由于CVD法處(chu)理溫(wen)度太高(gao)，零件(jian)基體需(xu)承受(shou)相當(dang)高(gao)的沉積溫(wen)度，易產(chan)(chan)生變形和基體組織(zhi)變化(hua)，導(dao)致其力(li)學性(xing)能降(jiang)低，需(xu)在CVD沉積后進(jin)行熱處(chu)理，增大了(le)生產(chan)(chan)成本，因此在應用上(shang)受(shou)到一(yi)定(ding)的限(xian)制。
PVD以各種物理方法(fa)產生的原子(zi)或分子(zi)沉(chen)積在(zai)基材上形成外加覆蓋(gai)層，工(gong)件沉(chen)積溫度一(yi)般不超過600℃。不銹鋼沉(chen)積后通常都無需進(jin)行熱處理，因而(er)其應用比化學氣相沉(chen)積廣。
物理氣相沉積可分為真空蒸鍍(du)(du)、陰極濺射和離(li)子鍍(du)(du)三類。與CVD法(fa)相比，PVD的主要優點是處(chu)(chu)理溫(wen)度較(jiao)低、沉積速度較(jiao)快、無公害等，因而有很高的實(shi)用價值(zhi)；其不(bu)足之處(chu)(chu)是沉積層(ceng)與工件的結合力較(jiao)小(xiao)，鍍(du)(du)層(ceng)的均(jun)勻性稍差(cha)。此外(wai)，它的設備造價高，操作、維(wei)護的技術要求也較(jiao)高。
一、真空蒸鍍(du)
在高真空中(zhong)使金屬、合金或化合物(wu)蒸發，然后凝聚(ju)在基體表面的方法(fa)叫作真空蒸鍍。真空蒸鍍裝置見(jian)圖3-14。
被沉(chen)積(ji)的(de)(de)材料(liao)（如TiC）置(zhi)于裝有(you)加熱系統(tong)的(de)(de)坩(gan)堝中，被鍍基體置(zhi)于蒸發源前面。當真(zhen)空度達到0.13Pa時，加熱坩(gan)堝使材料(liao)蒸發，所產生的(de)(de)蒸氣以凝(ning)集的(de)(de)形式沉(chen)積(ji)在物體上形成(cheng)涂層。
基(ji)板入槽前要進行充分的清洗，在(zai)蒸(zheng)鍍時，一般在(zai)基(ji)板背面設置一個(ge)加熱器，使基(ji)板保持適當(dang)溫度(du)，使鍍層(ceng)和(he)基(ji)層(ceng)之間形成薄的擴散(san)層(ceng)，以增(zeng)大結合(he)力。
蒸發用(yong)熱(re)(re)源(yuan)主要分三類：電阻加(jia)熱(re)(re)源(yuan)、電子束加(jia)熱(re)(re)源(yuan)和高頻感(gan)應加(jia)熱(re)(re)源(yuan)。最近還采用(yong)了激光蒸鍍(du)法和離子蒸鍍(du)法。
蒸(zheng)鍍過程：
a. 首先對真(zhen)空裝置及被鍍零件進(jin)行(xing)處理(li)，去掉污物、灰塵和(he)油(you)漬等。
b. 把(ba)清洗過(guo)的零件裝入鍍(du)槽(cao)的支架(jia)上。
c. 補(bu)足蒸(zheng)發物質。
d. 抽真空，先用回轉(zhuan)泵抽至(zhi)13.3Pa，再(zai)用擴散泵抽至(zhi)133×10-6Pa。
e. 在高(gao)真空下對零件加(jia)熱，目的是(shi)去除水分（150℃）和增加(jia)結合力(300~400℃)。
f. 對(dui)蒸鍍通電(dian)加熱，達到(dao)厚度后停(ting)電(dian)。
g. 停(ting)鍍后，需在真(zhen)空條件下放置15～30min，使之冷卻(que)到100℃左右。
h. 關閉真空閥，導入空氣，取出模具。
二、陰極濺(jian)射
陰極(ji)濺射即用荷能粒子(zi)轟擊(ji)某(mou)一(yi)靶材（陰極(ji)），使(shi)靶材表(biao)(biao)面的原子(zi)以一(yi)定能量(liang)逸出(chu)，然后在表(biao)(biao)面沉(chen)積的過程(cheng)。
濺射過程(cheng)：用沉積的(de)(de)材料（如TiC）作(zuo)陰極靶，并接入1～3kV的(de)(de)直流負高壓，
