TiN 涂层刀具很快得到普及性应用。其中热阴极电子枪蒸发离子镀,利用铜坩埚加热融化被镀金属材料,利用钽灯丝给工件加热、除气,利用电子枪增强离化率,不但可以得到厚度 3~5μm的TiN 涂层,而且其结合力、耐磨性均有不俗表现,甚至用打磨的方法都难以除去。但是这些设备都只适合于 TiN涂层,或纯金属薄膜。对于多元涂层或复合涂层,则力不从心,难以适应高硬度材料高速切   削以及模具应用多样性的要求。   3. 现代涂层设备(均匀加热技术、温度测量技术、非平衡磁控溅射技术、辅助阳极技术、中频电源、脉冲技术) 现代涂层设备主要由真空室、真空获得部分、真空测量部分、电源供给部分、工艺气体输入系统、机械传动部分、加热及测温部件、离子蒸发或溅射源、水冷系统等部分组成。   3.1 真空室   涂层设备主要有连续涂层生产线及单室涂层机两种形式,由于工模涂层对加热及机械传动部分有较高要求,而且工模形状、尺寸千差万别,连续涂层生产线通常难以满足要求,须采用单室涂层机。   3.2 真空获得部分   在真空技术中,真空获得部分是重要组成部分。由于工模件涂层高附着力的要求,其涂层工艺开始前背景真空度最好高于6mPa,涂层工艺结束后真空度甚至可达 0.06mPa 以上,因此合理选择真空获得设备,实现高真空度至关重要。   就目前来说,还没有一种泵能从大气压一直工作到接近超高真空。因此,真空的获得不是一种真空设备和方法所能达到的,必须将几种泵联合使用,如机械泵、分子泵系统等。   3.3 真空测量部分   真空系统的真空测量部分,就是要对真空室内的压强进行测量。像真空泵一样,没有一种真空计能测量整个真空范围,人们于是按不同的原理和要求制成了许多种类的真空计。   3.4 电源供给部分靶电源主要有直流电源(如 MDX)、中频电源(如美国 AE公司生产的 PE、PEII、PINACAL);工件本身通常需加直流电源(如 MDX)、脉冲电源(如美国AE公司生产的 PINACAL+)、或射频电源(RF)。   3.5 工艺气体输入系统   工艺气体,如氩气(Ar)、氪气(Kr)、氮气(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氢气(H2)、氧气(O2)等,一般均由气瓶供应,经气体减压阀、气体截止阀、管路、气体流量计、电磁阀、压电阀,然后通入真空室。这种气体输入系统的优点是,管路简捷、明快,维修或更换气瓶容易。各涂层机之间互不影响。也有多台涂层机共用一组气瓶的情况,这种情况在一些规模较大的涂层车间可能有机会看到。它的好处是,减少气瓶占用量,统一规划、统一布局。缺点是,由于接头增多,使漏气机会增加。而且,各涂层机之间会互相干扰,一台涂层机的管路漏气,有可能会影响到其他涂层机的产品质量。此外,更换气瓶时,必须保证所有主机都处于非用气状态。   3.6 机械传动部分   刀具涂层要求周边必须厚度均匀一致,因此,在涂层过程中须有三个转动量才能满足要求。即在要求大工件台转动(I)的同时,小的工件承载台也转动( II),并且工件本身还能同时自转(III)。   在机械设计上,一般是在大工件转盘底部中央为一大的主动齿轮,周围是一些小的星行轮与之啮合,再用拨叉拨动工件自转。当然,在做模具涂层时,一般有两个转动量就足够了,但是齿轮可承载量必须大大增强。   3.7 加热及测温部分   做工模涂层的时候,如何保证被镀工件均匀加热比装饰涂   层加热要重要得多。工模涂层设备一般均有前后两个加热器,用热电偶测控温度。但是,由于热电偶装夹的为置不同,因而,温度读数不可能是工件的真实温度。要想测得工件的真实温度,有很多方法,这里介绍一种简便易行的表面温度计法 (Surface Thermomeer)。该温度计的工作原理是,当温度计受热,底部的弹簧将受热膨胀,使指针推动定位指针旋转,直到最高温度。降温的时候,弹簧收缩,指针反向旋转,但定位指针维持在最高温度位置不动,开门后,读取定位指针指示的温度,即为真空室内加热时,表面温度计放置位置所曾达到的最高温度值。   3.8 离子蒸发及溅射源   多弧镀的蒸发源一般为圆饼形,俗称圆饼靶,近几年也出现了长方形的多弧靶,但未见有明显效果。