涂層技術及工藝流程涂層技術及工藝流程涂層技術及工藝流程涂層技術及工藝流程     1.真空涂層技術的發展   真空涂層技術起步時間不長，國際上在上世紀六十年代才出現將CVD(化學氣相沉積)技術應用于硬質合金刀具上。由于   該技術需在高溫下進行(工藝溫度高于 1000oC)，涂層種類單一，局限性很大，因此，其發展初期未免差強人意。   到了上世紀七十年代末，開始出現 PVD(物理氣相沉積) 技術，為真空涂層開創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 涂層技術得到迅猛發展，究其原因，是因為其在真空密封的腔體內成膜，幾乎無任何環境污染問題，有利于環保;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，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、復合涂層，應用在工裝、模具上面，可以使壽命成倍提高，較好地實現了低成本、高收益的效果;此外， PVD 涂層技術具有低溫、高能兩個特點，幾乎可以在任何基材上成膜，因此，應用范圍十分廣闊，其發展神速也就不足為奇。   真空涂層技術發展到了今天還出現了PCVD(物理化學氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學氣相沉積)等新技術，各種涂層設備、各種涂層工藝層出不窮，如今在這一領域中，已呈現出百花齊放，百家爭鳴的喜人景象。   與此同時，我們還應該清醒地看到，真空涂層技術的發展又是嚴重不平衡的。由于刀具、模具的工作環境極其惡劣，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，但能夠生產工模涂層的廠家并不多。再加上刀具、模具涂層售后服務的欠缺，到目前為止，國內大多數涂層設備廠家都不能提供完整的刀具涂層工藝技術(包括前處理工藝、涂層工藝、涂后處理工藝、檢測技術、涂層刀具和模具的應用技術等)，而且，它還要求工藝技術人員，除了精通涂層的專業知識以外，還應具有扎實的金屬材料與熱處理知識、工模涂層前表面預處理知識、刀具、模具涂層的合理選擇以及上機使用的技術   要求等，如果任一環節出現問題，都會給使用者產生使用效果不理想這樣的結論。所有這些，都嚴重制約了該技術在刀具、模具上的應用。   另一方面，由于該技術是一門介乎材料學、物理學、電子、化學等學科的新興邊緣學科，而國內將其應用于刀具、模具生產領域內的為數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備和工藝技術的路子，尚需一個消化、吸收的過程，因此，國內目前在該領域內的技術力量與其發展很不相稱，急需奮起直追。   2. 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。多弧鍍設備結構簡單，容易操作。它的離子蒸發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，在蒸發源表面上連續形成熔池，使金屬蒸發后，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，薄膜與基體之間結合力強的優點。此外，多弧鍍涂層顏色較為穩定，尤其是在做 TiN 涂層時，每一批次均容易得到相同穩定的金黃色，令磁控濺射法望塵莫及。多弧鍍的不足之處是，在用傳統的 DC 電源做低溫涂層條件下，當涂層厚度達到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，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劣，為了盡可能地發揮它們各自的優越性，實現互補，將多弧技術與磁控技術合而為一的涂層機應運而生。在工藝上出現了多弧鍍打底，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定的表面涂層顏色的新方法。   大約在八十年代中后期，出現了熱陰極電子槍蒸發離子鍍、熱陰極弧磁控等離子鍍膜機，應用效果很好，使TiN 涂層刀具很快得到普及性應用。其中熱陰極電子槍蒸發離子鍍，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，而且其結合力、耐磨性均有不俗表現，甚至用打磨的方法都難以除去。但是這些設備都只適合于 TiN涂層，或純金屬薄膜。對于多元涂層或復合涂層，則力不從心，難以適應高硬度材料高速切   削以及模具應用多樣性的要求。   3. 現代涂層設備(均勻加熱技術、溫度測量技術、非平衡磁控濺射技術、輔助陽極技術、中頻電源、脈沖技術) 現代涂層設備主要由真空室、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、機械傳動部分、加熱及測溫部件、離子蒸發或濺射源、水冷系統等部分組成。   3.1 真空室   涂層設備主要有連續涂層生產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，連續涂層生產線通常難以滿足要求，須采用單室涂層機。   3.2 真空獲得部分   在真空技術中，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，涂層工藝結束后真空度甚至可達 0.06mPa 以上，因此合理選擇真空獲得設備，實現高真空度至關重要。   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備和方法所能達到的，必須將幾種泵聯合使用，如機械泵、分子泵系統等。   3.3 真空測量部分   真空系統的真空測量部分，就是要對真空室內的壓強進行測量。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。   3.4 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公司生產的 PINACAL+)、或射頻電源(RF)。   3.5 工藝氣體輸入系統   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，經氣體減壓閥、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。這種氣體輸入系統的優點是，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，統一規劃、統一布局。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品質量。此外，更換氣瓶時，必須保證所有主機都處于非用氣狀態。   3.6 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動量才能滿足要求。