在(zai)真空室內通(tong)入壓力為(wei)0.133～13.3Pa的(de)氬(ya)氣(qi)（作(zuo)為(wei)工作(zuo)氣(qi)體）。在(zai)電(dian)場的(de)作(zuo)用下，氬(ya)氣(qi)電(dian)離(li)后產生的(de)氬(ya)離(li)子轟擊陰極(ji)靶(ba)面，濺(jian)(jian)射出的(de)靶(ba)材原子或分子以一定(ding)的(de)速度(du)落(luo)在(zai)工件表面產生沉積(ji)，并(bing)使工件受(shou)熱。濺(jian)(jian)射時工件的(de)溫度(du)可達500℃左右。圖3-15是(shi)陰極(ji)濺(jian)(jian)射系統(tong)簡圖。
當接通高壓電(dian)源時，陰(yin)極發(fa)出的(de)(de)電(dian)子(zi)在(zai)電(dian)場的(de)(de)作用下(xia)會跑向(xiang)(xiang)陽極，速度在(zai)電(dian)場中不(bu)斷增(zeng)加(jia)(jia)。剛離(li)開陰(yin)極的(de)(de)電(dian)子(zi)能量(liang)(liang)很(hen)低(di)，不(bu)足以(yi)引起氣體(ti)原子(zi)的(de)(de)變(bian)化(hua)，所以(yi)附近(jin)為暗(an)區。在(zai)稍遠的(de)(de)位置(zhi)，當電(dian)子(zi)的(de)(de)能力足以(yi)使氣體(ti)原子(zi)激發(fa)時就(jiu)產(chan)生(sheng)輝(hui)光，形成陰(yin)極輝(hui)光區。越(yue)過(guo)這一(yi)區域，電(dian)子(zi)能量(liang)(liang)進一(yi)步增(zeng)加(jia)(jia)，就(jiu)會引起氣體(ti)原子(zi)電(dian)離(li)，從而產(chan)生(sheng)大量(liang)(liang)的(de)(de)離(li)子(zi)與(yu)(yu)低(di)速電(dian)子(zi)。此(ci)過(guo)程不(bu)發(fa)光，這一(yi)區域為陰(yin)極暗(an)區。低(di)速電(dian)子(zi)在(zai)此(ci)后(hou)向(xiang)(xiang)陽極的(de)(de)運動過(guo)程中，也會被加(jia)(jia)速激發(fa)氣體(ti)原子(zi)而發(fa)光，形成負輝(hui)光區。在(zai)負輝(hui)光區和(he)陽極之間，還有幾個陰(yin)暗(an)相同的(de)(de)區域，但(dan)它們與(yu)(yu)濺射離(li)子(zi)產(chan)生(sheng)的(de)(de)關(guan)系不(bu)大，只起導電(dian)作用。
濺射下來的(de)材料(liao)原(yuan)子具有10～35eV的(de)功能，比蒸鍍時(shi)的(de)原(yuan)子動(dong)能大得(de)多，因而濺射膜(mo)的(de)結(jie)合力也比蒸鍍膜(mo)大。
濺射性能(neng)取決于所(suo)用(yong)的氣(qi)體、離子的能(neng)量及轟擊所(suo)用(yong)的材(cai)(cai)料(liao)等(deng)。離子轟擊所(suo)產生的投射作用(yong)可用(yong)于任何(he)類(lei)型(xing)的材(cai)(cai)料(liao)，難(nan)熔材(cai)(cai)料(liao)W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也(ye)能(neng)像(xiang)低(di)熔點材(cai)(cai)料(liao)一樣容(rong)易(yi)被沉積。濺射出的合(he)金(jin)組(zu)成常常與靶的成分(fen)相當。
濺(jian)(jian)射(she)(she)的工(gong)藝很多，如(ru)果按電極(ji)的構(gou)造及其配置方法進(jin)行分(fen)類，具有(you)(you)代(dai)表性的有(you)(you)：二(er)極(ji)濺(jian)(jian)射(she)(she)、三極(ji)濺(jian)(jian)射(she)(she)、磁(ci)控(kong)濺(jian)(jian)射(she)(she)、對置濺(jian)(jian)射(she)(she)、離(li)子束濺(jian)(jian)射(she)(she)和吸(xi)收濺(jian)(jian)射(she)(she)等。常用的是磁(ci)控(kong)濺(jian)(jian)射(she)(she)，目前已(yi)開發了多種(zhong)磁(ci)控(kong)濺(jian)(jian)射(she)(she)裝置。
