塗（tú）層技術及（jí）工藝流程塗層技術及工藝流程塗層技術及工藝流程塗層技（jì）術及工藝流程     1.真空塗層技術的發展   真空塗層技（jì）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)技術應用於硬質合金刀具（jù）上。由於   該技術需在高溫下（xià）進行(工藝溫度高於 1000ºC)，塗層種類單一，局限性很大，因（yīn）此，其發展初期（qī）未免（miǎn）差強人意。   到了上世紀七十年代末，開始出現 PVD(物（wù）理氣相沉積) 技術，為真空塗層開創（chuàng）了一個充滿燦爛（làn）前景的新天地，之後在短短的二、三十年間PVD 塗層技術得到迅猛（měng）發（fā）展，究其原因，是因（yīn）為其在真空密封的腔體內成（chéng）膜，幾乎無任何環境汙（wū）染問題，有利於環保;因為其能得到光亮、華貴的表麵，在顏色上（shàng），成熟的有七彩色、銀色、透明色、金黃色、黑色、以及由金黃（huáng）色到黑色之（zhī）間的任何一種顏色，可謂五（wǔ）彩繽紛，能夠滿足裝飾性的各種需要;又由於 PVD 技（jì）術，可以輕鬆得到其他方法難以獲得的高硬度、高耐磨性的（de）陶瓷塗層、複合塗層，應用在工裝（zhuāng）、模具上麵，可以（yǐ）使壽命成倍（bèi）提高，較好地實現了低成本、高收益的效果;此外， PVD 塗層技術具有低溫、高能兩個特點，幾乎可以在（zài）任何基材上成膜，因此，應用範圍十分（fèn）廣闊，其發展神速也就不（bú）足為奇。   真空塗層技術發（fā）展到（dào）了今天還出（chū）現了PCVD(物理化學氣（qì）相沉積)、MT-CVD(中溫化學氣相沉積（jī）)等新技術（shù），各種塗層設備、各種塗層工藝層出不窮，如今（jīn）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（yīng）該清醒地看到，真空塗層（céng）技（jì）術的發展又（yòu）是嚴重不平衡的。由（yóu）於刀具、模具的工作環境極其惡劣，對薄膜附著力的要求，遠高於裝飾塗層。因而，盡管裝飾塗層的廠家已（yǐ）遍布各地，但能夠生產工模塗層的廠家並不多。再加（jiā）上刀具、模具塗層售（shòu）後服務的欠缺，到目前為止，國內大（dà）多數塗層設備廠家都不能提供完整的（de）刀具塗層工藝技術(包括前處理工藝、塗層（céng）工藝、塗後處理工藝、檢測技術、塗層刀（dāo）具和模具的應用技術等)，而且，它還（hái）要（yào）求工藝技術人員，除了精通塗層的專業知識以外，還應具有紮實的金屬材料與熱處理知識、工模塗層前表麵（miàn）預處（chù）理知識、刀具、模具塗層的合（hé）理選擇以及上（shàng）機（jī）使用的技術   要求等，如果任一環節出現問（wèn）題，都會給使用者產生使用（yòng）效果不理想這樣的結論。所有這些，都嚴重製約了該技術在刀具、模具（jù）上的應用。   另一方麵，由（yóu）於該技術是一門介乎材料學、物理學、電子、化學等學（xué）科的新興邊緣學科，而（ér）國內（nèi）將其應用於刀具、模具生（shēng）產領域內的為數不多的幾個骨幹廠家，大（dà）多走（zǒu）的也是一條從國外引（yǐn）進先進設備和工藝技術的路子，尚需一個（gè）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（bú）相稱，急需奮起直追（zhuī）。   2. PVD 塗層的（de）基本概念（niàn）及其特點   PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的縮寫形式，意（yì）思是物理氣相沉（chén）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（fāng）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（lí）子蒸發源靠（kào）電焊機電源供電即可工作（zuò），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（zhēn）與蒸發離（lí）子源短（duǎn）暫接觸，斷開，使（shǐ）氣體放電。由於多弧鍍的成因主要是借助於不斷移動的弧斑，在蒸發源表麵上連續形成熔池，使金屬蒸發後，沉積在基體上而得到薄膜層的，與磁控濺射相比，它不（bú）但有靶材利用率高，更具有金屬離子離化率高（gāo），薄膜與基體之間結合（hé）力（lì）強（qiáng）的優點。