PVD技术及其产业化应用

1表面处理技术——发展状况表面机械处理：喷砂、磨光、抛光、滚光、刷光表面化学处理：化学抛光、氧化处理、磷化处理表面电化学处理：电解抛光、电化学氧化、电镀表面热处理技术：传统热处理、离子渗技术等现代表面处理技术：真空镀膜、冷/热喷涂、三束改性通过表面处理技术来改变固体材料的表面特性，可以：改善外观(色彩、形貌等)；综合提高材料的力学性能——提高耐磨耐蚀性、增加表面硬度、提高表面疲劳强度和耐热性能等；提供磁光电热等特殊物理性能——吸波、隔热等；改变机械配合——绿色再制造——修复已磨损或加工报废的工件（修旧成新）2材料表面处理技术分类热喷涂技术（涂层技术）气相沉积技术（薄膜技术）表面覆盖技术表面冶金技术表面硬化技术材料表面处理技术3主要两大类表面覆盖技术大重型装备关键零部件热喷涂技术PVD技术高性能小型精密零部件4各种表面处理工艺条件比较5各种表面处理涂层性能比较6什么是PVD—物理气相沉积？•定义：在真空条件下，用物理的方法（蒸发或溅射）将材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程在衬底上沉积一层具有特殊性能的薄膜技术（又叫真空镀膜）。•真空镀膜特点：绿色环保无化学物污染被镀物与基底不产生化学反应可镀各种材料（金属/非金属）生产速度快低温低能耗7PVD涂层性能特征涂层膜颜色硬度(Hv)耐磨性耐蒸着性耐腐蚀性耐散化性使用TiN金色~2,500★★★★★★★★切割工具，金属，技能型配件，装饰TiAlN黑色~3,000★★★★★★★★★★切割工具CrNMetal~2,000★★★★★★★★★金属,机械配件(耐腐蚀性)•高硬度•高密度的组织•平滑表面•低磨擦率•化学稳定性及无反应性•低热传导•高结合力8PVD较传统电镀的优势•PVD膜层结合力更大•硬度高•耐磨擦•耐腐蚀•膜层的性能更稳定•膜层广泛•不会产生有毒或有污染的物质和气体，对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。材质种类传统电镀PVD金属不锈钢否是钛合金否是锌铝合金是是铜基合金是是铁基合金是是非金属ABS特殊处理是PC特殊处理是9PVD高端装饰涂层—应用之一•装饰镀膜的主要应用包括﹕手机金属外壳﹑高尔夫球杆﹑眼镜框﹑金饰等。•PVD膜具有好看的色泽、高耐磨性、高耐腐蚀性。•可以在金属基材（碳钢、不锈钢、工具钢、钨钢、铜合金、钛合金、陶瓷、银等）和塑胶元件上镀膜。•每种颜色都可按不同的上下限色调生产。10装饰镀膜的色彩丰富金、玫瑰金、黑系列：枪色、钛灰色和纯黑色等。离子镀：紫色、蓝色、棕色。11对装饰镀膜的要求在进一步提高•对于高端产品，长期保持其外观精美至关重要；•对产品表面涂层的耐磨性提出了更高要求；•对不同大气环境下的耐腐蚀性也提出了更高的要求；•对表面的自清洁性要求也越来越高，如防水、防指纹等12装饰镀膜的发展趋势•膜层种类多•颜色多样可调，外观色泽和装饰性能好•工件更耐磨、耐腐蚀，延长其使用寿命•工艺绿色环保，正逐步替代传统水电镀•成为五金行业表面处理的发展方向•从门窗五金、锁具、高档铭牌、钟表零件、灯饰五金、卫浴五金到个人使用的小型电子设备(如PDA、移动电话、MP3播放器、数码相机等）已成为一个新的快速发展的市场。13PVD耐腐蚀（半）硬膜—应用之二•颜色：非外观件，对颜色和亮度要求不高，对耐磨性有较高要求（功能膜）；•硬度：可达2000-3000HV；•厚度：可达2~5µm以上；•成品：拉丝、抛光或喷砂，可根据基材特点进行选择；•基材：钢、钛、钨钢、合金、陶瓷等；•特性：极强的耐磨损、耐腐蚀性，产品表面不易刮花；•应用：钟表、手机配件、汽车活塞环、模具、刀具等五金件14PVD超硬膜—应用之三•为什么要用超硬膜？增加表面硬度：工具钢、模具钢或硬质合金工具，可提升表面硬度3-5倍，减少工具的磨耗量；减少摩擦系数：可避免成型模具表面刮伤等问题，提高产品精度，降低模具耗损，延长模具使用寿命提高产品品质：提高耐磨及耐热特性，提升加工速率，大幅提升产能。15刀具涂层—现代切削刀具的标志•涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而获得的。•涂层高速钢刀具•涂层硬质合金刀具•陶瓷和超硬材料刀片上的涂层刀具•涂层刀具种类：车刀片、铣刀片、立铣刀、钻头、镗刀、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等。TiAlNWC/Co2μmTiN钻头立铣刀滚齿刀16涂层刀具的优点•涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、耐热耐氧化、热导率低、化学性能稳定和摩擦因数小等特性。