真空沉积是一个通用术语,用来描述一种表面工程处理,用于沉积层材料在基板上。涂层的类型包括金属(如镉、铬、铜、镍、钛)和非金属(如碳/碳、碳/碳化硅等陶瓷基复合材料),沉积在表面的薄层(即一个原子一个原子或一个分子一个分子)(图1)。
气相沉积技术包括通过冷凝、化学反应或转化使材料处于蒸汽状态的过程。当气相由液体或固体源的冷凝产生时,该过程称为物理气相沉积(PVD)。当由化学反应产生时,这个过程被称为化学气相沉积(CVD)。
这些过程通常在真空环境中进行,无论是否使用等离子体(即可以提取粒子的电离气体),这增加了表面的动能(而不是热能),并允许降低加工温度。真空环境有以下优点:
- 减小粒子密度,使碰撞的平均自由程变长
- 减少不需要的原子和分子(污染物)的粒子密度
- 提供低压等离子体环境
- 提供一种控制气体和蒸汽组成的方法
- 提供一种进入加工室的质量流量控制手段。
气相沉积过程只在表面添加能量和材料,保持物体的主体相对凉爽和不变。因此,表面性能的修改通常不会显著改变底层的基体微观结构。
物理气相沉积3、4
物理气相沉积(图2)是一种薄膜方法,其中涂层沉积在整个物体而不是在某些区域。所有活性PVD硬涂层工艺结合:
- 沉积金属的方法
- 气体活跃的气体,如氮、氧或甲烷
- 等离子体轰击基材,以确保致密、坚硬的涂层
主要的PVD方法有离子镀、离子注入、溅射和激光表面合金化。每一种方法产生的金属和等离子体都不同。气化材料在衬底材料上冷凝,以创建所需的层。因此,在这个过程中没有发生化学反应。
离子镀(等离子体)
等离子体离子镀是一种将钛、铝、铜、金、钯等金属沉积在部件表面的技术。涂层的范围一般为0.008 - 0.025毫米。优点包括附着力、表面光洁度、在薄膜沉积前对基材进行原位清洗和薄膜特性(如形态、密度和残余薄膜应力)的调整。缺点包括需要严格控制加工参数,在等离子体中激活的潜在污染,以及轰击气体物种进入衬底和涂层的潜在污染。
典型的应用包括x射线管,用于化学环境的管道螺纹,飞机发动机涡轮叶片,钢钻头,齿轮齿,高公差注射模具,铝真空密封法兰,装饰涂层和核反应堆的防腐保护。此外,离子镀作为镉的替代品被广泛应用于耐腐蚀铝涂层。
离子注入
离子注入不会产生离散的涂层;相反,该过程通过合金化改变基底现有表面的元素化学成分。例如,氮被用来增加金属的耐磨性。清洁是这项技术成功的关键。在植入前对基板进行预处理(例如脱脂、冲洗和超声清洗)以去除任何表面污染物是成功的关键。该过程在室温下进行。沉积时间取决于工件的耐温性和所需的剂量。
离子注入可以使用任何可以在真空室中汽化和电离的元素。这一过程的好处包括可重复性、消除后处理和最小的废物产生。如果涂层暴露在高温下,离子注入不会产生稳定的表面处理。由于缺乏熟悉度、设备稀缺以及需要严格的质量控制,这项技术受到了限制。
离子注入主要用于高价值部件的抗磨处理,如生物医学设备(如假体)、工具(如模具、冲床、刀具和刀片)以及航空航天工业中使用的齿轮和球。其他工业应用包括将金、陶瓷和其他材料沉积到塑料、陶瓷、硅和砷化镓基板中,用于半导体工业。
溅射和溅射沉积
溅射是一种改变表面物理性质的蚀刻工艺。在这个过程中,气体等离子放电是建立在两个电极之间:阴极电镀材料和阳极基板。沉积物很薄,范围在0.00005 - 0.01毫米之间。铬、钛、铝、铜、钼、钨、金、银是典型的矿床。
溅射沉积薄膜通常用于装饰应用,如表带,眼镜和珠宝。电子工业依赖于严重溅射的涂层和薄膜(例如,芯片和记录磁头上的薄膜布线以及磁性和磁光记录媒体)。公司还使用溅射沉积技术生产用于建筑玻璃大块的反射膜和用于汽车工业的塑料装饰膜。食品包装工业使用溅射技术生产用于包装的薄塑料薄膜。与其他沉积工艺相比,溅射沉积相对便宜。
包层
使用激光的表面合金化(改性)通过向熔体池注入另一种材料来促进合金化。该技术的表面特征包括高温性能、耐磨性、耐腐蚀性的提高、更好的机械性能和增强的外观
激光熔覆是激光表面合金化的一种方法。激光熔覆的总体目标是选择性地覆盖一个确定的区域。在激光熔覆中,一层薄薄的金属(或粉末金属)通过热和压的结合与母金属结合在一起。移动梁下的基底和重叠沉积轨迹可以覆盖大面积。预处理不是关键,虽然表面可能需要在沉积前进行粗糙处理。涂覆后,通常进行研磨和/或抛光。
激光熔覆可以应用与热喷涂技术相同的大多数材料。如果不使用惰性气体流和包膜,容易氧化的材料很难沉积。沉积速率取决于激光功率、功率进给速率和穿越速度。涂层的厚度从几百微米到几毫米不等。然而,如果密度过高,就会像铝和一些钢一样发生开裂和分层。这项技术也无法覆盖视线之外的区域。
化学汽相淀积
在CVD过程中,一种化学反应气混合物与衬底接触,然后沉积在衬底上。这种涂层是由一种被称为前驱体的技术提供的,当加热时,前驱体会产生反应蒸汽。前体的形式可以是气体、液体或固体形式。气体在正常的压力和温度下被送入腔室,而固体和液体则需要高温和/或低压。