此外，多弧鍍塗層顏色較為穩定，尤其是在做 TiN 塗層時，每一批次均容易得到相同穩定的（de）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（de） DC 電源（yuán）做低溫塗層條（tiáo）件下，當塗層厚度（dù）達到（dào）0.3μm 時，沉積率與反射率接近，成膜變得非常困難。而且，薄膜表麵開始變朦（méng）。多弧鍍另一個不足之處是，由於金屬是熔後蒸發，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（yǒu）優劣，為（wéi）了盡可能地發（fā）揮它們各自的優越（yuè）性（xìng），實現互補，將多弧技術（shù）與磁控技術合（hé）而為一的塗層機應運而（ér）生。在工藝上（shàng）出現了多弧鍍打底，然後利用磁控濺射法增厚塗層，最後再利用多弧鍍達到最（zuì）終穩定的表（biǎo）麵塗層顏色的新方法。   大約（yuē）在八十年代中後（hòu）期，出現了熱陰極電子槍（qiāng）蒸發離子鍍、熱陰（yīn）極弧磁控等離子鍍膜機，應用效果很好，使TiN 塗層（céng）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（huà）被鍍金屬材料（liào），利用鉭燈絲給工（gōng）件（jiàn）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 塗層，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。但是這些設備都隻適合於 TiN塗層，或純金屬薄膜。對於多元塗層或（huò）複合塗層，則力（lì）不（bú）從心，難以適應高硬度材料（liào）高（gāo）速切   削以及模具應用多樣性的要求。   3. 現代塗層（céng）設備(均勻加熱（rè）技術、溫度測量技（jì）術、非（fēi）平衡磁（cí）控濺（jiàn）射技術、輔助陽極技術、中頻電源、脈衝技術) 現代塗層設（shè）備主（zhǔ）要由真空室（shì）、真空獲得部分、真空測量部分、電源供給部分、工藝氣體輸（shū）入係統、機械傳動部（bù）分、加熱及測溫部件、離子蒸發或濺射源、水冷係統等部分組成。   3.1 真空室   塗層設備主要（yào）有連續（xù）塗層生產線（xiàn）及單室塗層機兩（liǎng）種形式，由於工模塗層對（duì）加熱及機械（xiè）傳動部分有較高要求，而且工模形狀、尺寸千差萬別，連續塗層生產線通常難以滿足要求，須采用單室塗層機。   3.2 真空獲得部分（fèn）   在真空技術（shù）中，真空獲得部分（fèn）是重要組成部分。由於工模件塗層高附著力的要求，其塗層工藝開始前背景真空度最好高於6mPa，塗層工藝結束後真空度甚至可達（dá） 0.06mPa 以上，因此合理選（xuǎn）擇真（zhēn）空獲得設備，實現高真空度至關重（chóng）要。   就目（mù）前來說，還沒有一種泵能從大氣壓一直工（gōng）作到（dào）接近超高真空。因此，真空的獲（huò）得不是一種真空（kōng）設備和方法所能達（dá）到的，必須將幾種（zhǒng）泵聯合使用，如機械泵、分子泵係統等。   3.3 真空測量部分   真空係統的真空測量部分，就（jiù）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（kōng）計能測量整個真空範圍，人們於是按不同的（de）原理和要求製成了許多種類的真空計。   3.4 電源供（gòng）給部分靶電源主要有直流電源(如 MDX)、中頻電（diàn）源(如美國 AE公司生產的 PE、PEII、PINACAL);工件本身通常需加直流（liú）電源(如（rú） MDX)、脈衝電源(如美國AE公司生產的（de） PINACAL+)、或（huò）射頻（pín）電源(RF)。   3.5 工藝氣體輸入係統（tǒng）   工藝氣（qì）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（gòng）應，經氣體減壓閥、氣（qì）體截止閥、管路（lù）、氣體（tǐ）流量（liàng）計（jì）、電磁閥、壓電閥（fá），然後通（tōng）入（rù）真空室。這（zhè）種（zhǒng）氣體輸入係統的優點是，管路簡捷、明快，維修或更換氣瓶容易（yì）。各塗層機之間互不影響。