常(chang)用的(de)磁控高速(su)濺(jian)射方法的(de)工(gong)作原理(li)為：用氬氣(qi)作為工(gong)作氣(qi)體，充氬氣(qi)后(hou)反(fan)應室內(nei)的(de)壓力為2.6～1.3Pa，以欲沉(chen)積的(de)金(jin)屬(shu)和(he)化(hua)合物為靶(ba)（如Ti、TiC、TiN），在靶(ba)附近(jin)設置與(yu)靶(ba)平面平行的(de)磁場，另在靶(ba)和(he)工(gong)件(jian)之間設置陽極以防(fang)工(gong)件(jian)過(guo)熱。磁場導(dao)致(zhi)靶(ba)附近(jin)等離子密度(du)（即金(jin)屬(shu)離化(hua)率(lv)）提(ti)高，從而提(ti)高濺(jian)射與(yu)沉(chen)積速(su)率(lv)。
磁控濺(jian)射效率高(gao)，成膜速度(du)快（可(ke)達(da)2μm／min），而且基板溫度(du)低。因(yin)此，此法(fa)適應性廣，可(ke)沉積(ji)純金屬(shu)、合金或(huo)化合物。例(li)如以鈦為靶(ba)，引(yin)入氮(dan)或(huo)碳氫化合物氣體(ti)可(ke)分別沉積(ji)TiN、TiC等。
三、離(li)子鍍(du)
近年來(lai)研究開發的(de)離(li)(li)子鍍(du)(du)(du)在零件表面(mian)強化方面(mian)獲(huo)(huo)得應用，效(xiao)果較顯著。所(suo)謂離(li)(li)子鍍(du)(du)(du)是蒸(zheng)鍍(du)(du)(du)和(he)濺射鍍(du)(du)(du)相結合的(de)技術(shu)。它既保(bao)留了CVD的(de)本(ben)質，又具(ju)有PVD的(de)優(you)點。離(li)(li)子鍍(du)(du)(du)零件具(ju)有結合力強、均鍍(du)(du)(du)能力好、被鍍(du)(du)(du)基體材(cai)料(liao)(liao)和(he)鍍(du)(du)(du)層材(cai)料(liao)(liao)可(ke)以廣(guang)(guang)泛搭配等優(you)點，因此獲(huo)(huo)得較廣(guang)(guang)泛的(de)應用。圖(tu)3-16是離(li)(li)子鍍(du)(du)(du)系統(tong)示意圖(tu)。
離(li)子(zi)(zi)鍍的(de)基(ji)(ji)本原(yuan)理是借助于一種(zhong)惰(duo)性氣體(ti)的(de)輝光放電(dian)(dian)使金屬或(huo)合金蒸(zheng)(zheng)氣離(li)子(zi)(zi)化。離(li)子(zi)(zi)經電(dian)(dian)場(chang)加(jia)速(su)而(er)沉積(ji)在(zai)(zai)帶(dai)負電(dian)(dian)荷的(de)基(ji)(ji)體(ti)上(shang)(shang)。惰(duo)性氣體(ti)一般采用(yong)氬氣，壓(ya)力為0.133～1.33Pa，兩(liang)極電(dian)(dian)壓(ya)在(zai)(zai)500～2000V之間(jian)。離(li)子(zi)(zi)鍍包括(kuo)鍍膜材(cai)料(liao)（如(ru)TiC、TiN）的(de)受熱(re)、蒸(zheng)(zheng)發(fa)、沉積(ji)過程。蒸(zheng)(zheng)發(fa)的(de)鍍膜材(cai)料(liao)原(yuan)子(zi)(zi)在(zai)(zai)經過輝光區時(shi)，一小(xiao)部分發(fa)生電(dian)(dian)離(li)，并在(zai)(zai)電(dian)(dian)場(chang)的(de)作用(yong)下飛向工件(jian)，以幾千電(dian)(dian)子(zi)(zi)伏的(de)能量射到工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，可(ke)以打入基(ji)(ji)體(ti)約幾納米的(de)深度，從(cong)而(er)大(da)大(da)提高了鍍層的(de)結合力。