塗層（céng）技術及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   真空塗層技術起（qǐ）步（bù）時（shí）間不長，國際上在上世紀六十年代（dài）才出現將（jiāng）CVD(化學氣相沉積)技術應用於硬質合金刀具上。由於   該技術需在高溫下進行（háng）(工藝溫度高於 1000ºC)，塗層種類（lèi）單一（yī），局（jú）限性很（hěn）大，因（yīn）此，其（qí）發展初期未免差強人意。   到了上世紀七十年（nián）代末，開始出現 PVD(物理氣相沉積) 技術，為真空塗層開創（chuàng）了一個充滿燦爛前景的新天地，之後（hòu）在短短的二（èr）、三十年間PVD 塗層技術得到迅猛發展，究其原（yuán）因，是因為其在真空密封的腔體內成膜，幾（jǐ）乎無任何（hé）環境汙染問題，有利於環保;因為其能得到光亮、華貴的表（biǎo）麵，在顏（yán）色上，成熟的有七彩色、銀色、透明色、金黃色、黑色（sè）、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（xìng）的各種（zhǒng）需要（yào）;又由於 PVD 技術，可以輕鬆得（dé）到其他方法難以獲得的（de）高硬度、高耐磨性的陶瓷塗層、複合塗層，應用在工裝（zhuāng）、模具上麵，可以使壽命（mìng）成倍提高，較好地實現了（le）低成本（běn）、高收益的效果;此外， PVD 塗層技術具有低溫、高能兩個（gè）特點，幾乎可以在任何基（jī）材（cái）上成膜，因此，應用範圍十分廣闊（kuò），其（qí）發展神（shén）速也就不足為奇。   真空塗層技術（shù）發展到（dào）了今（jīn）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，各種塗層設備（bèi）、各種塗層工藝層（céng）出（chū）不窮，如今在這一領域中（zhōng），已呈現出百花齊（qí）放，百家爭鳴的喜人景象。   與此同時，我們（men）還應該清醒（xǐng）地看到，真（zhēn）空塗層技術的發展又是嚴重不平衡的。由於刀具、模具的（de）工（gōng）作環境極其惡劣，對薄膜附著力的（de）要求，遠高於（yú）裝飾塗（tú）層。因而，盡管裝飾塗層的廠家已遍布各地，但能夠生產工（gōng）模塗層的廠家並不多（duō）。再加上刀具、模具塗層售後服（fú）務的欠缺，到目（mù）前為（wéi）止，國內大多數塗層設備廠家都不能（néng）提供完整的刀具塗層工藝技術(包（bāo）括前處理工藝、塗層（céng）工藝、塗後處理工藝（yì）、檢測技術、塗層刀具（jù）和模具的應（yīng）用技術等)，而且，它還（hái）要求工藝技術人員，除了精通塗層的專業知識以外（wài），還應具有紮實的金屬材料與熱處理知識、工模塗層（céng）前表麵預處理知識、刀（dāo）具、模具塗層的合理選擇以及上機使用的技術   要求等，如果任一環（huán）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，都嚴重製約了該（gāi）技術在刀具、模（mó）具上的應用。   另一方麵，由於該技術是一門（mén）介乎材料學（xué）、物理學、電子、化學等學科的新興邊緣學科，而國內將其應（yīng）用於刀具、模具生（shēng）產領域內的（de）為數（shù）不多（duō）的幾個（gè）骨幹廠家，大（dà）多走的也是一條從國外引進先（xiān）進設備和工藝技術的路子，尚需一個消化、吸收（shōu）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相稱，急需奮（fèn）起直追。   2. PVD 塗（tú）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。我們現在一般地把（bǎ）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（yào）有（yǒu）多弧鍍與磁控濺射鍍兩種方式（shì）。多弧鍍設備（bèi）結構簡單，容易操作。