也有多台塗層機共用一（yī）組氣（qì）瓶的情況，這種情況在一些（xiē）規模較大的（de）塗層車間可能有（yǒu）機會看到。它的好處是，減少氣瓶占（zhàn）用量，統一規劃、統一布局。缺點是，由於接（jiē）頭增多，使漏氣機會增加。而且，各塗層機之間會（huì）互相（xiàng）幹擾，一台塗層（céng）機的管路（lù）漏氣，有可能會影響到（dào）其他塗層機的產品質量。此外，更換氣瓶時，必須保證所有主機都處於非用氣狀態。   3.6 機械傳動部分   刀（dāo）具塗層要求周邊必須厚度均勻一致，因此（cǐ），在塗層過程中須有三個轉動量才能滿足要求。即（jí）在要求大（dà）工件台轉動(I)的同時，小的工件承載台也轉動( II),並且工件本身還能同時自轉(III)。   在機械設計上，一般是（shì）在大工件轉盤底部中央為一大的主動（dòng）齒輪，周圍是一些小（xiǎo）的星行輪與之齧合，再用撥（bō）叉撥動工件自轉。當然，在做模（mó）具塗層時（shí），一般有兩個轉動量就足夠了，但是（shì）齒輪可承載量必須大大增強。   3.7 加熱及測溫（wēn）部分   做工模塗層的時候（hòu），如何（hé）保證被（bèi）鍍工件均勻加熱比裝飾塗   層加熱（rè）要重要（yào）得多。工（gōng）模塗層設備一般均有前後（hòu）兩個加熱器，用熱電偶測（cè）控（kòng）溫度（dù）。但是，由（yóu）於熱電偶裝夾的為置不同，因而，溫度讀數不（bú）可能是工件的真實溫度（dù）。要想測得工件的真實溫（wēn）度，有很多方法，這裏介紹一種簡便易行的表麵溫度計法 (Surface Thermomeer)。該溫度計的工作原（yuán）理是，當溫度計受熱，底部的彈簧將受熱膨脹，使（shǐ）指針推動定位指針旋轉，直到最（zuì）高溫度。降溫的時候，彈簧收縮，指針反向旋（xuán）轉，但定位指針維持在最高溫度（dù）位置不動（dòng），開門後，讀取定位指針指示的溫度，即為真（zhēn）空室內加熱時，表（biǎo）麵溫度計放置位置所（suǒ）曾（céng）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（yuán）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（dàn）未見有明顯（xiǎn）效果（guǒ）。圓餅靶裝在銅靶（bǎ）座(陰極座（zuò）)上麵，兩者為羅紋連接。靶座中裝有磁鐵，通過前後移動磁鐵，改變磁場強度，可調整弧（hú）斑移動速度及軌跡（jì）。為了降低（dī）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（bǎ）座之間加錫(Sn)墊片。磁（cí）控濺射鍍膜一般采用（yòng）長方形或圓柱形靶材，   3.9 水冷係統（tǒng）   因為工模塗層時，為了提高金（jīn）屬（shǔ）原子的離化率，各個陰（yīn）極靶座都盡可能地采用大的功（gōng）率輸出，需要充分冷卻;而且，工模塗層（céng）中的許多種塗（tú）層，加（jiā）熱溫度為 400~500ºC，因此，對（duì）真空室壁、對各個密封麵（miàn）的冷卻也很（hěn）重要，所以冷卻水最好采用18~20ºC 左（zuǒ）右的冷水機供水。為了防止（zhǐ）開門後，低溫（wēn）的（de）真空室壁、陰極靶與熱的空（kōng）氣接觸析出水珠，在開門前 10 分鍾左右，水冷係統應有能力切換到供（gòng）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，分別介紹如後。   4.1 IQC   IQC(In Quality Control)的主要工作除了常規的清點數量（liàng）   ，   檢查圖紙與實物是否相符外，還須仔細檢查工件表麵，特別是刃口（kǒu）部位（wèi）有無裂紋等缺陷。有時對於一些刀具、刀粒的（de）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（zhù）意（yì）檢查待鍍膜件有無塑膠、低熔點（diǎn）的焊料等，這些東西如果因漏（lòu）檢（jiǎn）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塗層，重者使原本 OK 的產品報（bào）廢，後果不堪設想。   4.2 前（qián）處理工藝(蒸汽槍、噴砂、拋光、清洗)   前處理的目的是淨化或粗化工件表麵。淨化就是要（yào）去除各種表麵玷汙物（wù），製備潔淨表麵。