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真空鍍膜（PVD 技術）
日期：2024-12-23 02:32
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摘要：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，起初并未得到推廣。到了上世紀七十年代末，開始出現 PVD（物理/氣相沉積）技術，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：
（1）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；
（2）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...
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，起初并未得到推廣。到了上世紀七十年代末，開始出現 PVD（物理/氣相沉積）技術，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：
（1）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；
（2）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，能夠滿足裝飾性的各種需要；
（3）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；
（4）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。目前較為成熟的 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。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 0.3 um 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，*后再利用多弧鍍達到*終穩定的表面涂層顏色的新方法。
2. 技術原理
PVD (Physical Vapor Deposition) 即物理/氣相沉積，分為：真空蒸發鍍膜、真空濺射鍍膜和真空離子鍍膜。我們通常所說的 PVD 鍍膜，指的就是真空離子鍍膜和真空濺射鍍；通常說的 NCVM 鍍膜，就是指真空蒸發鍍膜。
真空蒸鍍基本原理：在真空條件下，使金屬、金屬合金等蒸發，然后沉積在基體表面上，蒸發的方法常用電阻加熱，電子束轟擊鍍料，使蒸發成氣相，然后沉積在基體表面，歷史上，真空蒸鍍是 PVD 法中使用*早的技術。
濺射鍍膜基本原理：充氬（Ar）氣的真空條件下，使氬氣進行輝光放電，這時氬（Ar）原子電離成氬離子（Ar），氬離子在電場力的作用下，加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材，靶材會被濺射出來而沉積到工件表面。濺射鍍膜中的入射離子，一般采用輝光放電獲得，在 l0 -2 Pa～10Pa 范圍，所以濺射出來的粒子在飛向基體過程中，易和真空室中的氣體分子發生碰撞，使運動方向隨機，沉積的膜易于均勻。
離子鍍基本原理：在真空條件下，采用某種等離子體電離技術，使鍍料原子部分電離成離子，同時產生許多高能量的中性原子，在被鍍基體上加負偏壓。這樣在深度負偏壓的作用下，離子沉積于基體表面形成薄膜。
2. 鍍料的氣化：即通入交流電后，使鍍料蒸發氣化。
3. 鍍料離子的遷移：由氣化源供出原子、分子或離子經過碰撞以及高壓電場后，高速沖向工件；
4. 鍍料原子、分子或離子在基體上沉積：工件表面上的蒸發料離子超過濺失離子的數量時，則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。
離子鍍時，蒸發料粒子電離后具有三千到五千電子伏特的動能，高速轟擊工件時，不但沉積速度快，而且能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴散層，離子鍍的界面擴散深度可達四至五微米，也就是說比普通真空鍍膜的擴散深度要深幾十倍，甚至上百倍，因而彼此粘附得特別牢。
（1）PVD膜層能直接鍍在不銹鋼以及硬質合金上，對比較軟的鋅合金、銅、鐵等壓鑄件應先進行化學電鍍鉻，然后才適合鍍 PVD，但是水鍍后做 PVD 容易起泡，不佳率較高；
（2）典型的PVD涂層加工溫度在 250 ℃ ~ 450 ℃之間；
（3）涂層種類和厚度決定工藝時間，一般工藝時間為3~6小時；
（4）PVD鍍膜膜層的厚度為微米級，厚度較薄，一般為0.3μm～5μm，其中裝飾鍍膜膜層的厚度一般為0.3μm~1μm，因此可以在幾乎不影響工件原來尺寸的情況下提高工件表面的各種物理性能和化學性能，并能夠維持工件尺寸基本不變，鍍后不須再加工；
