工模刀具的PVD涂層技術解析
發布時間：2017-01-16
一、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1000攝氏度)，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。
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。
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。
三、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。
目前，一些發達國家在傳統的磁控濺射原理基礎上，用非平衡磁場代替原先的平衡磁場、50KHz的中頻電源代替原來的直流電源、脈沖電源取代以往的直流偏壓，采用輔助陽極技術等，使磁控濺射技術逐步成熟，已大批量應用在工模涂層上，現在已穩定生產的涂層主要有TiAlN、AlTiN、TiB2、DLC、CrN，我國廣東、江蘇、貴州、株洲等地也已陸續引進此種設備，大有星火燎原之勢。
四、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。
4.1 真空室
4.2 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。
4.3 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。
4.4 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)。
4.5 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。
4.6 機械傳動部分
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。
4.7 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(SurfaceThermomeer)。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。
4.8 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。
4.9 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400~500攝氏度，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18~20攝氏度左右的冷水機供水。
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40~45攝氏度。
五、工模具PVD的工作步驟
5.1 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。
5.2 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。
5.2.1 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攝氏度，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。
5.2.2 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。
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。
5.2.3 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攝氏度；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，又會降低打擊力度，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。
5.4 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。
5.4.1 外觀檢查
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。
5.4.2 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。
六、工裝夾具的處理
七、涂后處理工藝(噴砂、涂脂技術，拋光處理)
八、檢測技術(結合力的檢測、層深的檢測、酸蝕)
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