真空镀膜的基本调研Word下载.docx

真空镀膜的基本调研Word下载.docx

《真空镀膜的基本调研Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《真空镀膜的基本调研Word下载.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

7.涂层测量9

8.性能分析10

1.真空镀膜技术的简介

真空镀膜技术初现于20世纪30年代，四五十年代开始出现工业应用，工业化大规模生产开始于20世纪80年代，在电子、宇航、包装、装潢、烫金印刷等工业中取得广泛的应用。

真空镀膜是指在真空环境下，将某种金属或金属化合物以气相的形式沉积到材料表面（通常是非金属材料），属于物理气相沉积工艺。

因为镀层常为金属薄膜，故也称真空金属化。

广义的真空镀膜还包括在金属或非金属材料表面真空蒸镀聚合物等非金属功能性薄膜。

在所有被镀材料中，以塑料最为常见，其次，为纸张镀膜。

相对于金属、陶瓷、木材等材料，塑料具有来源充足、性能易于调控、加工方便等优势，因此种类繁多的塑料或其他高分子材料作为工程装饰性结构材料，大量应用于汽车、家电、日用包装、工艺装饰等工业领域。

但塑料材料大多存在表面硬度不高、外观不够华丽、耐磨性低等缺陷，如在塑料表面蒸镀一层极薄的金属薄膜，即可赋予塑料程亮的金属外观，合适的金属源还可大大增加材料表面耐磨性能，大大拓宽了塑料的装饰性和应用范围。

真空镀膜的功能是多方面的，这也决定了其应用场合非常丰富。

总体来说，真空镀膜的主要功能包括赋予被镀件表面高度金属光泽和镜面效果，在薄膜材料上使膜层具有出色的阻隔性能，提供优异的电磁屏蔽和导电效果。

2.刀具涂层

现代制造业对机械加工提出了更高的要求，提高加工效率、可靠性与精度的需求使各国不断加强对刀具涂层技术的关注.随着切削加工要求不断提高，我国原有刀具涂层技术逐渐力不从心，涂层设备需要进行更新换代，刀具涂层技术正处于关键时期.因此，及时瞄准国际涂层技术先进水平，充分了解其技术现状及发展趋势十分重要。

2.1刀具涂层应有特点

为了使刀具获得优良的综合机械性能，延长刀具使用寿命，提高机械加工效率，刀具表面涂层技术逐步发展起来，并具有以下特点：

（1）硬度高，一般来说，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。

（2）良好的润滑性能，可有效地改善加工物件质量，也适合于干式切削加工，有效降低加工时的温度；

（3）优良的高温抗氧化性及化学稳定性，氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。

氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。

（4）耐磨性：

耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力，高硬度材料受到大冲量时的容易折损，使刀具切削刃崩裂或磨钝。

所以某些工件材料本身硬度可能并不太高，但耐磨可以让刀具的寿命越长。

2.2刀具涂层材料

涂层材料被涂覆在刀具基体上并与之相结合，刀具的耐磨性和切削性能被提高的同时，基体本身的韧性不会被降低，从而降低工件与刀具之间的摩擦系数，延长了刀具的工作寿命。

刀具涂层另外一项显著的作用就是隔热，由于大多数涂层自身的热传导系数比被加工部件和刀具基体都要低的多，导致加工中产生的热量冲击散失途径改变，形成热屏蔽，有效地保护刀具基体，改善其使用效率。

应用广泛的涂层材料主要有一些具有高硬度的耐磨化合物，如氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、硅化物、硼化物、金刚石及复合涂层等八大类数十个品种。

这些涂层材料按照化学键的特征可分成金属键型、共价键型和离子键型。

2.2.1硬涂层：

TiC涂层：

最早被开发出来的涂层之一，抗磨料和机械磨损性能良好，可以降低加工过程中的阻力，降低切削温度.其缺点是涂层性脆。

TiN涂层：

该涂层是最早开始广泛应用于工业的涂层，中等硬度，但有抗氧化性差的缺点。

TiCN涂层：

该涂层是通过向TiN涂层中加入C元素得到。

Al2O3涂层：

该涂层相比于TiC和TiN涂层刀具，Al2O3涂层刀具具有更高的切削性能。

TiAlN涂层：

该涂层在高速切削中性能优异。

金刚石涂层：

该涂层硬度可达10000HV，导热性强，摩擦系数较低，具有优异的力、热、光、电等

立方氮化硼（CBN）涂层：

该涂层是在高温高压下人工合成的立方结构氮化物，硬度可以达到HV72000～98000MPa，具有很好的导热性，热膨胀小，断裂韧性低，密度较小.更重要的是，立方氮化硼同铁族元素几乎不发生反应，具有卓越的化学和热稳定性。