它的離子蒸（zhēng）發源靠電焊機電源供電（diàn）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（yì）氣壓下，引弧針（zhēn）與蒸發離（lí）子源短暫（zàn）接觸，斷（duàn）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，它不但有靶材利用率高，更具有（yǒu）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，多弧鍍塗層顏色較為穩定，尤（yóu）其是在做 TiN 塗層時，每（měi）一（yī）批次均（jun1）容易得到相同穩定的金黃色，令磁控濺射（shè）法望塵（chén）莫（mò）及。多弧鍍的不足之處是，在用傳統的 DC 電源做低溫塗層條件下，當塗層厚度達到0.3μm 時，沉積率與反射率接近，成（chéng）膜變（biàn）得非常困難。而（ér）且，薄膜表麵（miàn）開始變朦。多弧（hú）鍍（dù）另一個不足之處是，由於金屬是（shì）熔（róng）後（hòu）蒸發，因此沉積顆粒較大，致密度低（dī），耐磨性比磁控濺射法成膜差。   可見，多弧鍍膜與磁控（kòng）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塗層機應運而（ér）生。在工藝上（shàng）出（chū）現了多弧鍍打底，然後（hòu）利用磁控濺射法增厚塗（tú）層，最後再利用多弧鍍達到最終穩定的表麵塗層（céng）顏色的新方法。   大約在八（bā）十年代（dài）中後期，出現了熱陰極電（diàn）子槍蒸發離子鍍、熱陰極（jí）弧磁控等離子鍍膜機，應用效果很（hěn）好，使TiN 塗層刀具很快得（dé）到普及性應用（yòng）。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（gōng）件加熱（rè）、除氣，利用電子槍增（zēng）強離化率，不但可以得到厚度（dù） 3~5μm的TiN 塗層，而且（qiě）其結合力、耐磨性均有不俗表現，甚至用打（dǎ）磨的方（fāng）法都難以除去。但是這些設備（bèi）都隻適合於 TiN塗層，或（huò）純金屬薄膜。對於多元塗層或複（fù）合塗（tú）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（yòng）多樣性的要求。   3. 現代塗層設備(均勻加熱技術、溫度測量技（jì）術、非平衡磁控濺射技術、輔助陽極技術、中頻電源、脈衝技術) 現代塗層設備主要由真空（kōng）室、真空獲（huò）得部分、真空測量部分、電源供給部分、工藝（yì）氣體輸（shū）入係統、機械傳動部分、加熱及測溫部件、離子（zǐ）蒸發或濺射源、水冷係（xì）統等部（bù）分（fèn）組成。   3.1 真空室   塗層設備主要有連續塗層生產線及（jí）單室塗層機兩種形式，由於工模塗層對加熱及機械傳動部分有較高（gāo）要求，而（ér）且工模形狀、尺寸千差萬別，連續塗層生產線通常難以滿（mǎn）足要求，須采用單室塗層機。   3.2 真（zhēn）空獲得部分   在真空技術中，真空獲得部分是（shì）重要（yào）組成部分。由於工模件塗層高附著力的要（yào）求，其塗（tú）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（zhì）可達 0.06mPa 以上，因此合理選擇（zé）真空獲得設備，實現高真空度至關重要（yào）。   就目前來（lái）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（suǒ）能達到的，必須將幾種泵聯合使用，如機械泵、分子泵係統等。   3.3 真空測量部（bù）分   真空係統的真空測量部分，就是要對（duì）真空室內的壓強進行測量。像真空泵（bèng）一樣，沒有一種真（zhēn）空計能測量整個真空範圍（wéi），人們於是按不同的原理和要求製成了許多種類的真空計。   3.4 電源供給（gěi）部分靶（bǎ）電源主要有直流電（diàn）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)、脈衝電源(如美國AE公司生產的 PINACAL+)、或射頻電源(RF)。   3.5 工藝氣體輸入係統   工藝氣體，如氬氣(Ar)、氪氣(Kr)、氮氣(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氫（qīng）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（tǐ）流（liú）量（liàng）計、電磁閥、壓電閥，然後通入真空室。