涂層技術(shù)及工藝流程涂層技術(shù)及工藝流程涂層技術(shù)及工藝流程涂層技術(shù)及工藝流程     1.真空涂層技術(shù)的發(fā)展   真空涂層技術(shù)起步時間不長，國際上在上世紀六十年代才出現(xiàn)將CVD(化學氣相沉積)技術(shù)應用于硬質(zhì)合金刀具上。由于   該技術(shù)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(fā)展初期未免差強人意。   到了上世紀七十年代末，開始出現(xiàn) PVD(物理氣相沉積) 技術(shù)，為真空涂層開創(chuàng)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(shù)得到迅猛發(fā)展，究其原因，是因為其在真空密封的腔體內(nèi)成膜，幾乎無任何環(huán)境污染問題，有利于環(huán)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(shù)，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(xiàn)了低成本、高收益的效果;此外， PVD 涂層技術(shù)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(fā)展神速也就不足為奇。   真空涂層技術(shù)發(fā)展到了今天還出現(xiàn)了PCVD(物理化學氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學氣相沉積)等新技術(shù)，各種涂層設(shè)備、各種涂層工藝層出不窮，如今在這一領(lǐng)域中，已呈現(xiàn)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(shù)的發(fā)展又是嚴重不平衡的。由于刀具、模具的工作環(huán)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(chǎn)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(nèi)大多數(shù)涂層設(shè)備廠家都不能提供完整的刀具涂層工藝技術(shù)(包括前處理工藝、涂層工藝、涂后處理工藝、檢測技術(shù)、涂層刀具和模具的應用技術(shù)等)，而且，它還要求工藝技術(shù)人員，除了精通涂層的專業(yè)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(shù)   要求等，如果任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會給使用者產(chǎn)生使用效果不理想這樣的結(jié)論。所有這些，都嚴重制約了該技術(shù)在刀具、模具上的應用。   另一方面，由于該技術(shù)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(nèi)將其應用于刀具、模具生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的為數(shù)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(shè)備和工藝技術(shù)的路子，尚需一個消化、吸收的過程，因此，國內(nèi)目前在該領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)力量與其發(fā)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(xiàn)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(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，容易操作。它的離子蒸發(fā)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(fā)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(fā)源表面上連續(xù)形成熔池，使金屬蒸發(fā)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(jié)合力強的優(yōu)點。此外，多弧鍍涂層顏色較為穩(wěn)定，尤其是在做 TiN 涂層時，每一批次均容易得到相同穩(wěn)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(tǒng)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(fā)，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(yōu)劣，為了盡可能地發(fā)揮它們各自的優(yōu)越性，實現(xiàn)互補，將多弧技術(shù)與磁控技術(shù)合而為一的涂層機應運而生。在工藝上出現(xiàn)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(wěn)定的表面涂層顏色的新方法。   大約在八十年代中后期，出現(xiàn)了熱陰極電子槍蒸發(fā)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(fā)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(jié)合力、耐磨性均有不俗表現(xiàn)，甚至用打磨的方法都難以除去。但是這些設(shè)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(xiàn)代涂層設(shè)備(均勻加熱技術(shù)、溫度測量技術(shù)、非平衡磁控濺射技術(shù)、輔助陽極技術(shù)、中頻電源、脈沖技術(shù)) 現(xiàn)代涂層設(shè)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(tǒng)、機械傳動部分、加熱及測溫部件、離子蒸發(fā)或濺射源、水冷系統(tǒng)等部分組成。   3.1 真空室   涂層設(shè)備主要有連續(xù)涂層生產(chǎn)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(xù)涂層生產(chǎn)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(shù)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(jié)束后真空度甚至可達 0.06mPa 以上，因此合理選擇真空獲得設(shè)備，實現(xiàn)高真空度至關(guān)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(shè)備和方法所能達到的，必須將幾種泵聯(lián)合使用，如機械泵、分子泵系統(tǒng)等。   3.3 真空測量部分   真空系統(tǒng)的真空測量部分，就是要對真空室內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)的 PINACAL+)、或射頻電源(RF)。   3.5 工藝氣體輸入系統(tǒng)   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(jīng)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(tǒng)的優(yōu)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(guī)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(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)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(chǎn)品質(zhì)量。