通常使用各種淨化（huà）劑，借（jiè）助機械、物理或化學的方法進行淨化。   粗化與（yǔ）光蝕相反，其目的在（zài）於製備粗糙的表麵以提高噴塗層或塗料裝飾的結構強（qiáng）度。我們現在已有的前處理主要方法（fǎ）為：高溫蒸洗、清（qīng）洗、噴（pēn）砂、打（dǎ）磨（mó）、拋光（guāng）等方法。   4.2.1   高溫蒸洗   目前，PVD 車間常用的高（gāo）溫蒸洗設備是蒸汽槍。它的最大工作溫（wēn）度可達（dá） 145?C，氣壓在 3~5 巴左右。由於模具中經常帶有一（yī）些細小孔、螺紋孔，孔內中常常有油汙、殘餘冷卻液等雜質（zhì），用常規清（qīng）洗的方法難以除去（qù）。此時，高溫蒸洗設備（bèi）便可最大（dà）程度的發揮它的（de）優越性（xìng）。   
4.2.2   清洗   各廠工模塗（tú）層前清洗程序大（dà）致（zhì）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（huàn）→6.過水（shuǐ）→7.過純水→8.強（qiáng）風幹燥   具體實施時，與我們所熟（shú）悉的裝飾塗層（céng）前的清洗又有許多不同。這（zhè）是（shì）因為裝飾塗層的底材大多為不（bú）鏽鋼或鈦合金，不容易生鏽。此外，裝飾塗層對水印、點（diǎn）痣等缺陷是絕（jué）對（duì）不允許的。因此，裝飾塗層對（duì）純水的（de）水質（zhì）要求極高，甚至（zhì）要達到 15MΩ 以上。要保（bǎo）證清洗的高質量（liàng），可以通過反複清洗，並在高質量的純水加超聲波中長時間（jiān）浸（jìn）泡來得到。但是，工模的清洗就不（bú）同，尤其是一些熱做模具（jù）鋼，如果（guǒ）像裝飾塗層那樣去清洗，就會鏽得（dé）一塌糊塗。   由於工模塗層（céng）的原始表麵狀態，除了一（yī）些高標準的（de）鏡麵模具以外，一般較裝飾塗層（céng）要粗糙，因而，對塗層（céng）後的表麵狀（zhuàng）態（tài）的要求也不象裝飾塗層那樣高，這就允許我們采取快速過水，用幹燥、無油（yóu）的（de）壓縮空氣吹幹，然後對（duì）工模（mó）強風幹燥的方法來處理。而那些高標準的（de）鏡麵模具（jù），一般均為136 等不鏽鋼，可以借用裝飾塗層的清洗法。   總而言之，工模塗層前的清洗方法因工模所使用的材料（liào）的不同而不同，因工模塗（tú）層前的表麵狀態（tài）的不同而不（bú）同，且不可千篇一律（lǜ）。下麵（miàn）是幾種材料生鏽由難到易的（de）排序，供（gòng）參考：
不（bú）鏽鋼、硬質（zhì）合金、金屬陶瓷合金、DC53、高速鋼、8407 有一種自動清（qīng）洗機型號為 CR288，產自德國。該機一（yī）次最大   清洗量為 80KG，主要用於清洗（xǐ）刀具、小型零部件、或（huò）小尺寸的模具。它共有三個清洗缸，裏麵的溶液分（fèn）別為自來（lái）水+清洗劑、自（zì）來水、去離子水。除了常見的超聲波（bō）、大水衝洗、噴淋、擺（bǎi）動、熱風幹燥（zào）等功能（néng）外，該機另外一個優點是最後設有（yǒu）抽真（zhēn）空步驟（zhòu），可以使水分盡快揮發掉。   自（zì）動清洗機內存十（shí）種工藝，均由供方預（yù）先設定。一至九可分（fèn）別用於不同類型的產品、不（bú）同的表麵狀態的淨化處理。第十種用於加注清洗劑。   4.2.3   噴砂   噴（pēn）砂法（fǎ）是借助壓縮（suō）空氣使磨料強力衝刷工件表麵，從而去（qù）除鏽蝕、積碳、焊渣、氧（yǎng）化皮、殘鹽、舊漆（qī）層等表麵缺陷。按磨料使用條件，噴砂分為幹（gàn）噴（pēn）砂與濕噴砂兩類。   噴砂的工藝參數主要有槍距、傾（qīng）角、裝夾（jiá）台旋轉速度、移動速度、行程、往返次數、噴砂（shā）時間、噴砂氣壓。我（wǒ）們已使用過的參數有（yǒu）槍距：30~70mm; 傾角 30~70?C; 裝夾台旋轉速度 10~30;往返次數 3~9 次（cì）;噴砂氣壓：1.8~3.5 巴等。具體操作時，根據工件（jiàn）表麵髒（zāng）汙程度（dù），工件硬度，工件表麵幾何形狀等因素，選取上下限。我們在幹噴（pēn）砂（shā）機中所選用的磨料為（wéi）玻璃珠，適合噴一些硬（yìng）度介中（zhōng）的材料，如油鋼、模（mó）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。對於工模塗層而言，噴砂（shā）所使用（yòng）的磨料粒度（dù）也很重要。