由于CVD法處理溫(wen)(wen)度(du)太高(gao)(gao)，零(ling)件(jian)基體(ti)需承(cheng)受相(xiang)當高(gao)(gao)的沉(chen)積(ji)溫(wen)(wen)度(du)，易(yi)產(chan)生變形和基體(ti)組(zu)織變化，導(dao)致其力(li)學性能(neng)降低，需在(zai)CVD沉(chen)積(ji)后進(jin)行熱(re)處理，增大了(le)生產(chan)成本，因此在(zai)應用上受到一定(ding)的限制。
PVD以(yi)各種物理方(fang)法產生的原子或分子沉積(ji)在基(ji)材上形成外加覆蓋層(ceng)，工件沉積(ji)溫(wen)度(du)一般不(bu)(bu)超過600℃。不(bu)(bu)銹鋼沉積(ji)后通常都無需(xu)進行熱(re)處(chu)理，因而其應(ying)用比(bi)化學(xue)氣相沉積(ji)廣(guang)。
物(wu)理(li)(li)氣(qi)相沉(chen)(chen)(chen)積(ji)(ji)可分為真空蒸鍍(du)(du)、陰極濺射和離子(zi)鍍(du)(du)三類。與CVD法相比，PVD的(de)(de)主要(yao)優點(dian)是(shi)處理(li)(li)溫度較(jiao)低、沉(chen)(chen)(chen)積(ji)(ji)速(su)度較(jiao)快(kuai)、無(wu)公害等(deng)，因而有很高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)實用(yong)價值；其(qi)不(bu)足之處是(shi)沉(chen)(chen)(chen)積(ji)(ji)層與工(gong)件的(de)(de)結合力較(jiao)小，鍍(du)(du)層的(de)(de)均勻性稍差。此外，它的(de)(de)設備造價高(gao)(gao)(gao)，操(cao)作、維護的(de)(de)技(ji)術(shu)要(yao)求(qiu)也(ye)較(jiao)高(gao)(gao)(gao)。
一、真空蒸鍍
在(zai)高真空(kong)中使金屬、合(he)金或化合(he)物蒸(zheng)發，然(ran)后凝聚在(zai)基體表(biao)面(mian)的方法叫作真空(kong)蒸(zheng)鍍。真空(kong)蒸(zheng)鍍裝置(zhi)見圖(tu)3-14。
被(bei)沉積的(de)(de)材料（如TiC）置于裝(zhuang)有加熱系統(tong)的(de)(de)坩堝(guo)中，被(bei)鍍基體(ti)置于蒸(zheng)發源(yuan)前面。當真空度達(da)到0.13Pa時，加熱坩堝(guo)使(shi)材料蒸(zheng)發，所(suo)產生的(de)(de)蒸(zheng)氣以凝集(ji)的(de)(de)形式沉積在(zai)物體(ti)上形成涂層。
基板(ban)入槽前要進行充分(fen)的清洗，在蒸鍍(du)(du)時(shi)，一(yi)(yi)般在基板(ban)背面設置(zhi)一(yi)(yi)個加熱(re)器(qi)，使基板(ban)保持適當溫度，使鍍(du)(du)層和基層之間形(xing)成(cheng)薄的擴散(san)層，以增(zeng)大結合力。
蒸(zheng)(zheng)發(fa)用熱(re)源(yuan)主(zhu)要分(fen)三類：電阻加(jia)(jia)熱(re)源(yuan)、電子束加(jia)(jia)熱(re)源(yuan)和高頻感應加(jia)(jia)熱(re)源(yuan)。最近還采用了激(ji)光蒸(zheng)(zheng)鍍法和離子蒸(zheng)(zheng)鍍法。
蒸鍍過程：
a. 首先(xian)對真空裝置(zhi)及被鍍零件進行(xing)處理，去掉(diao)污(wu)物、灰塵和油漬等。
b. 把(ba)清洗過的(de)零(ling)件裝入(ru)鍍槽的(de)支架(jia)上。
c. 補足蒸發物質(zhi)。
d. 抽(chou)真空(kong)，先用(yong)回轉泵抽(chou)至(zhi)13.3Pa，再用(yong)擴散泵抽(chou)至(zhi)133×10-6Pa。
e. 在高真空下對(dui)零件(jian)加熱(re)，目(mu)的是去除(chu)水分（150℃）和增加結合力(300~400℃)。
f. 對蒸鍍(du)通電加熱，達到(dao)厚度后(hou)停(ting)電。
g. 停鍍后，需在(zai)真空條件下放置15～30min，使之冷(leng)卻到100℃左右。
h. 關閉真(zhen)空閥，導(dao)入空氣，取出模具。
二(er)、陰極濺(jian)射