這（zhè）種氣體輸入係統的優點是，管路簡捷、明快（kuài），維修或更（gèng）換氣瓶容易。各塗（tú）層機之間互不影響（xiǎng）。也有多台塗層機共用一組氣瓶的情況，這種情況在一些規模較大（dà）的塗層車間可能有機會看到（dào）。它的好處（chù）是，減少氣瓶占用量，統一規（guī）劃、統一布局。缺點是，由於接頭增多，使漏氣機會增（zēng）加。而且，各塗層機之間會互相（xiàng）幹擾，一台塗層機的管路漏氣，有可能會影響（xiǎng）到其他塗層機（jī）的產品質量。此外，更換氣瓶時，必須保證所有主機都處（chù）於非用氣狀態。   3.6 機械傳動部分   刀具塗層要求周邊必須厚度均勻一致，因此，在塗層過程中須有三個轉動量（liàng）才能滿足要求。即（jí）在要求大工件（jiàn）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（zhuǎn）(III)。   在機械設計上，一般是在大工件（jiàn）轉盤底（dǐ）部中（zhōng）央為一大的主動齒輪，周圍是一些小的（de）星行輪與之齧（niè）合，再用撥叉撥動工件自轉（zhuǎn）。當然，在（zài）做模具塗層（céng）時，一般有兩個轉（zhuǎn）動量就（jiù）足夠了，但是（shì）齒輪可承載量必（bì）須大（dà）大增強。   3.7 加熱及測溫部分   做工模塗層的時候，如（rú）何保證被鍍工件均勻加熱比裝飾塗   層加熱要重要得多。工模塗層設備一般均有前後兩個加熱器，用熱電偶測控溫度。但是，由於熱電偶裝夾的為置不同，因而，溫度讀數不可能是工（gōng）件的真實溫度。要想（xiǎng）測得工件的真實溫度，有很多方（fāng）法，這裏介紹（shào）一種簡便易行的表麵溫度（dù）計法 (Surface Thermomeer)。該溫度計的工作原理是，當溫度計受熱，底部的（de）彈簧（huáng）將受熱膨脹，使指針推動定位指針旋轉（zhuǎn），直到最高（gāo）溫度。降溫的時候，彈（dàn）簧收縮（suō），指（zhǐ）針反向旋轉，但定位指針維持在最高溫度位置不動，開門後（hòu），讀取定位指針指示的溫度，即（jí）為真空室內加（jiā）熱時，表麵溫度計放置位置所曾達到的最高溫度值。   3.8 離子蒸（zhēng）發及濺射源（yuán）   多弧鍍的蒸發源一般為圓餅形，俗稱圓餅（bǐng）靶（bǎ），近幾年也出現了長方形（xíng）的多弧靶，但未見有明（míng）顯效果（guǒ）。圓餅靶（bǎ）裝在（zài）銅靶座(陰極座)上麵，兩者（zhě）為羅（luó）紋連接。靶座中裝有磁鐵，通過前後移動磁鐵，改變磁場強度（dù），可調整弧（hú）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（bǎo）證靶與靶座之間的高導電（diàn）、導熱性，還可以在靶與（yǔ）靶座（zuò）之間加錫(Sn)墊片（piàn）。磁控濺射鍍膜一（yī）般采（cǎi）用長方形或圓柱形靶（bǎ）材，   3.9 水冷係統   因為工（gōng）模塗層時，為了（le）提高金屬原子的離化率，各個（gè）陰極靶座都盡可能地采用大的功率輸（shū）出，需要充分冷卻（què）;而且，工模塗層中的許多種塗層，加（jiā）熱溫度為 400~500ºC，因此，對真空室壁（bì）、對各個密（mì）封麵的冷卻也（yě）很重要，所以冷卻水最好采用18~20ºC 左（zuǒ）右的冷（lěng）水機供水。為了防止開門後，低溫的真空室壁、陰極靶與熱的空（kōng）氣接（jiē）觸析出水珠，在開門前 10 分鍾左右，水冷（lěng）係統應有能力切換到供熱水狀態，熱水（shuǐ）溫度約為 40~45ºC。   4. 工模具PVD 的工作步驟   工模（mó）具（jù） PVD 基本工藝流程可簡述（shù）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（qīng）點數量（liàng）   ，   檢查圖紙（zhǐ）與實物是否相符外，還須仔細檢查工件表麵，特別是刃口部位（wèi）有無裂紋等缺陷。