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PVD流程圖

發布時間:2019-01-17瀏覽次數:載入中...
1PVD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;通常說的NCVM鍍膜,就是指真空蒸發鍍膜和真空濺射鍍。

   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法中使用最早的技術。


    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l0-2Pa~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。
    離子鍍的工藝過程:蒸發料的粒子作為帶正電荷的高能離子在高壓陰極(即工件)的吸引下,以很高的速度注入到工件表面。

     離子鍍的作用過程如下:
    蒸發源接陽極,工件接陰極,當通以三至五千伏高壓直流電以后,蒸發源與工件之間產生輝光放電。由于真空罩內充有惰性氬氣,在放電電場作用下部分氬氣被電離,從而在陰極工件周圍形成一等離子暗區。帶正電荷的氬離子受陰

極負高壓的吸引,猛烈地轟擊工件表面,致使工件表層粒子和臟物被轟濺拋出,從而使工件待鍍表面得到了充分的離子轟擊清洗。隨后,接通蒸發源交流電源,蒸發料粒子熔化蒸發,進入輝光放電區并被電離。帶正電荷的蒸發料離子,在陰極吸引下,隨同氬離子一同沖向工件,當拋鍍于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。這就是離子鍍的簡單作用過程。

三種鍍膜方式的比較:



2PVD技術四個工藝步驟

(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。

3PVD流程圖

4PVD加工特點

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,不良率較高;
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,涂層成分也由第一代的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。

PVD鍍膜技術的應用主要分為兩大類:裝飾鍍和工具鍍:
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。
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。
雖然使用PVD鍍膜技術能夠鍍出高品質的膜層,但是PVD鍍膜過程的成本其實并不高,它是一種性價比非常高的表面處理方式,所以近年來PVD鍍膜技術發展得非常快。PVD鍍膜已經成為五金行業表面處理的發展方向。

5PVD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。

6雙色PVD技術的應用范圍及優缺點

其應用范圍是: 
    1)碳鋼、合金鋼、不銹鋼及鈦合金等金屬材料; 
    2)金屬材料的表面硬度至少需要在HV170以上。
    其優點是: 
    與傳統磁控濺射單色PVD技術相比,雙色PVD工藝更為復雜,流程更為繁雜,生產難度高,但外觀效果極佳,兩種顏色的表面硬度都在HV600以上。
    傳統磁控濺射單色PVD技術要在實現雙色效果,采取的工藝措施是在整體PVD單色的基礎上把需要實現另一種顏色的區域激光鐳雕掉或者磨掉。新加工出來的區域就只能表現金屬的本色,表面硬度也就是金屬本身的表面硬度---
HV200左右(而PVD后的表面硬度為HV600以上)。 
    其缺點是: 
    1)工藝比傳統單色PVD的更為復雜,流程更為繁雜,生產難度高; 
    2)生產良率低,大約為65~70% (傳統單色PVD的生產良率一般為85~90%; 
    3)價格會比傳統單色PVD的高50~60%; 
    4)因工藝和流程的影響,雙色PVD生產限制較多,受產品結構的影響較大,而傳統單色PVD則幾乎不受限制

7主要技術要求規范
    1、在黑色、銀色、金色、普通的玫瑰色等傳統常規顏色之間進行雙色PVD配對選擇; 
    2、不允許在3D面上或者3D面之間進行雙色PVD配對處理; 
    3、可以在2D平面結構上進行雙色PVD設計; 
    4、就目前的技術條件而言,限于普通常規顏色,比如黑色、銀色、金色、普通的玫瑰色。在黑色、銀色、金色、普通的玫瑰色等傳統常規顏色之間進行雙色PVD配對選擇;
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