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硬质合金刀具的CVD(化学气相沉积)技术镀膜设备涂层技术

发布日期:2016-07-08 00:00 来源:http://www.gilitek.cn 点击:

1.  摘要

2.  真空涂层技术的发展

  镀膜设备技术起步时间不长,国际上在上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。由于 该技术需在高温下进行(工艺温度高于 1000ºC),涂层种类单 一,局限性很大,因此,其发展初期未免差强人意。


  到了上世纪七十年代末,开始出现 PVD(物理气相沉积) 技术,为真空涂层开创了一个充满灿烂前景的新天地,之后在短短的二、三十年间PVD 涂层技术得到迅猛发展,究其原因,是 因为其在真空密封的腔体内成膜,几乎无任何环境污染问题, 有利于环保;因为其能得到光亮、华贵的表面,在颜色上,成熟 的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之 间的任何一种颜色,可谓五彩缤纷,能够满足装饰性的各种需要;又由于 PVD 技术,可以轻松得到其他方法难以获得的高硬 度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层,应用在工装、模具上面,可以使寿命成倍提高,较好地实现了低成本、高收益的效果;此外, PVD 涂层技术具有低温、高能两个特点,几乎可以在任何基材上成膜,因此,应用范围十分广阔,其发展神速也就不足为奇。 真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术,各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷,如今在这一领域中,已呈现出百花齐放,百家争鸣的喜人景象。

  与此同时,我们还应该清醒地看到,真空涂层技术的发展 又是严重不平衡的。由于刀具、模具的工作环境极其恶劣,对薄膜附着力的要求,远高于装饰涂层。因而,尽管装饰涂层的厂家 已遍布各地,但能够生产工模涂层的厂家并不多。再加上刀具、 模具涂层售后服务的欠缺,到目前为止,国内大多数涂层设备 厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具和模具的应用技术等),而且,它还要求工艺技术人员,除了精通涂层的专业知识以外,还应具有扎实的金属材料与热处理知识、工模涂层前表 面预处理知识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术 要求等,如果任一环节出现问题,都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。所有这些,都严重制约了该技术在刀具、模具上的应用。

硬质合金刀具的CVD(化学气相沉积)技术镀膜设备涂层技术

  另一方面,由于该技术是一门介乎材料学、物理学、电子、化学等学科的新兴边缘学科,而国内将其应用于刀具、模具生产领 域内的为数不多的几个骨干厂家,大多走的也是一条从国外引进先进设备和工艺技术的路子,尚需一个消化、吸收的过程,因此,国内目前在该领域内的技术力量与其发展很不相称,急需奋起直追。

3.  PVD 涂层的基本概念及其特点

  PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的缩写形式,意思 是物理气相沉积。我们现在一般地把真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等都称为物理气相沉积。

  较为成熟的 PVD 方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。 多弧镀设备结构简单,容易操作。它的离子蒸发源靠电焊机电源 供电即可工作,其引弧的过程也与电焊类似,具体地说,在一定工艺气压下,引弧针与蒸发离子源短暂接触,断开,使气体放电。由于多弧镀的成因主要是借助于不断移动的弧斑,在蒸发源表面上连续形成熔池,使金属蒸发后,沉积在基体上而得到 薄膜层的,与磁控溅射相比,它不但有靶材利用率高,更具有 金属离子离化率高,薄膜与基体之间结合力强的优点。此外,多 弧镀涂层颜色较为稳定,尤其是在做 TiN 涂层时,每一批次均 容易得到相同稳定的金黄色,令磁控溅射法望尘莫及。多弧镀的不足之处是,在用传统的 DC 电源做低温涂层条件下,当涂层厚度达到0.3μm 时,沉积率与反射率接近,成膜变得非常困难。而且,薄膜表面开始变朦。多弧镀另一个不足之处是,由于金属是熔后蒸发,因此沉积颗粒较大,致密度低,耐磨性比磁控溅射法成膜差。

  可见,多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣,为了尽可能 地发挥它们各自的优越性,实现互补,将多弧技术与磁控技术合而为一的涂层机应运而生(如图1)。在工艺上出现了多弧镀 打底,然后利用磁控溅射法增厚涂层,最后再利用多弧镀达到 最终稳定的表面涂层颜色的新方法。

大约在八十年代中后期,出现了热阴极电子枪蒸发离子镀、热阴极弧磁控等离子镀膜机,应用效果很好,使TiN 涂层刀具很快得到普及性应用。其中热阴极电子枪蒸发离子镀,利用铜坩 埚加热融化被镀金属材料,利用钽灯丝给工件加热、除气,利用电子枪增强离化率,不但可以得到厚度 3~5μm的TiN 涂层,而且其结合力、耐磨性均有不俗表现,甚至用打磨的方法都难以除去。但是这些设备都只适合于 TiN涂层,或纯金属薄膜。对于多 元涂层或复合涂层,则力不从心,难以适应高硬度材料高速切 削以及模具应用多样性的要求。


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