（5）PVD技術不僅提高了鍍膜與基體材料的結合強度，涂層成分也由**代的TiN發展為TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta-C等多元復合涂層，形成不同的顏色的表面效果。
（6）目前能夠做出的膜層的顏色有深金黃色，淺金黃色，咖啡色，古銅色，灰色，黑色，灰黑色，七彩色等。通過控制鍍膜過程中的相關參數，可以控制鍍出的顏色；鍍膜結束后可以用相關的儀器對顏色值進行測量，使顏色得以量化，以確定所鍍出的顏色是否滿足要求。
2.技術優點
（1）鍍層附著性能好
普通真空鍍膜時，在工件表面與鍍層之間幾乎沒有連接的過渡層，好似截然分開。而離子鍍時，離子高速轟擊工件時，能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴散層，離子鍍的界面擴散深度可達四至五微米，對離子鍍后的試件作拉伸試驗表明，一直拉到快要斷裂時，鍍層仍隨基體金屬一起塑性延伸，無起皮或剝落現象發生,可見附著多么牢固，膜層均勻，致密。
（2）繞鍍能力強
離子鍍時，蒸發料粒子是以帶電離子的形式在電場中沿著電力線方向運動，因而凡是有電場存在的部位，均能獲得良好鍍層，這比普通真空鍍膜只能在直射方向上獲得鍍層優越得多。因此，這種方法非常適合于鍍復零件上的內孔、凹槽和窄縫。等其他方法難鍍的部位。用普通真空鍍膜只能鍍直射表面，蒸發料粒子尤如攀登云梯一樣，只能順梯而上；而離子鍍則能均勻地繞鍍到零件的背面和內孔中，帶電離子則好比坐上了直升飛機，能夠沿著規定的航線飛抵其活動半徑范圍內的任何地方。
（3）鍍層質量好
離子鍍的鍍層組織致密、無針孔、無氣泡、厚度均勻。甚至棱面和凹槽都可均勻鍍復，不致形成金屬瘤。象螺紋一類的零件也能鍍復，有高硬度、高耐磨性（低摩擦系數）、很好的耐腐蝕性和化學穩定性等特點，膜層的壽命更長；同時膜層能夠大幅度提高工件的外觀裝飾性能。
（4）清洗過程簡化
現有鍍膜工藝，多數均要求事先對工件進行嚴格清洗，既復雜又費事。然而，離子鍍工藝自身就有一種離子轟擊清洗作用，并且這一作用還一直延續于整個鍍膜過程。清洗效果極好，能使鍍層直接貼近基體，有效地增強了附著力，簡化了大量的鍍前清洗工作。
（5）可鍍材料廣泛
離子鍍由于是利用高能離子轟擊工件表面，使大量的電能在工件表面轉換成熱能，從而促進了表層組織的擴散作用和化學反應。然而，整個工件，特別是工件心部并未受到高溫的影響。因此這種鍍膜工藝的應用范圍較廣，受到的局限性則較小。通常，各種金屬、合金以及某些合成材料、絕緣材料、熱敏材料和高熔點材料等均可鍍復。即可在金屬工件上鍍非金屬或金屬，也可在非金屬上鍍金屬或非金屬，甚至可鍍塑料、橡膠、石英、陶瓷等。
1.裝飾鍍
裝飾鍍的目的：主要是為了改善工件的外觀裝飾性能和色澤，同時使工件更耐磨耐腐蝕延長其使用壽命；這方面主要應用五金行業的各個領域，如門窗五金、鎖具、衛浴五金等行業。
2.工具鍍
工具鍍的目的：主要是為了提高工件的表面硬度和耐磨性，降低表面的摩擦系數，提高工件的使用壽命；這方面主要應用在各種刀剪、車削刀具（如車刀、刨刀、銑刀、鉆頭等等）等產品中。
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，起初并未得到推廣。到了上世紀七十年代末，開始出現 PVD（物理/氣相沉積）技術，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：
（1）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；
（2）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，能夠滿足裝飾性的各種需要；
（3）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；
（4）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。目前較為成熟的 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。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 0.3 um 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，*后再利用多弧鍍達到*終穩定的表面涂層顏色的新方法。
2. 技術原理
PVD (Physical Vapor Deposition) 即物理/氣相沉積，分為：真空蒸發鍍膜、真空濺射鍍膜和真空離子鍍膜。我們通常所說的 PVD 鍍膜，指的就是真空離子鍍膜和真空濺射鍍；通常說的 NCVM 鍍膜，就是指真空蒸發鍍膜。
真空蒸鍍基本原理：在真空條件下，使金屬、金屬合金等蒸發，然后沉積在基體表面上，蒸發的方法常用電阻加熱，電子束轟擊鍍料，使蒸發成氣相，然后沉積在基體表面，歷史上，真空蒸鍍是 PVD 法中使用*早的技術。