陰(yin)極濺射即(ji)用荷能(neng)粒(li)子轟擊(ji)某一靶材(cai)（陰(yin)極），使靶材(cai)表(biao)(biao)面(mian)的原子以一定能(neng)量逸出(chu)，然后(hou)在表(biao)(biao)面(mian)沉積的過程(cheng)。
濺射過程：用沉(chen)積的材料（如TiC）作(zuo)陰極靶(ba)，并(bing)接(jie)入(ru)1～3kV的直(zhi)流負高(gao)壓(ya)，
在真空室內通入(ru)壓力為0.133～13.3Pa的(de)(de)(de)(de)氬氣（作(zuo)(zuo)為工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)氣體）。在電場的(de)(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)下，氬氣電離(li)后產生的(de)(de)(de)(de)氬離(li)子(zi)轟擊陰極(ji)靶面，濺(jian)(jian)射(she)(she)出的(de)(de)(de)(de)靶材原子(zi)或(huo)分子(zi)以一定(ding)的(de)(de)(de)(de)速度(du)落在工(gong)(gong)件表面產生沉積(ji)，并(bing)使工(gong)(gong)件受熱(re)。濺(jian)(jian)射(she)(she)時(shi)工(gong)(gong)件的(de)(de)(de)(de)溫度(du)可達500℃左(zuo)右(you)。圖(tu)3-15是陰極(ji)濺(jian)(jian)射(she)(she)系統簡圖(tu)。
當接通高壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)時，陰(yin)(yin)極發(fa)出(chu)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)場的(de)作用下(xia)會跑向陽(yang)極，速(su)度在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)場中不斷增(zeng)加。剛(gang)離(li)開(kai)陰(yin)(yin)極的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)能(neng)量(liang)(liang)很低(di)，不足以(yi)引起氣(qi)(qi)體原(yuan)子(zi)(zi)的(de)變(bian)化，所以(yi)附近為(wei)暗(an)區(qu)(qu)。在(zai)稍遠(yuan)的(de)位置，當電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)能(neng)力足以(yi)使氣(qi)(qi)體原(yuan)子(zi)(zi)激(ji)發(fa)時就產生輝(hui)光(guang)(guang)，形成(cheng)陰(yin)(yin)極輝(hui)光(guang)(guang)區(qu)(qu)。越過這一區(qu)(qu)域，電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)能(neng)量(liang)(liang)進一步增(zeng)加，就會引起氣(qi)(qi)體原(yuan)子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)離(li)，從而產生大量(liang)(liang)的(de)離(li)子(zi)(zi)與(yu)低(di)速(su)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)。此過程不發(fa)光(guang)(guang)，這一區(qu)(qu)域為(wei)陰(yin)(yin)極暗(an)區(qu)(qu)。低(di)速(su)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)在(zai)此后向陽(yang)極的(de)運動(dong)過程中，也(ye)會被加速(su)激(ji)發(fa)氣(qi)(qi)體原(yuan)子(zi)(zi)而發(fa)光(guang)(guang)，形成(cheng)負輝(hui)光(guang)(guang)區(qu)(qu)。在(zai)負輝(hui)光(guang)(guang)區(qu)(qu)和(he)陽(yang)極之(zhi)間，還有幾個陰(yin)(yin)暗(an)相同(tong)的(de)區(qu)(qu)域，但它們與(yu)濺射離(li)子(zi)(zi)產生的(de)關系(xi)不大，只起導電(dian)(dian)(dian)(dian)作用。