分解过程可以通过使用热、等离子体或其他过程来辅助或加速。化学气相沉积包括溅射、离子镀、等离子体增强CVD、低压CVD、激光增强CVD、活性反应蒸发、离子束、激光蒸发和其他变体。这些过程在启动化学反应的方法上一般不同,通常按操作压力进行分类。
- 超高真空通常低于10−6Pa (~ 10−10托)
- 大气压下的低压。(注:压力降低会减少不必要的气相反应,提高膜的均匀性)
- 大气压力
一旦进入腔室,能量被应用到基板上,以促进涂层与载气的反应。CVD过程的基本步骤是:
- 反应气体混合物的形成
- 反应物气体通过边界层到衬底的质量运输
- 反应物在底物上的吸附
- 吸附剂的反应形成沉淀物
基板的预处理包括机械和/或化学清洗(例如,超声波清洗和/或蒸汽脱脂),然后在某些情况下进行蒸汽珩磨(以提高附着力)。此外,沉积反应器室必须是清洁的,密封的,无灰尘和水分。
CVD用于耐腐蚀和耐磨性,并应用于材料以获得其他工艺难以获得的特定性能。CVD涂层中最常用的金属是镍、钨、铬和碳化钛。
主要应用于电子、光学、光电、光伏和化工行业。CVD用于沉积涂层和形成箔、粉末、复合材料、独立体、球形颗粒、细丝和晶须。
氮化钛和碳氮化钛涂料
氮化钛(TiN)和碳氮化钛(TiCN)涂层应用于各种刀具和其他产品,以帮助延长它们的使用寿命,并提供一种耐磨涂层(图4)。
基本过程。氮化钛(TiN)涂层可以使用PVD或CVD方法。对于高速钢的应用,通常首选PVD工艺。然而,PVD工艺在零件几何形状、需要工件旋转以达到均匀性和涂层温度(对于某些材料)方面有一定的限制。
CVD加工温度通常在850 - 1100°C(1550 - 2000ºF)之间。CVD涂层中产生一层TiN的基本化学反应(公式1)是四氯化钛(TiCl4)、氮(N)和氢(H)之间的化学反应:
(1) 2 tic1演出4+ N2+ 4 h2→2TiN + 8HC1
相比之下,PVD工艺在400 - 600°C(750 - 1100ºF)或更低的温度范围内工作。PVD过程依赖离子轰击而不是高温(就像CVD的情况一样)作为驱动力。要涂覆的基板被放置在真空室中并加热到一定温度。Ti涂层材料被汽化,形成反应气体N2被引入并电离;然后,蒸发的钛原子与电离的氮发生反应,形成TiN化合物,沉积在基底上形成涂层。镀膜工具有三种主要的PVD工艺:蒸发、溅射和活性离子镀,主要不同的是反应金属蒸发的方式。
碳氮化钛(TiCN)涂层比TiN涂层提供略高的硬度,在许多应用中可以显示略低的摩擦系数。它们主要用于提高磨料耐磨性。TiCN涂料对使用温度有一个下限。
PVD广泛应用于高速钢和工具钢,因为CVD工艺温度下降到某些工具钢硬化的范围。可能需要涂层后处理(再硬化和再回火)。这些处理可能会影响涂层的附着力和尺寸。
选择过程中需要考虑的一个关键领域是要涂覆的组件的最终使用应用温度。使用温度越高,可能需要更多的CVD涂层方法。
属性
TiN涂层产生的机械和物理性能(表1)与其他常见涂层相似。TiN涂层在高速钢和其他工具钢上的优点包括:
- 外观
- 粘附基质
- 高的化学惰性
- 耐高温
- 坚硬(2400 HV)表面,以减少磨料磨损
- 摩擦系数低
- 增加润滑
- 表面粗糙度
- 低维的变化
- 高温稳定
注:[a] 2500高压(50g)≈85 HRC
TiCN涂料的优点包括:
- 比锡
- 比硬质合金
- 硬度比铬(3倍)
- 耐磨性
- 与基板有较强的分子粘附性
- 广泛的基材
- 薄膜(通常为3μm)
- 涂层均匀,边缘无积垢
- 遵循零件的表面纹理
- 灰色金属外观
- 无毒(环保)
总结
真空沉积方法,如PVD和CVD工艺代表了真空技术的一系列重要应用。虽然经常与利基市场联系在一起,但该技术已被发现在惊人数量的应用中提高性能,因此需要热处理社区更好地理解。
参考文献
- 赫林,丹尼尔·H.,真空热处理,BNP媒体集团,2012。
- Daniel H.,大气热处理,第一卷,BNP媒体集团,2014。
- “金属整理的替代方法”,金属整理工业,伊利诺伊大学伊利诺伊可持续技术中心(www.istc.illinois.edu)
- “CVD和PVD的区别”,Differences.com (www.differences.com)
- Rointan F.,薄膜和涂层沉积技术手册,诺耶斯出版社,1994。
- 维基百科(https://en.wikipedia.org)
- 王晓燕,陈晓燕,“CVD和PVD涂层硬质合金刀具的比较研究”,中国机械工程学报,1998,15 (5),pp. 514 - 514。
丹尼尔·h·赫林/电话:(630)834-3017)/电子邮件:dherring@heat-treat-doctor.com
丹·赫林是鲱鱼集团公司,专门从事咨询服务(热处理和冶金)和技术服务(工业教育/培训和工艺/设备援助)。他也是伊利诺伊理工学院/热加工技术中心的研究副教授。2022世界杯抽签完整视频