化學氣(qi)(qi)相沉(chen)積(ji)(ji)(CVD)是用化學方法使反(fan)應氣(qi)(qi)體(ti)在零件基材表面發生化學反(fan)應而形成覆蓋(gai)層的方法。通常(chang)CVD是在高溫(800~1000℃)和常(chang)壓或低壓下進行的,沉(chen)積(ji)(ji)裝置如圖3-13所示。


圖 13.jpg


  a. 反(fan)應氣體向(xiang)工(gong)件表面擴(kuo)散并被(bei)吸附。


  b. 吸收工件表(biao)面的各(ge)種物質發(fa)生表(biao)面化學反(fan)應。


  c. 生成(cheng)(cheng)的物質點聚(ju)集成(cheng)(cheng)晶(jing)核(he)并(bing)長大。


  d. 表(biao)面(mian)化學反(fan)應中(zhong)產(chan)生的氣體產(chan)物脫離工件(jian)表(biao)面(mian)返(fan)回氣相(xiang)。


  e. 沉積層與基體(ti)的界面發生元(yuan)素(su)的互擴散形成鍍層。


  CVD裝置中,反應器是最基本的部件。處理的工件應放入反應器內,反應器裝夾在加熱爐體內,然后加熱至沉積反應所要求的工作溫度,并保溫一定時間。送入反應器的氣體根據工藝要求而不同,以一定的流量比分別供給N2、H2、TiCl4CH4、Ar氣,其中TiCl4是通過加熱液態的氯化鈦得到的。反應后的廢氣經機械泵排出。為了防止發生爆炸事故,反應器在沉積過程結束后至開啟前要充入氬氣。為了去除氣體中的有害成分,如氧、水分等,管路還應配備必要的干燥凈化裝置。


工藝要求:


  a. 沉積(ji)溫度(du)(du)一般在950~1050℃,溫度(du)(du)過高,可(ke)使TiC層(ceng)厚度(du)(du)增(zeng)加,但晶粒變粗,性(xing)能較差;溫度(du)(du)過低(di),TiCl4還(huan)原出鈦的沉積(ji)速度(du)(du)大于碳化物(wu)的形(xing)成速度(du)(du),沉積(ji)物(wu)是(shi)多孔性(xing)的,而且與基體結合不牢。


  b. 氣體流(liu)量(liang)必須很好(hao)控(kong)制,Ti和C的比例最好(hao)在1:0.85~0.97之間,以防游(you)離鈦沉積,使(shi)TiC覆(fu)蓋層無法形成(cheng)。


  c. 沉積(ji)速率通常(chang)為(wei)每小時(shi)(shi)(shi)幾(ji)微米(包括加熱時(shi)(shi)(shi)間和冷卻時(shi)(shi)(shi)間),總的(de)沉積(ji)時(shi)(shi)(shi)間為(wei)8~13h。沉積(ji)時(shi)(shi)(shi)間由所需鍍層(ceng)厚(hou)度(du)決定,沉積(ji)時(shi)(shi)(shi)間越長,所得TiC層(ceng)越厚(hou);反之(zhi)鍍層(ceng)越薄。沉積(ji)TiC的(de)最(zui)佳厚(hou)度(du)為(wei)3~10μm,沉積(ji)TiN的(de)最(zui)佳厚(hou)度(du)為(wei)5~15μm,太薄不耐磨,太厚(hou)結合力差(cha)。


  化學氣相(xiang)(xiang)沉(chen)積(ji)涂(tu)層的(de)反應溫度高(gao)(gao),在基(ji)體與涂(tu)層之間易形成擴(kuo)散(san)層,因此結(jie)合力好,而且容易實現設備的(de)大(da)(da)型化,可以大(da)(da)量處(chu)理(li)。但在高(gao)(gao)溫下進行處(chu)理(li),零件變形較大(da)(da),高(gao)(gao)溫時組織變化必(bi)(bi)然導致基(ji)體力學性能(neng)降低,所以化學氣相(xiang)(xiang)沉(chen)積(ji)處(chu)理(li)后必(bi)(bi)須重新進行熱處(chu)理(li)。


  為(wei)了擴大氣(qi)相沉積(ji)(ji)的應用范圍(wei),減(jian)小零件變形,簡化后續(xu)熱處(chu)理工(gong)藝,通常采(cai)取降低沉積(ji)(ji)溫度的方法(fa)(fa),如等離(li)子體(ti)激(ji)發化學氣(qi)相沉積(ji)(ji)(PCVD)、中(zhong)溫化學氣(qi)相沉積(ji)(ji)等,這(zhe)些方法(fa)(fa)可使反應溫度降到(dao)500℃以下。


  沉積(ji)不(bu)同的(de)涂層,將選擇(ze)不(bu)同的(de)化學反應。三種超硬涂層沉積(ji)時的(de)化學反應如下:


式 2.jpg


  其中,TiCl4為供Ti氣體,CH4NH3N2分別為供C、N氣體,H2為載氣和稀釋劑。


  零件基(ji)體中的(de)碳含量對初(chu)期沉積(ji)速度有影響(xiang),碳含量越(yue)高,初(chu)期沉積(ji)速度越(yue)快。為了獲得良好的(de)沉積(ji)層(ceng),一般多選用(yong)(yong)高碳合金鋼。用(yong)(yong)CVD技(ji)術可以在模(mo)具(ju)材料(liao)上沉積(ji)TiC、TiN、Ti(C、N)薄膜,表3-39為TiN、TiC及Ti(C、N)的(de)應用(yong)(yong)效果。


39.jpg


 在Cr12MoV鋼和9SiCr鋼零件上用CVD法沉積的TiN都是比較(jiao)細密(mi)均勻的,鍍層厚度都大于3μm,經考核,壽(shou)命提(ti)高1~20倍。CVD法TiN鍍層的優(you)點是:


  1)TiN的硬度(du)高達(da)1500HV以上。


  2)TiN與(yu)鋼(gang)的(de)摩擦(ca)因(yin)數只有0.14,只是鋼(gang)與(yu)鋼(gang)之間(jian)的(de)1/5。


  3)TiN具有很高(gao)的抗粘(zhan)接性能。


  4)TiN熔點為2950℃,抗氧化性好(hao)。


  5)TiN鍍層耐腐蝕(shi),與基體粘(zhan)接性好。因此,利用(yong)CVD法獲得(de)超硬(ying)耐磨鍍層是提高零件壽命的(de)有效途徑(jing)。





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