•提高刀具耐磨性，提高刀具寿命3～5倍以上；•减少换刀时间，提高生产效率；•提高刀具抗高温氧化性能，提高切削速度20%～70%；•降低刀体材料与被加工材料的亲和性，避免粘刀；•精加工时，避免积屑瘤，提高加工精度0.5～1级；•降低刀具表面摩擦系数，减小切削力；•减少或不用切削液，降低成本，减少环境污染。17PVD超硬膜的性能及选用PVD涂层颜色膜厚（um）硬度（HV）最高温度（oC）摩擦系数应用领域TiN金黄2to320006000.23冲压、耐磨零件、刀具、丝锥。CrN银白1to1018007000.25橡胶模具、硅胶模具、半导体封装模具。铜合金加工。TiCN灰1to335005000.2重切削，＜0.2mm不锈钢板冲压成型。TiAlN紫黑1to334008000.35高速加工。适合模具钢、HSS、硬质合金等多种基材。AlTiN黑紫1to332009000.4硬质合金刀具、高速加工。CrAlN灰白2to8300010000.3高速加工，可做厚涂层。DLC黑灰1-225003000.1加工有色金属、石墨等材料。18PVD超硬膜的发展趋势耐高温更耐磨耐冲击•单层：例如TiN；•2-3层：例如TiN+TiCN；•周期性多层：例如ExtralPlus是最受欢迎的涂层之一；•超晶格结构：例如AlN/TiN；•纳米复合结构：例如瑞士Platit公司nACo纳米复合涂层。19类金刚石薄膜（DLC）--应用之四•类金刚石膜（Diamond-likecarbonfilms,DLC）：含有部分金刚石结构的膜。•具有许多与金刚石类似的性质：高硬度、耐磨、透光性好。•独特的性能：1）沉积温度低、表面粗糙度低，如计算机磁盘、光盘保护膜；2）低迁移率半导体；3）良好的耐磨性、高硬度；4）良好的导热性和透光性；5）生物相容性。20DLC类金刚石膜的应用广泛•声学：扬声器振动膜：高保真耳机•电磁学：计算机磁盘上沉积一层DLC，减小磨损•光学：增透保护膜、窗口材料、耐腐蚀•医学：心脏瓣膜（生物相容）、高频手术刀、人工关节•机械领域：高硬度、低摩擦系数、高耐磨性、化学稳定•例：工具涂层颜色：黑色，不同色调的灰色硬度：可达1000-8000HV厚度：1~1.5µm基材：钢，钛和钨钢性能：镀层均匀、耐腐蚀、耐磨损、致密性和附着力好应用：模具、刀具、钟表和手机等五金件21离子氮化PN+PVD镀膜—应用之五•等离子渗氮：一种有效的生成界面膜层的热处理方式。待处理工件为阴极，通入氢气+氮气的混合气体，在高电压及低气压下产生等离子体，使氮气离化。氮离子获得加速并撞击基体表面，渗入工具内部。可形成含铁或铬、钼、铝及镁等的氮化物化合层及扩散层，表面硬度可达1000HV以上。•PVD镀膜：可制备氮化物和碳化物金属薄膜。薄膜具有非常高的硬度、低摩擦性能和很好的化学惰性。也适用于渗碳钢。•氮化和涂层技术的特点使对工件进行组合处理成为可能离子氮化PN+PVD镀膜22离子氮化PN+PVD镀膜的复合特征•改善材料的摩擦学性能，提高其承载能力。•氮化后的钢表面具有一定的硬度、耐磨性和残余压应力，构成了超硬薄膜的理想支承体，其承载能力远远超过单一超硬薄膜或氮化物层。•增加硬化层的总厚度，减少从PVD镀膜表面到钢基体之间的硬度梯度，使材料表面的耐腐蚀性、耐磨性、滚动接触疲劳强度和PVD镀膜的附着性能大为提高。23离子氮化PN+PVD涂层后硬度梯度24离子氮化PN+PVD镀膜：改善抗磨损性能•加工玻纤塑料时，表面需要具有很好的抗磨损性能。此时，可对热作钢工件进行离子氮化和镀层的组合处理。•组合处理确保了光泽度的高稳定性及持续性。污染物也可以被轻易地从表面去除而不会对表面造成损坏。用于加工反射体的模具，经过离子氮化+CrN镀层和抛光处理25离子氮化PN+PVD镀膜：降低摩擦系数•注塑工艺的特征是频繁地覆盖和打开凹模的表面，因此应尽可能地减少销针和滑块的摩擦，否则会增加润滑和维护的难度。•在许多情况下，必须完全避免使用传统润滑剂以防止润滑剂卷吸到注模部件上。•钢结构中的导向销针和滑块是复合镀层的典型应用案例。用于注模的销针26离子氮化PN+PVD镀膜：提高抗腐蚀性能•PVC材料加工中由于塑性材料自身的化学属性会导致腐蚀。•通过氮化处理+镀层后，裂缝腐蚀的影响减小，基体材料的抗磨性能获得增强。•应用实例：PVC挤压加工的蜗杆PVC挤压加工的成型模具箔加工的螺旋分频器27•PVD高端装饰膜：种类多，颜色可调，装饰性能好，工件更耐磨、耐腐蚀，延长使用寿命；工艺绿色环保，正逐步替代传统电镀，广泛应用于五金行业。•耐腐蚀(半）硬膜：可广泛应用于需要高的防腐蚀又要好的耐磨性的零部件上，如活塞环、轴承等。•超硬膜：广泛应用于各类切削加工的刀具上，以替代进口刀具。•DLC镀膜：具有硬度高(7000HV)，摩擦系数低(0.08)，结合力强(100N)，良好的耐磨性和化学稳定性。广泛应用于精密加工刀具、精密模具、传动滑动零件、医疗器具等。•深层离子氮化PN+PVD镀膜复合镀层：是目前世界上独特的模具表面强化工艺，广泛应用于各类塑胶模、冷冲模、热冲模、汽车模具、铝合金成型模、压铸模等表面处理。PVD镀膜产业化应用小结