如果磨料粒度過大，則工件表麵太粗糙;如果磨料粒度太小，又（yòu）會降低衝擊力度（dù），甚至嵌在工件表麵，清洗難（nán）以去除，從而使工件塗層附著（zhe）力降低。為此（cǐ），歐洲一些國家，對工模塗層前噴砂   所用磨料粒度做過仔細研究，嚴格到必（bì）須保（bǎo）證 85%以上的晶粒度在中 A、B 兩點範圍內才能使（shǐ）用。相比之下，我國磨料的供應（yīng）商還缺乏這方麵的共識，我們（men）也很少有做（zuò）這方麵的檢驗。   4.3 PVD 塗層工藝(加熱、離子清洗、塗層、冷卻、工藝氣體、氣壓、溫（wēn）度、濺射功率)   4.4 FQC   FQC 的英文（wén）全拚（pīn）為：“Function Quality Control”，意思是功能（néng）質量控製（zhì），它有別與一般意義上（shàng）的（de） OQC(Out Quality Control) 。FQC 的內容主要包括外觀檢查（chá）、層（céng）深檢（jiǎn）查（chá）、附著（zhe）力檢查、耐磨性檢查、抗（kàng）蝕性檢查、模擬性測試等方法。我廠目前應用的（de）主要有外（wài）觀檢查、層深（shēn）檢查和附著力檢查。由於我們所接觸的（de）產品大多都是不允許做破壞（huài）性檢查的，因而我們在鍍膜時，每批都（dōu）會放進（jìn）隨批試（shì）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（shì）樣與產品在原（yuán）材料、熱處理狀態、裝夾位置等（děng）方（fāng）麵都難於一致，所以這（zhè）樣檢測出的結果，與產品實際值會有一定的（de）誤差。有時可能還會有相當大的誤（wù）差，隻能做參考使用。當然，必要的時候（hòu），我們也（yě）可以通過製作模擬件，達到準確測（cè）量的目的。  
 4.4.1   外觀檢
對於開門取件後的產（chǎn）品，應仔（zǎi）細檢（jiǎn）查表麵（miàn）有（yǒu）無裂紋、掉塗層、疏鬆等缺陷。對於刀具、刀粒，還需在顯微鏡下仔細檢（jiǎn）查它（tā）們的刃口狀態。   4.4.2   層深檢查   層（céng）深檢查有切片金相觀（guān）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。工模塗層的層深檢查是在（zài）球磨儀上進行的。方法是先（xiān）用直徑為（wéi） 10mm 的鋼球與測試表麵滾磨，然後（hòu）在（zài）顯微鏡下測量磨痕的有關（guān）數據，帶入公式中，即可方便算出層深。   這種層深檢（jiǎn）查法的特（tè）點（diǎn）是（shì）：方便適用，誤差稍（shāo）大（dà）。但這種誤差（chà）應用於工模上麵影（yǐng）響不會太大。有（yǒu）興趣（qù）的同事還可參閱有關的說（shuō）明書。附著力的檢查方法有很多，各個廠根據自己產品（pǐn）的特點，都製定了相（xiàng）應的檢（jiǎn）測（cè）方法。其中，比（bǐ）較權威的方法有兩種，一種是（shì）在洛氏硬度計上，以圓錐型金剛石壓頭（tóu）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塗層（céng）附著力的高低。該方法對（duì）金剛石壓頭的形狀要求很高，不但嚴（yán）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（háng）業標準;另一（yī）種方法是劃痕法，我國有些塗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（biāo）準可供查（chá）詢。   5. 工裝夾（jiá）具的處理   6. 塗（tú）後處理工藝(噴（pēn）砂、塗脂技術，拋光（guāng）處理)   7. 檢測（cè）技術(結合力的檢測、層深的檢測、酸蝕（shí）)   8. 塗層剝（bāo）離技術(TiN/TiAlN 的剝離（lí）技術、CrN/DLC/CrAlTiN 的剝離技術、硬質合金的表（biǎo）麵（miàn）塗層剝離技術)   9.塗層（céng）刀具的應用技術(塗層的正確選（xuǎn）擇、塗層刀具的正確使用   塗層對刀具的優化非常大，由（yóu）於高速切削加工比傳統切削加工所產（chǎn）生的溫度要高，應用塗層，可以發揮其耐高（gāo）溫、抗氧化及加硬材質等作用。例如，氮化鉻(CrN)塗層可降低磨擦係數，改善光潔度及排屑（xiè）情況