此外，更換氣瓶時，必須保證所有主機都處于非用氣狀態(tài)。   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(zhuǎn)動量才能滿足要求。即在要求大工件臺轉(zhuǎn)動(I)的同時，小的工件承載臺也轉(zhuǎn)動( II),并且工件本身還能同時自轉(zhuǎn)(III)。   在機械設(shè)計上，一般是在大工件轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。當然，在做模具涂層時，一般有兩個轉(zhuǎn)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(shè)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(shù)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(zhuǎn)，直到最高溫度。降溫的時候，彈簧收縮，指針反向旋轉(zhuǎn)，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(nèi)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(fā)及濺射源   多弧鍍的蒸發(fā)源一般為圓餅形，俗稱圓餅靶，近幾年也出現(xiàn)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(diào)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(tǒng)   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(tǒng)應有能力切換到供熱水狀態(tài)，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(guī)的清點數(shù)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(fā)現(xiàn)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(nèi)嚴重放氣，輕者造成整批產(chǎn)品脫涂層，重者使原本 OK 的產(chǎn)品報廢，后果不堪設(shè)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(jié)構(gòu)強度。我們現(xiàn)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(shè)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(jīng)常帶有一些細小孔、螺紋孔，孔內(nèi)中常常有油污、殘余冷卻液等雜質(zhì)，用常規(guī)清洗的方法難以除去。此時，高溫蒸洗設(shè)備便可最大程度的發(fā)揮它的優(yōu)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(zhì)要求極高，甚至要達到 15MΩ 以上。要保證清洗的高質(zhì)量，可以通過反復清洗，并在高質(zhì)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(tài)，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(tài)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(tài)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(zhì)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(chǎn)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(yōu)點是最后設(shè)有抽真空步驟，可以使水分盡快揮發(fā)掉。   自動清洗機內(nèi)存十種工藝，均由供方預先設(shè)定。一至九可分別用于不同類型的產(chǎn)品、不同的表面狀態(tài)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(shù)主要有槍距、傾角、裝夾臺旋轉(zhuǎn)速度、移動速度、行程、往返次數(shù)、噴砂時間、噴砂氣壓。我們已使用過的參數(shù)有槍距：30~70mm; 傾角 30~70?C; 裝夾臺旋轉(zhuǎn)速度 10~30;往返次數(shù) 3~9 次;噴砂氣壓：1.8~3.5 巴等。具體操作時，根據(jù)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(zhì)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(nèi)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(zhì)量控制，它有別與一般意義上的 OQC(Out Quality Control) 。FQC 的內(nèi)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(chǎn)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(shù)情況下，實際上是對隨批試樣進行檢查。因為試樣與產(chǎn)品在原材料、熱處理狀態(tài)、裝夾位置等方面都難于一致，所以這樣檢測出的結(jié)果，與產(chǎn)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(chǎn)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(tài)。   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(guān)數(shù)據(jù)，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(guān)的說明書。附著力的檢查方法有很多，各個廠根據(jù)自己產(chǎn)品的特點，都制定了相應的檢測方法。其中，比較權(quán)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(guī)則。遺憾的是，目前，我國還沒有它的國家或行業(yè)標準;另一種方法是劃痕法，我國有些涂層發(fā)起較早的科研部門，也是采用的該方法，有專門的國家行業(yè)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(shù)，拋光處理)   7. 檢測技術(shù)(結(jié)合力的檢測、層深的檢測、酸蝕)   8. 涂層剝離技術(shù)(TiN/TiAlN 的剝離技術(shù)、CrN/DLC/CrAlTiN 的剝離技術(shù)、硬質(zhì)合金的表面涂層剝離技術(shù))   9.涂層刀具的應用技術(shù)(涂層的正確選擇、涂層刀具的正確使用   涂層對刀具的優(yōu)化非常大，由于高速切削加工比傳統(tǒng)切削加工所產(chǎn)生的溫度要高，應用涂層，可以發(fā)揮其耐高溫、抗氧化及加硬材質(zhì)等作用。例如，氮化鉻(CrN)涂層可降低磨擦系數(shù)，改善光潔度及排屑情況