其它新型开发的硬涂层材料包括氮化碳（CNX）、多晶氮化物超点阵涂层等

2.2.2软涂层：

软涂层也称为自润滑涂层，追求的目标是低摩擦因数，增加刀具表面的润滑性能，在切削加工中减少工件与刀具之间的摩擦，防止积屑瘤的产生，从而提高加工表面质量，延长刀具寿命。

在某些情况下，一些材料并不适合采用硬涂层刀具加工，如在航空航天中的一些高硬度硬质合金、钛合金等。

这些材料在加工中非常黏刀，在刀具前刀面生成积屑瘤，不仅增加切削热、降低刀具寿命，而且影响加工表面质量。

采用软涂层材料刀具可获得更好的加工效果。

通常的软涂层有MoS2、WS2、WC/C、TaS2/Mo等。

2.3刀具涂层结构

（a）单涂层：

也叫做普通涂层，只由一种成分构成，在薄膜的纵向生长方向上涂层成分稳定；

（b）多涂层：

由多种成分稳定、性能各异的薄膜叠加而成。

常见的多层涂层由2种不同膜组成，层数可达十几层以上；

（c）纳米结构多涂层：

各层薄膜的尺寸为纳米数量级的多层涂层，又可称为超显微结构。

此类薄膜具有高模量、高硬度的特点；

（d）梯度涂层：

涂层成分沿着薄膜生长方向逐步变化，可以分为多种化合物间的变化和一种化合物中各元素比例的变化两种类型；

（e）复合涂层：

也称为复合涂层结构膜，由两种以上不同的涂层薄膜组成；

纳米复合结构涂层，等。

2.4刀具涂层的发展方向

2.4.1刀具涂层成分多元化。

单涂层与基材材料的物理特性及晶格类型的不同，导致基体与涂层之间存在较大的残余应力，结合力不强。

在单涂层中加入新的元素，如加入锆、钒和氢氟酸会提高耐磨损性，加入硅会提高硬度并防止化学扩散，加入铝、钇和铬会提高抗氧化性。

制备出的多元刀具涂层材料，极大地提高了刀具的综合性能。

2.4.2刀具涂层结构创新化

2.4.3切削加工绿色化

金属切削加工时，用一定的压力和流量的液体（切削液）连续不断的冷却、润滑刀具和工件加工部件的方法。

但是大量使用切削液会造成环境污染问题，同时由于切削过程中切削液产生的油烟对工人直接造成危害，诱发多种皮肤病。

从使用成本角度计，在集中冷却液加工系统中，如果切削加工采用涂层刀具干式加工，总的制造成本。

此外，采用高速干切削可大幅提高加工效率，提高加工精度，降低表面粗糙度，并且更适合于加工薄壁零件。

因此无论从环保角度还是从加工能力以及经济角度考虑，制造能满足干式切削条件的涂层刀具是绿色加工的重要发展目标。

3.涂层制备工艺

涂层成分能否在涂层刀具上发挥应有的性能，除了涂层与基体的结合强度、涂层及界面组织结构、择优取向、各单层厚度及总厚度等决定涂层刀具性能的重要因素外，在很大程度上还取决于涂层工艺的技术水平，因为刀具材料表面的物理、化学、力学性能严重影响现代切削加工的顺利进行。

因此，涂层制备工艺至关重要。

常用的刀具涂层工艺有化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、溶胶—凝胶法（Sol—Gel）以及等离子体化学气相沉积技术（PCVD）、离子辅助沉积技术（IBAD）、中温化学气相沉积（MTCVD）等。