濺射鍍膜基本原理：充氬（Ar）氣的真空條件下，使氬氣進行輝光放電，這時氬（Ar）原子電離成氬離子（Ar），氬離子在電場力的作用下，加速轟擊以鍍料制作的陰極靶材，靶材會被濺射出來而沉積到工件表面。濺射鍍膜中的入射離子，一般采用輝光放電獲得，在 l0 -2 Pa～10Pa 范圍，所以濺射出來的粒子在飛向基體過程中，易和真空室中的氣體分子發生碰撞，使運動方向隨機，沉積的膜易于均勻。
離子鍍基本原理：在真空條件下，采用某種等離子體電離技術，使鍍料原子部分電離成離子，同時產生許多高能量的中性原子，在被鍍基體上加負偏壓。這樣在深度負偏壓的作用下，離子沉積于基體表面形成薄膜。
PVD技術的工藝步驟
1. 清洗工件：接通直流電源，氬氣進行輝光放電為氬離子，氬離子轟擊工件表面，工件表層粒子和臟物被轟濺拋出；2. 鍍料的氣化：即通入交流電后，使鍍料蒸發氣化。
3. 鍍料離子的遷移：由氣化源供出原子、分子或離子經過碰撞以及高壓電場后，高速沖向工件；
4. 鍍料原子、分子或離子在基體上沉積：工件表面上的蒸發料離子超過濺失離子的數量時，則逐漸堆積形成一層牢固粘附于工件表面的鍍層。
離子鍍時，蒸發料粒子電離后具有三千到五千電子伏特的動能，高速轟擊工件時，不但沉積速度快，而且能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴散層，離子鍍的界面擴散深度可達四至五微米，也就是說比普通真空鍍膜的擴散深度要深幾十倍，甚至上百倍，因而彼此粘附得特別牢。
產品性能優勢
1.技術特點（1）PVD膜層能直接鍍在不銹鋼以及硬質合金上，對比較軟的鋅合金、銅、鐵等壓鑄件應先進行化學電鍍鉻，然后才適合鍍 PVD，但是水鍍后做 PVD 容易起泡，不佳率較高；
（2）典型的PVD涂層加工溫度在 250 ℃ ~ 450 ℃之間；
（3）涂層種類和厚度決定工藝時間，一般工藝時間為3~6小時；
（4）PVD鍍膜膜層的厚度為微米級，厚度較薄，一般為0.3μm～5μm，其中裝飾鍍膜膜層的厚度一般為0.3μm~1μm，因此可以在幾乎不影響工件原來尺寸的情況下提高工件表面的各種物理性能和化學性能，并能夠維持工件尺寸基本不變，鍍后不須再加工；
（5）PVD技術不僅提高了鍍膜與基體材料的結合強度，涂層成分也由**代的TiN發展為TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和ta-C等多元復合涂層，形成不同的顏色的表面效果。
（6）目前能夠做出的膜層的顏色有深金黃色，淺金黃色，咖啡色，古銅色，灰色，黑色，灰黑色，七彩色等。通過控制鍍膜過程中的相關參數，可以控制鍍出的顏色；鍍膜結束后可以用相關的儀器對顏色值進行測量，使顏色得以量化，以確定所鍍出的顏色是否滿足要求。
2.技術優點
（1）鍍層附著性能好
普通真空鍍膜時，在工件表面與鍍層之間幾乎沒有連接的過渡層，好似截然分開。而離子鍍時，離子高速轟擊工件時，能夠穿透工件表面，形成一種注入基體很深的擴散層，離子鍍的界面擴散深度可達四至五微米，對離子鍍后的試件作拉伸試驗表明，一直拉到快要斷裂時，鍍層仍隨基體金屬一起塑性延伸，無起皮或剝落現象發生,可見附著多么牢固，膜層均勻，致密。
（2）繞鍍能力強
離子鍍時，蒸發料粒子是以帶電離子的形式在電場中沿著電力線方向運動，因而凡是有電場存在的部位，均能獲得良好鍍層，這比普通真空鍍膜只能在直射方向上獲得鍍層優越得多。因此，這種方法非常適合于鍍復零件上的內孔、凹槽和窄縫。等其他方法難鍍的部位。用普通真空鍍膜只能鍍直射表面，蒸發料粒子尤如攀登云梯一樣，只能順梯而上；而離子鍍則能均勻地繞鍍到零件的背面和內孔中，帶電離子則好比坐上了直升飛機，能夠沿著規定的航線飛抵其活動半徑范圍內的任何地方。
（3）鍍層質量好
離子鍍的鍍層組織致密、無針孔、無氣泡、厚度均勻。甚至棱面和凹槽都可均勻鍍復，不致形成金屬瘤。象螺紋一類的零件也能鍍復，有高硬度、高耐磨性（低摩擦系數）、很好的耐腐蝕性和化學穩定性等特點，膜層的壽命更長；同時膜層能夠大幅度提高工件的外觀裝飾性能。
（4）清洗過程簡化
現有鍍膜工藝，多數均要求事先對工件進行嚴格清洗，既復雜又費事。然而，離子鍍工藝自身就有一種離子轟擊清洗作用，并且這一作用還一直延續于整個鍍膜過程。清洗效果極好，能使鍍層直接貼近基體，有效地增強了附著力，簡化了大量的鍍前清洗工作。
（5）可鍍材料廣泛
離子鍍由于是利用高能離子轟擊工件表面，使大量的電能在工件表面轉換成熱能，從而促進了表層組織的擴散作用和化學反應。然而，整個工件，特別是工件心部并未受到高溫的影響。因此這種鍍膜工藝的應用范圍較廣，受到的局限性則較小。通常，各種金屬、合金以及某些合成材料、絕緣材料、熱敏材料和高熔點材料等均可鍍復。即可在金屬工件上鍍非金屬或金屬，也可在非金屬上鍍金屬或非金屬，甚至可鍍塑料、橡膠、石英、陶瓷等。
市場前景及應用
PVD 鍍膜技術的應用主要分為兩大類：裝飾鍍和工具鍍。1.裝飾鍍
裝飾鍍的目的：主要是為了改善工件的外觀裝飾性能和色澤，同時使工件更耐磨耐腐蝕延長其使用壽命；這方面主要應用五金行業的各個領域，如門窗五金、鎖具、衛浴五金等行業。
2.工具鍍
工具鍍的目的：主要是為了提高工件的表面硬度和耐磨性，降低表面的摩擦系數，提高工件的使用壽命；這方面主要應用在各種刀剪、車削刀具（如車刀、刨刀、銑刀、鉆頭等等）等產品中。
文章來源：真空技術與設備網