圆饼靶装在铜靶座(阴极座)上面,两者为罗纹连接。靶座中装有磁铁,通过前后移动磁铁,改变磁场强度,可调整弧斑移动速度及轨迹。为了降低靶及靶座的温度,要给靶座不断通入冷却水。为了保证靶与靶座之间的高导电、导热性,还可以在靶与靶座之间加锡(Sn)垫片。磁控溅射镀膜一般采用长方形或圆柱形靶材,   3.9 水冷系统   因为工模涂层时,为了提高金属原子的离化率,各个阴极靶座都尽可能地采用大的功率输出,需要充分冷却;而且,工模涂层中的许多种涂层,加热温度为 400~500ºC,因此,对真空室壁、对各个密封面的冷却也很重要,所以冷却水最好采用18~20ºC 左右的冷水机供水。为了防止开门后,低温的真空室壁、阴极靶与热的空气接触析出水珠,在开门前 10 分钟左右,水冷系统应有能力切换到供热水状态,热水温度约为 40~45ºC。   4. 工模具PVD 的工作步骤   工模具 PVD 基本工艺流程可简述为:IQC→前处理→PVD→FQC,分别介绍如后。   4.1 IQC   IQC(In Quality Control)的主要工作除了常规的清点数量   ,   检查图纸与实物是否相符外,还须仔细检查工件表面,特别是刃口部位有无裂纹等缺陷。有时对于一些刀具、刀粒的刃口,在体式显微镜下观察,更方便发现问题;另外,IQC 的人员还要注意检查待镀膜件有无塑胶、低熔点的焊料等,这些东西如果因漏检而混入镀膜程序,则将在真空室内严重放气,轻者造成整批产品脱涂层,重者使原本 OK 的产品报废,后果不堪设想。   4.2 前处理工艺(蒸汽枪、喷砂、抛光、清洗)   前处理的目的是净化或粗化工件表面。净化就是要去除各种表面玷污物,制备洁净表面。通常使用各种净化剂,借助机械、物理或化学的方法进行净化。   粗化与光蚀相反,其目的在于制备粗糙的表面以提高喷涂层或涂料装饰的结构强度。我们现在已有的前处理主要方法为:高温蒸洗、清洗、喷砂、打磨、抛光等方法。   4.2.1   高温蒸洗   目前,PVD 车间常用的高温蒸洗设备是蒸汽枪。它的最大工作温度可达 145?C,气压在 3~5 巴左右。由于模具中经常带有一些细小孔、螺纹孔,孔内中常常有油污、残余冷却液等杂质,用常规清洗的方法难以除去。此时,高温蒸洗设备便可最大程度的发挥它的优越性。   
4.2.2   清洗   各厂工模涂层前清洗程序大致如下:   1.超声波除蜡→2.过水→3. 超声波除油→4.过水→5. 超声波自换→6.过水→7.过纯水→8.强风干燥   具体实施时,与我们所熟悉的装饰涂层前的清洗又有许多不同。这是因为装饰涂层的底材大多为不锈钢或钛合金,不容易生锈。此外,装饰涂层对水印、点痣等缺陷是绝对不允许的。因此,装饰涂层对纯水的水质要求极高,甚至要达到 15MΩ 以上。要保证清洗的高质量,可以通过反复清洗,并在高质量的纯水加超声波中长时间浸泡来得到。但是,工模的清洗就不同,尤其是一些热做模具钢,如果像装饰涂层那样去清洗,就会锈得一塌糊涂。   由于工模涂层的原始表面状态,除了一些高标准的镜面模具以外,一般较装饰涂层要粗糙,因而,对涂层后的表面状态的要求也不象装饰涂层那样高,这就允许我们采取快速过水,用干燥、无油的压缩空气吹干,然后对工模强风干燥的方法来处理。而那些高标准的镜面模具,一般均为136 等不锈钢,可以借用装饰涂层的清洗法。   总而言之,工模涂层前的清洗方法因工模所使用的材料的不同而不同,因工模涂层前的表面状态的不同而不同,且不可千篇一律。下面是几种材料生锈由难到易的排序,供参考:
不锈钢、硬质合金、金属陶瓷合金、DC53、高速钢、8407 有一种自动清洗机型号为 CR288,产自德国。该机一次最大   清洗量为 80KG,主要用于清洗刀具、小型零部件、或小尺寸的模具。它共有三个清洗缸,里面的溶液分别为自来水+清洗剂、自来水、去离子水。除了常见的超声波、大水冲洗、喷淋、摆动、热风干燥等功能外,该机另外一个优点是最后设有抽真空步骤,可以使水分尽快挥发掉。   自动清洗机内存十种工艺,均由供方预先设定。一至九可分别用于不同类型的产品、不同的表面状态的净化处理。第十种用于加注清洗剂。   4.2.3   喷砂   喷砂法是借助压缩空气使磨料强力冲刷工件表面,从而去除锈蚀、积碳、焊渣、氧化皮、残盐、旧漆层等表面缺陷。按磨料使用条件,喷砂分为干喷砂与湿喷砂两类。   喷砂的工艺参数主要有枪距、倾角、装夹台旋转速度、移动速度、行程、往返次数、喷砂时间、喷砂气压。我们已使用过的参数有枪距:30~70mm; 倾角 30~70?C; 装夹台旋转速度 10~30;往返次数 3~9 次;喷砂气压:1.8~3.5 巴等。具体操作时,根据工件表面脏污程度,工件硬度,工件表面几何形状等因素,选取上下限。我们在干喷砂机中所选用的磨料为玻璃珠,适合喷一些硬度介中的材料,如油钢、模具等;在液体喷砂机中所选用的磨料为氧化铝,硬度较高,适合喷一些硬度高的材料,如硬质合金材料。对于工模涂层而言,喷砂所使用的磨料粒度也很重要。如果磨料粒度过大,则工件表面太粗糙;如果磨料粒度太小,又会降低冲击力度,甚至嵌在工件表面,清洗难以去除,从而使工件涂层附着力降低。为此,欧洲一些国家,对工模涂层前喷砂   所用磨料粒度做过仔细研究,严格到必须保证 85%以上的晶粒度在中 A、B 两点范围内才能使用。相比之下,我国磨料的供应商还缺乏这方面的共识,我们也很少有做这方面的检验。   4.3 PVD 涂层工艺(加热、离子清洗、涂层、冷却、工艺气体、气压、温度、溅射功率)   4.4 FQC   FQC 的英文全拼为:“Function Quality Control”,意思是功能质量控制,它有别与一般意义上的 OQC(Out Quality Control) 。FQC 的内容主要包括外观检查、层深检查、附着力检查、耐磨性检查、抗蚀性检查、模拟性测试等方法。我厂目前应用的主要有外观检查、层深检查和附着力检查。由于我们所接触的产品大多都是不允许做破坏性检查的,因而我们在镀膜时,每批都会放进随批试样。做层深检查和附着力检查的时候,大多数情况下,实际上是对随批试样进行检查。因为试样与产品在原材料、热处理状态、装夹位置等方面都难于一致,所以这样检测出的结果,与产品实际值会有一定的误差。有时可能还会有相当大的误差,只能做参考使用。当然,必要的时候,我们也可以通过制作模拟件,达到准确测量的目的。  
 4.4.1   外观检
对于开门取件后的产品,应仔细检查表面有无裂纹、掉涂层、疏松等缺陷。对于刀具、刀粒,还需在显微镜下仔细检查它们的刃口状态。   4.4.2   层深检查   层深检查有切片金相观察法、X-ray 检查法、用单色光做光源的光学测试法、球磨仪测试法等多种方法。工模涂层的层深检查是在球磨仪上进行的。方法是先用直径为 10mm 的钢球与测试表面滚磨,然后在显微镜下测量磨痕的有关数据,带入公式中,即可方便算出层深。   这种层深检查法的特点是:方便适用,误差稍大。但这种误差应用于工模上面影响不会太大。有兴趣的同事还可参阅有关的说明书。附着力的检查方法有很多,各个厂根据自己产品的特点,都制定了相应的检测方法。其中,比较权威的方法有两种,一种是在洛氏硬度计上,以圆锥型金刚石压头做压痕试验,在显微镜下观察,以压痕周边裂纹的多少来判断涂层附着力的高低。该方法对金刚石压头的形状要求很高,不但严格要求中心点在圆的中心,而且金刚石圆锥的圆度必须十分规则。遗憾的是,目前,我国还没有它的国家或行业标准;另一种方法是划痕法,我国有些涂层发起较早的科研部门,也是采用的该方法,有专门的国家行业标准可供查询。   5. 工装夹具的处理   6. 涂后处理工艺(喷砂、涂脂技术,抛光处理)   7. 检测技术(结合力的检测、层深的检测、酸蚀)   8. 涂层剥离技术(TiN/TiAlN 的剥离技术、CrN/DLC/CrAlTiN 的剥离技术、硬质合金的表面涂层剥离技术)   9.涂层刀具的应用技术(涂层的正确选择、涂层刀具的正确使用   涂层对刀具的优化非常大,由于高速切削加工比传统切削加工所产生的温度要高,应用涂层,可以发挥其耐高温、抗氧化及加硬材质等作用。例如,氮化铬(CrN)涂层可降低磨擦系数,改善光洁度及排屑情况 



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