3.1化学气相沉积法（CVD）

CVD涂层是最早出现、也是最常见的涂层方法，已经沿用多年CVD法是在一个化学反应容器内加热基体，并将基体暴露于气流之中。

这些气体在被加热的基体表面分解，形成一层涂层。

一般而言，CVD涂层需要的温度约为1000℃左右。

一种常见的CVD涂层是采用3种气体：

四氯化钛（TiCl4）、氢气（H2）和氮气（N2），来产生氮化钛（TiN）+氯化氢（HCl）。

HCl是该工艺的二次产物，必须按照严格的环保法规进行处理。

CVD法的优势包括极佳的涂层黏附性，以及涂层分布的均匀性。

然而CVD法的缺点是工艺要求高，用于硬质合金时容易产生脱碳现象。

由于制备过程中温度可高达1000℃左右，气体成分中氯的侵蚀及氢脆变形有可能导致基体断面强度下降，或者发生脱碳而形成η相。

近年来，中、低温CVD法和PCVD法的成功开发，在一定程度上缓解了这一缺点，改善了原有CVD工艺。

3.2物理气相沉积法（PVD）

利用电能等物理方法产生金属蒸发物离子进行涂层的方法称为物理气相沉积法。

不同于具有张力的化学气相沉积涂层膜，物理气相沉积涂层具有压应力，因而更耐缺损，适合用于锋利的刀具切削刃的涂层。

依据产生等离子体的方法及沉积材料的气化方法的不同，物理气相沉积法主要分为阴极电子弧沉积法、低压电子束蒸发法、三极管高压电子束蒸发法、非平衡磁控溅射法和动力学离子束混合法等，不同沉积方法的成膜速度和膜层质量各有不同。

PVD涂层技术具有以下特点：

（1）沉积温度低，TiAlN、TiN等硬涂层的沉积温度可以达到500℃以下。

涂层和基体间在低温下不易发生脱碳现象或产生η相，对基体材料限制少，不会降低基体材料原有的抗弯强度。

其应用范围有很大扩展空间，尤其可以用于高速钢类刀具的涂层；

（2）涂层内部具有压应力，抗裂纹扩展能力强，因此适合于对硬质合金精密复杂刀具进行涂层；

（3）涂层表面摩擦系数低，能更有效地阻止前刀面上的横向裂纹的扩展；

（4）对环境无不利影响，符合绿色制造的发展方向。

与化学气相沉积法（CVD）相比，物理气相沉积法（PVD）具有更低的沉积温度。

这种沉积法的应用范围涵盖高速钢与硬质合金刀具。

物理气相沉积法既可以进行多层涂层的涂覆，也可以进行单涂层的涂覆。

近年来，多种PVD工艺和各种不同功能的多元、多层、复合涂层相继出现，开发速度明显加快，极大扩展了涂层的应用范围。

此外，涂层结构的开发使得涂层的性能不断提高，沉积温度大幅下降，刀具涂层工艺日趋合理；

在复合涂层中，各层涂层的尺寸越来越小，并逐步趋于纳米化，PVD、MTCVD等低温或中温制备工艺将成为主流技术。

3.3等离子体化学气相沉积法（PCVD）

PCVD是将高频微波导入含碳化物气体产生高频高能等离子，或者通过电极放电产生高能电子使气体电离成为等离子体，由气体中的活性碳原子或含碳基团在合金的表面沉积的一种涂层制备方法。

3.4溶胶—凝胶法（Sol—Gel）

使用无机盐或金属醇盐作为前驱物是溶胶-凝胶法的主要特征。

反应先后经过2个过程：

首先，前驱物在溶液中发生醇解反应或水解反应，产生1nm左右的生成物聚集粒子形成溶胶，随后将溶胶粉体烧结得到所需产物。

4.物理气相沉积（PVD）的物理过程

真空镀膜基本可以分成“膜材气化”“真空运输”和“薄膜生长”三个过程。

在真空镀膜中,如果膜材是固态,那么首先需要采取措施使固态膜材气化或升华或经历一个类似“升华”的过程,变成气态,然后是气化的膜粒子在真空中输运。

输运过程中,粒子可能不经历碰撞,直接到达基体，也有可能在空间发生碰撞，经过散射,再到达基体表面。

最后是粒子在塞体上凝聚,生长成薄膜。

所以,镀膜过程涉及膜材蒸发或升华、气态原子在真空中输运,以及气态原子在固体表面的吸附、扩散、成核和脱附等过程。

4.1“膜材气化”可分为:

膜材在高温中的蒸发，使其蒸发汽化的装置，称为蒸发源；

利用气体放电过程等离子体产生的正离子，轰击带负电位的膜材表面，使其溅射出粒子（离子、原子），该过程膜材也称为溅射靶。

蒸发源：

电阻加热式蒸发源、电子束加热式蒸发源、空心热阴极等离子体电子束蒸发源、感应加热式蒸发源、激光加热式蒸发源、辐射加热式蒸发源。

溅射靶：

溅射靶在结构上主要由靶材、支撑靶材的