即在要求大工件臺轉動(I)的同時，小的工件承載臺也轉動( II),并且工件本身還能同時自轉(III)。   在機械設計上，一般是在大工件轉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。當然，在做模具涂層時，一般有兩個轉動量就足夠了，但是齒輪可承載量必須大大增強。   3.7 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，直到最高溫度。降溫的時候，彈簧收縮，指針反向旋轉，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，即為真空室內加熱時，表面溫度計放置位置所曾達到的最高溫度值。   3.8 離子蒸發及濺射源   多弧鍍的蒸發源一般為圓餅形，俗稱圓餅靶，近幾年也出現了長方形的多弧靶，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電、導熱性，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，   3.9 水冷系統   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，水冷系統應有能力切換到供熱水狀態，熱水溫度約為 40~45oC。   4. 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。   4.1 IQC   IQC(In Quality Control)的主要工作除了常規的清點數量   ，   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，更方便發現問題;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，則將在真空室內嚴重放氣，輕者造成整批產品脫涂層，重者使原本 OK 的產品報廢，后果不堪設想。   4.2 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構強度。我們現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。   4.2.1   高溫蒸洗   目前，PVD 車間常用的高溫蒸洗設備是蒸汽槍。它的最大工作溫度可達 145?C，氣壓在 3~5 巴左右。由于模具中經常帶有一些細小孔、螺紋孔，孔內中常常有油污、殘余冷卻液等雜質，用常規清洗的方法難以除去。此時，高溫蒸洗設備便可最大程度的發揮它的優越性。   
4.2.2   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要求極高，甚至要達到 15MΩ 以上。要保證清洗的高質量，可以通過反復清洗，并在高質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，除了一些高標準的鏡面模具以外，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，然后對工模強風干燥的方法來處理。而那些高標準的鏡面模具，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、熱風干燥等功能外，該機另外一個優點是最后設有抽真空步驟，可以使水分盡快揮發掉。   自動清洗機內存十種工藝，均由供方預先設定。一至九可分別用于不同類型的產品、不同的表面狀態的凈化處理。第十種用于加注清洗劑。   4.2.3   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。   噴砂的工藝參數主要有槍距、傾角、裝夾臺旋轉速度、移動速度、行程、往返次數、噴砂時間、噴砂氣壓。我們已使用過的參數有槍距：30~70mm; 傾角 30~70?C; 裝夾臺旋轉速度 10~30;往返次數 3~9 次;噴砂氣壓：1.8~3.5 巴等。具體操作時，根據工件表面臟污程度，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，又會降低沖擊力度，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，嚴格到必須保證 85%以上的晶粒度在中 A、B 兩點范圍內才能使用。相比之下，我國磨料的供應商還缺乏這方面的共識，我們也很少有做這方面的檢驗。   4.3 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)   4.4 FQC   FQC 的英文全拼為：“Function Quality Control”，意思是功能質量控制，它有別與一般意義上的 OQC(Out Quality Control) 。FQC 的內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，大多數情況下，實際上是對隨批試樣進行檢查。因為試樣與產品在原材料、熱處理狀態、裝夾位置等方面都難于一致，所以這樣檢測出的結果，與產品實際值會有一定的誤差。有時可能還會有相當大的誤差，只能做參考使用。當然，必要的時候，我們也可以通過制作模擬件，達到準確測量的目的。  
 4.4.1   外觀檢
對于開門取件后的產品，應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。   4.4.2   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數據，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。但這種誤差應用于工模上面影響不會太大。有興趣的同事還可參閱有關的說明書。附著力的檢查方法有很多，各個廠根據自己產品的特點，都制定了相應的檢測方法。其中，比較權威的方法有兩種，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則。遺憾的是，目前，我國還沒有它的國家或行業標準;另一種方法是劃痕法，我國有些涂層發起較早的科研部門，也是采用的該方法，有專門的國家行業標準可供查詢。   5. 工裝夾具的處理   6. 涂后處理工藝(噴砂、涂脂技術，拋光處理)   7. 檢測技術(結合力的檢測、層深的檢測、酸蝕)   8. 涂層剝離技術(TiN/TiAlN 的剝離技術、CrN/DLC/CrAlTiN 的剝離技術、硬質合金的表面涂層剝離技術)   9.涂層刀具的應用技術(涂層的正確選擇、涂層刀具的正確使用   涂層對刀具的優化非常大，由于高速切削加工比傳統切削加工所產生的溫度要高，應用涂層，可以發揮其耐高溫、抗氧化及加硬材質等作用。例如，氮化鉻(CrN)涂層可降低磨擦系數，改善光潔度及排屑情況