而(er)未(wei)經電(dian)(dian)離(li)的(de)蒸(zheng)(zheng)發(fa)材(cai)料(liao)原(yuan)子(zi)(zi)直接在(zai)(zai)工件(jian)上(shang)(shang)沉積(ji)成膜。惰(duo)性氣體(ti)離(li)子(zi)(zi)與鍍膜材(cai)料(liao)離(li)子(zi)(zi)在(zai)(zai)基(ji)(ji)板(ban)表(biao)(biao)面(mian)(mian)上(shang)(shang)發(fa)生的(de)濺射還(huan)可(ke)以清除工件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)污染物(wu)，從(cong)而(er)改善結合力。
如果提高金屬蒸(zheng)氣原子(zi)(zi)(zi)的(de)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)化(hua)程度，可以增加(jia)鍍(du)(du)層的(de)結合力，為此發(fa)展了一系列(lie)的(de)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)設備(bei)和(he)方(fang)法，如高頻(pin)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)、空心陰極放電(dian)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)、熱陰極離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)、感(gan)應加(jia)熱離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)、活性化(hua)蒸(zheng)發(fa)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)及低壓等(deng)(deng)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)等(deng)(deng)。近年來，多弧離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)由(you)于設備(bei)結構簡單、操作方(fang)便、鍍(du)(du)層均勻、生產率高，而受到(dao)人們(men)的(de)重視。其工作原理和(he)特點是：
a. 將被蒸發(fa)膜(mo)材料制成陰極靶即弧(hu)蒸發(fa)源(yuan)，該蒸發(fa)源(yuan)為固(gu)態，可在(zai)真空內任意方位布置，也可多(duo)源(yuan)聯合工作，有利大(da)件(jian)鍍膜(mo)。
b. 弧(hu)蒸(zheng)發(fa)源接(jie)電源負極(ji)(ji)(ji)，真(zhen)空室外殼接(jie)正(zheng)極(ji)(ji)(ji)，調整工(gong)作電流，靶(ba)材表面(mian)進行弧(hu)光放(fang)電，同時(shi)蒸(zheng)發(fa)出(chu)大量陰極(ji)(ji)(ji)金屬蒸(zheng)氣(qi)，其(qi)中部分發(fa)生電離并在基板(ban)負偏(pian)壓的吸引下轟擊(ji)(ji)工(gong)件(jian)表面(mian)，從(cong)而(er)起到潔(jie)凈工(gong)件(jian)表面(mian)的作用和使(shi)工(gong)件(jian)的溫度(du)升(sheng)高達到沉積(ji)(ji)所(suo)需溫度(du)。此(ci)后(hou)，逐漸降低基板(ban)負壓氣(qi)化了(le)的靶(ba)粒子飛(fei)向基板(ban)形成鍍(du)膜(mo)。如果同時(shi)通入適當流量的反(fan)應氣(qi)體，即可(ke)在工(gong)件(jian)表面(mian)沉積(ji)(ji)得到化合物膜(mo)層。從(cong)以(yi)上(shang)鍍(du)膜(mo)過(guo)程看，弧(hu)蒸(zheng)發(fa)源既是蒸(zheng)發(fa)器又是離化源，無需增加輔(fu)助離化源，也無需通入惰性氣(qi)體轟擊(ji)(ji)清洗工(gong)件(jian)，并且不需要(yao)烘烤(kao)裝置，設備簡單、工(gong)藝(yi)穩定。