有時對於一些刀具（jù）、刀粒的刃口，在體式顯微鏡下觀察，更方便發現問題;另（lìng）外，IQC 的人員還要（yào）注意檢查待鍍膜件有無塑膠、低熔點（diǎn）的焊料等，這些東西如果因漏檢而混入鍍膜程序，則將在真空室內嚴重放氣，輕（qīng）者造成整批產（chǎn）品脫塗層，重（chóng）者使原本 OK 的產品報廢，後果不堪設想（xiǎng）。   4.2 前處理工藝(蒸汽槍、噴砂、拋光、清洗)   前處理的目（mù）的是淨化或粗化工件表麵。淨化就（jiù）是要去除各種表麵玷汙物，製備潔淨表麵。通常使用各種淨化劑，借助機械、物理或化學的方法進行淨化。   粗化與光蝕相反，其目（mù）的在於製備粗糙的表麵以提高（gāo）噴塗層（céng）或塗料裝飾的結構強度。我們現在已有的前處理主要方法為：高溫蒸洗（xǐ）、清洗、噴砂、打磨、拋光（guāng）等方法。   4.2.1   高溫蒸洗   目前，PVD 車間（jiān）常用的高溫蒸洗設備是蒸汽槍（qiāng）。它的最大工作溫度可達 145?C，氣壓在 3~5 巴左右（yòu）。由（yóu）於模具中經常帶有一（yī）些細小（xiǎo）孔、螺紋孔，孔（kǒng）內中常常有油汙、殘餘冷卻液等雜質，用常規清洗的方法難以除（chú）去。此時，高溫蒸洗設備便可最大程度的發揮它的優越性。   
4.2.2   清（qīng）洗   各廠工模塗層前清（qīng）洗（xǐ）程序大致如下：   1.超聲波除蠟→2.過水→3. 超聲波除油→4.過（guò）水→5. 超（chāo）聲波自換→6.過（guò）水→7.過（guò）純水→8.強風幹燥   具體實施時（shí），與我們所熟悉的裝飾塗層（céng）前的清洗又有許多不同。這是因為裝飾塗層的底材大多為不鏽鋼或鈦合金，不容易生鏽。此（cǐ）外，裝飾塗層對水印、點痣（zhì）等缺陷是絕對不允許的。因此，裝飾塗層對純水的水質要（yào）求極高，甚至要達到 15MΩ 以上。要保證清洗的高質量，可以通過反複清洗，並在高質量的純水加超聲波中長時間浸泡來（lái）得到。但是，工（gōng）模的清洗就不同，尤其是一些熱做模具鋼，如果像（xiàng）裝飾（shì）塗層那樣（yàng）去清洗，就會鏽得一塌糊塗（tú）。   由於工模塗層的原始表麵（miàn）狀態，除了一些高標準的（de）鏡麵模具以外，一般較裝飾塗層（céng）要粗糙，因而，對塗層後的表麵狀（zhuàng）態的要求也不（bú）象裝飾（shì）塗層那樣（yàng）高，這就允許我們采取（qǔ）快速過（guò）水，用幹燥、無油的壓縮空氣吹幹，然後（hòu）對工模強（qiáng）風幹燥的方（fāng）法來處理。而（ér）那些高標準的鏡麵模具，一般均（jun1）為136 等不鏽鋼，可以借用裝飾塗層的（de）清洗法。   總而言之，工模塗層前的清洗方法（fǎ）因（yīn）工模（mó）所使用的材料的不（bú）同而（ér）不同，因工模塗層前的表麵狀態的不同而不同，且不可千（qiān）篇（piān）一律。下麵是幾種材（cái）料生鏽由難到易（yì）的排序，供參考：
不鏽鋼、硬質合金、金屬陶瓷合（hé）金、DC53、高速鋼、8407 有一種自動清洗機型號為 CR288，產自德（dé）國（guó）。該機一次最大   清洗量為 80KG，主要用於清洗刀具、小型零部件、或小尺寸的模具。它共有三個清洗缸，裏麵的溶液分別為自來水+清洗劑、自來水（shuǐ）、去離子水。除了（le）常見的超聲波、大水衝洗、噴（pēn）淋、擺動、熱風幹燥等功能外，該機另外（wài）一個優點（diǎn）是最後設有抽真空步驟，可以使水分盡快揮發掉。   自動清（qīng）洗機內存十種工藝，均由供方預先設（shè）定。一至九可分別（bié）用於不同類型的產品、不（bú）同的表麵（miàn）狀態的淨化處（chù）理。第十種用於加注清（qīng）洗劑。   4.2.3   噴砂   噴（pēn）砂法是借助（zhù）壓縮空氣使磨料強力衝刷工件表麵（miàn），從而去除鏽蝕、積碳、焊渣、氧化皮、殘鹽、舊漆層等表麵缺陷。按磨料使用條件，噴砂分為幹噴砂與濕噴砂兩類。   噴砂的工藝參數主要有槍距、傾角、裝夾台旋（xuán）轉速度、移動速（sù）度、行程、往返次數、噴砂時間（jiān）、噴砂氣壓。我們已使用過的參數有槍距：30~70mm; 傾角 30~70?C; 裝夾（jiá）台旋轉速度 10~30;往返次數 3~9 次;噴砂氣壓：1.8~3.5 巴等。具體操（cāo）作時，根據工件（jiàn）表麵髒汙程度，工件（jiàn）硬度，工件表麵幾何形狀等因素，選取上下限。