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文献综述
气相沉积技术及其在耐磨涂层上的应用
气相沉积镀膜包括三个环节:镀料气化→气相输运→沉积成膜。为研究方便,人们把通过含有构成薄膜元素的挥发性化合物与气态物质,在固体表面上进行化学反应,且生成非挥发性固态沉积物的过程,称为化学气相沉积(CVD);把通过高温加热金属或化合物蒸发成气相,或者通过电子、离子、光子等荷能粒子从金属或化合物靶上溅射出相应的原子、离子、分子(气态),且在固体表面上沉积成膜的过程,称为物理气相沉积(PVD)。
化学气相沉积技术
从沉积化学反应能量激活看,化学气相沉积可分为热CVD、等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和激光辅助化学气相沉积(LCVD)等。从沉积化学反应温度看,又可分为低温CVD(低于200℃)、中温CVD(500~800℃)、高温CVD(900~1200℃)和超高温CVD(>1200℃)。
CVD技术的优点是适合涂镀各种复杂形状的部件,特别是有盲孔、沟槽的工件,涂层致密均匀,可以较好地控制涂层的密度、纯度、结构和晶粒度,涂层与基体结合强度高。传统CVD的反应温度一般为900~1200℃,在如此高的温度下,工模具钢会发生固态相变、晶粒长大、变形,使基体性能下降。因此,在沉积后要增加热处理工艺加以补救。为了降低沉积温度目前主要方法有:等离子体活化,采用金属有机化合物,通过激光产生化学激发,选择合理的反应气体[1]。
用CVD技术沉积的耐磨涂层以氮化物、氧化物、碳化物、硼化物为主,主要应用于金属切削***,这类涂层有TiN、TiC、、TaC、HfN、Al2O3、TiB2等。
1890年,德国的Erlwein等利用CVD技术在白炽灯丝上形成TiC。后来,Arkel和Moers等又分别在灯丝上用CVD技术制取了高熔点碳化物。1952年联邦德国金属公司的冶金实验室发现在1000℃下,在铸铁表面也能得到粘接很好的TiC涂层。1968~1969年,联邦德国克鲁伯公司和瑞典山特维克公司的TiC涂层刀片已先后投放世界市场。到1970年,美国、日本、英国等硬质合金制造商也相继开始了涂层刀片的研究与生产,美国TFS公司与联邦德国研制的TiN涂层刀片也相继问世。到20世纪60年代末,化学气相沉积TiC及TiN硬膜技术已逐渐成熟并大规模用于涂层硬质合金刀片及Cr12系列模具钢[2]。到20世纪八十年代中后期,美国已有85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理,其中CVD涂层占到99%;到九十年代中期,CVD涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金***中仍占80%以上[3]。
尽管CVD涂层具有很好的耐磨性,但CVD工艺亦有其先天缺陷:一是工艺处理温度高,易造成***材料抗弯强度下降;二是薄膜内部呈拉应力状态,易导致***使用时产生微裂纹;三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染,与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触,因此自九十年代中期以来,高温CVD技术的发展和应用受到一定制约。八十年代末,Krupp. Widia开发的低温化学气相沉积(PCVD)技术达到了实用水平,其工艺处理温度已降至450~650℃,有效抑制了η相的产生,可用于螺纹***、铣刀、模具的TiN、、TiC等涂层,但迄今为止,PCVD工艺在***涂层领域的应用并不广泛。九十年代中期,中温化学气相沉积(MTCVD)新技术的出现使CVD技术