c. 多弧離子鍍離化率高(gao)達(da)60％～90％，有利于改(gai)善膜(mo)層的質量，特別適用于活性反應沉積化合物膜(mo)層。
d. 多弧蒸(zheng)發源在蒸(zheng)發陰極材料時(shi)，往(wang)往(wang)有(you)液滴沉積(ji)在工件表(biao)面，造成(cheng)工件表(biao)面具有(you)較高的表(biao)面粗糙度值。所以減少(shao)和細化(hua)蒸(zheng)發材料液滴是當(dang)前多弧離子鍍(du)工藝(yi)的關鍵問題。
離子(zi)鍍(du)除(chu)了具(ju)有(you)(you)鍍(du)層結合力強的(de)(de)特點之外，還具(ju)有(you)(you)如(ru)下優點：離子(zi)繞(rao)射性(xing)強，沒有(you)(you)明(ming)顯(xian)的(de)(de)方向性(xing)沉積，工件的(de)(de)各個表(biao)面(mian)都能鍍(du)上；鍍(du)層均勻(yun)性(xing)好，并且具(ju)有(you)(you)較高的(de)(de)致(zhi)(zhi)密度和細的(de)(de)晶粒度，即使經鏡面(mian)研(yan)磨過(guo)的(de)(de)工件，進行(xing)離子(zi)鍍(du)后(hou)，表(biao)面(mian)依然(ran)光潔致(zhi)(zhi)密，無需(xu)再作(zuo)研(yan)磨。
總之(zhi)，采用(yong)(yong)PVD技術可(ke)(ke)以在(zai)各(ge)種(zhong)(zhong)材料(liao)(liao)上沉積(ji)(ji)致密、光(guang)滑、高精度的化(hua)合物（如(ru)TiC、TiN）鍍(du)層，所以十分適合模具的表面熱處(chu)理(li)。目(mu)前，應(ying)用(yong)(yong)PVD法(fa)沉積(ji)(ji)TiC、TiN等鍍(du)層已在(zai)生(sheng)產中獲得應(ying)用(yong)(yong)。例如(ru)Cr12MoV鋼(gang)制油開(kai)關精制沖(chong)模，經(jing)PVD法(fa)沉積(ji)(ji)后，表面硬(ying)度為(wei)(wei)2500～3000HV，摩(mo)擦因數減小(xiao)，抗粘著和抗咬合性改善，模具原使用(yong)(yong)1～3萬(wan)次(ci)即要刃磨，經(jing)PVD法(fa)處(chu)理(li)后，使用(yong)(yong)10萬(wan)次(ci)不需刃磨，尺寸無(wu)變化(hua)，仍可(ke)(ke)使用(yong)(yong)；用(yong)(yong)于沖(chong)壓和擠壓粘性材料(liao)(liao)的冷作模具，采用(yong)(yong)PVD法(fa)處(chu)理(li)后，其使用(yong)(yong)壽命大為(wei)(wei)提高，從發展趨(qu)勢來看(kan)，PVD法(fa)將成為(wei)(wei)模具表面處(chu)理(li)的主(zhu)要技術方法(fa)之(zhi)一。表3-40列(lie)出(chu)了(le)三種(zhong)(zhong)PVD法(fa)與CVD法(fa)的特性比較，供選(xuan)用(yong)(yong)時(shi)參考。
目前應(ying)用PVD法沉積TiC、TiN等鍍(du)層(ceng)已在(zai)生產中得到(dao)推廣應(ying)用，同時在(zai)TiN基礎上發展起來的(de)多(duo)元膜，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等，性能優于TiN，是一種更(geng)有前途的(de)新型薄膜。