我們在幹噴砂機中所選（xuǎn）用的磨料為玻璃珠，適合噴一些（xiē）硬度介中的（de）材料，如（rú）油（yóu）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（jīn）材料。對於工模塗層而言（yán），噴（pēn）砂所使用的磨料粒度也很重要（yào）。如果（guǒ）磨料粒度（dù）過大，則工件表麵太粗糙;如果磨料粒度太小，又會降低衝擊力度，甚至嵌在工件表麵，清洗難以去除，從而（ér）使工件塗層（céng）附著力降低。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（zài）中 A、B 兩（liǎng）點範圍內才（cái）能使用。相比之下，我國磨料的供應商還缺（quē）乏這方麵的共識（shí），我們也很少有做這方麵的檢驗。   4.3 PVD 塗層（céng）工藝（yì）(加熱、離子清洗、塗（tú）層、冷卻、工藝氣體、氣壓、溫度、濺射功率)   4.4 FQC   FQC 的英文全拚為：“Function Quality Control”，意思（sī）是功能質量（liàng）控製，它有（yǒu）別與一般意義上的 OQC(Out Quality Control) 。FQC 的內容（róng）主要包括外觀檢（jiǎn）查、層深檢查（chá）、附著力檢查、耐磨性檢查、抗蝕性檢查、模擬（nǐ）性測試等方法。我廠目前應用（yòng）的主要有外觀檢查（chá）、層深檢查（chá）和附（fù）著力檢（jiǎn）查。由於我們所接觸的產品（pǐn）大（dà）多都是不允許做破（pò）壞性（xìng）檢查的，因而（ér）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（pǐn）在原材料、熱處理狀態、裝夾（jiá）位（wèi）置等方麵都難於（yú）一致（zhì），所以這樣檢測出的結果，與產品（pǐn）實際值會有一定的誤差。有時可能還會有（yǒu）相當大的誤差，隻能做參考（kǎo）使用（yòng）。當然，必要的時候，我們也可以通過製作模擬件，達到準確測量的目的。  
 4.4.1   外觀檢
對於開門取件後的產品，應（yīng）仔細檢查表麵有無裂紋、掉塗層、疏鬆等缺陷。對於刀具（jù）、刀（dāo）粒，還需在顯微鏡下仔細檢查（chá）它們的刃口（kǒu）狀態。   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（guāng）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球磨儀（yí）上進行的。方法是先用直徑為 10mm 的鋼球與測試表麵滾磨，然後在顯微鏡下測量磨痕的有關數據，帶入公式中，即可方（fāng）便算出層深。   這種層深檢查法的特點是（shì）：方便適用，誤差稍大。但（dàn）這種誤（wù）差應用於工模上麵影響不（bú）會太大。有興趣的同事還可參閱有關的說明書。附著（zhe）力的檢查方法有很多，各個廠根據自己產品的特（tè）點，都製定了相應的檢測方法。其（qí）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（xíng）金剛石壓頭（tóu）做壓痕試驗，在顯微鏡下觀察，以壓（yā）痕周邊裂紋的多少來判斷塗層附著力的高低。該（gāi）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（ér）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（jiā）或行業標準;另一種方法是劃痕法，我國有些塗層發起較早的科研部（bù）門，也是采用的（de）該方法，有專（zhuān）門的國家行業標準可（kě）供查詢（xún）。   5. 工裝夾具的處理   6. 塗後處理工藝(噴砂、塗脂技術，拋光處理（lǐ）)   7. 檢測技術（shù）(結合力的檢測、層深（shēn）的檢測、酸蝕)   8. 塗（tú）層剝離技術(TiN/TiAlN 的剝離技術、CrN/DLC/CrAlTiN 的剝離技術、硬質合（hé）金的表麵塗層剝離技術)   9.塗層刀具的應用技術(塗層的正確選擇、塗層刀具的正確使用   塗層對刀具的優化非常大，由於高速切削加工比（bǐ）傳統切削加工所產生的溫度要高，應用塗層，可以發揮其耐（nài）高溫、抗氧化及加硬材質等作用。例如（rú），氮化鉻(CrN)塗層可降低磨擦係數，改善光潔度（dù）及排屑情況