濺(jian)(jian)射(she)下來(lai)的(de)材料原子具有(you)10～35eV的(de)功能，比蒸(zheng)鍍時的(de)原子動能大(da)得多，因而濺(jian)(jian)射(she)膜的(de)結(jie)合力也(ye)比蒸(zheng)鍍膜大(da)。
濺射性能(neng)取(qu)決(jue)于(yu)所用(yong)的氣體、離子的能(neng)量及轟擊所用(yong)的材(cai)料等。離子轟擊所產生(sheng)的投射作用(yong)可用(yong)于(yu)任(ren)何(he)類型(xing)的材(cai)料，難熔材(cai)料W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能(neng)像低熔點材(cai)料一樣(yang)容(rong)易被(bei)沉(chen)積。濺射出(chu)的合(he)金(jin)組成(cheng)常(chang)常(chang)與靶的成(cheng)分相當。
濺射(she)的(de)工藝很(hen)多(duo)，如果按電極(ji)的(de)構造及其配置方法進行分類，具有(you)代表性的(de)有(you)：二極(ji)濺射(she)、三極(ji)濺射(she)、磁控(kong)(kong)濺射(she)、對置濺射(she)、離子(zi)束濺射(she)和吸收濺射(she)等。常用的(de)是磁控(kong)(kong)濺射(she)，目前(qian)已(yi)開發了多(duo)種磁控(kong)(kong)濺射(she)裝(zhuang)置。
常用的(de)(de)磁控高速濺(jian)射方(fang)法的(de)(de)工作原(yuan)理(li)為(wei)：用氬氣(qi)作為(wei)工作氣(qi)體，充氬氣(qi)后反應(ying)室內的(de)(de)壓(ya)力為(wei)2.6～1.3Pa，以(yi)欲沉積的(de)(de)金(jin)屬(shu)和化(hua)合(he)物為(wei)靶（如(ru)Ti、TiC、TiN），在靶附近設置與(yu)靶平面平行的(de)(de)磁場，另在靶和工件(jian)(jian)之(zhi)間設置陽極(ji)以(yi)防工件(jian)(jian)過熱。磁場導致靶附近等離子密度(du)（即金(jin)屬(shu)離化(hua)率）提高，從而提高濺(jian)射與(yu)沉積速率。
磁控濺射效率高，成膜速度快(kuai)（可達2μm／min），而且(qie)基板(ban)溫度低。因此(ci)，此(ci)法適應(ying)性廣(guang)，可沉積純金(jin)屬(shu)、合(he)(he)金(jin)或化合(he)(he)物。例如以鈦為靶，引入氮或碳氫(qing)化合(he)(he)物氣體可分別(bie)沉積TiN、TiC等。
三、離(li)子鍍
近年來(lai)研究開發的(de)(de)離子(zi)鍍在零(ling)件表(biao)面強化方面獲(huo)得應用，效果較(jiao)顯著。所謂離子(zi)鍍是蒸(zheng)鍍和(he)濺射鍍相結合(he)(he)的(de)(de)技(ji)術。它既保(bao)留了CVD的(de)(de)本質，又具(ju)有(you)PVD的(de)(de)優(you)點。離子(zi)鍍零(ling)件具(ju)有(you)結合(he)(he)力(li)強、均鍍能力(li)好、被鍍基體材料和(he)鍍層(ceng)材料可(ke)以廣泛(fan)搭配(pei)等優(you)點，因(yin)此(ci)獲(huo)得較(jiao)廣泛(fan)的(de)(de)應用。圖(tu)(tu)3-16是離子(zi)鍍系統示意(yi)圖(tu)(tu)。
離(li)(li)子(zi)鍍的(de)(de)基本(ben)原(yuan)理(li)是借助于(yu)一種(zhong)惰性氣(qi)體的(de)(de)輝光(guang)放電(dian)使(shi)金屬或合金蒸氣(qi)離(li)(li)子(zi)化(hua)。離(li)(li)子(zi)經(jing)電(dian)場(chang)加速而(er)(er)沉(chen)(chen)積(ji)(ji)在(zai)(zai)帶負電(dian)荷的(de)(de)基體上。惰性氣(qi)體一般采(cai)用氬(ya)氣(qi)，壓力為0.133～1.33Pa，兩極電(dian)壓在(zai)(zai)500～2000V之間(jian)。離(li)(li)子(zi)鍍包括鍍膜材(cai)料(liao)（如TiC、TiN）的(de)(de)受熱、蒸發、沉(chen)(chen)積(ji)(ji)過(guo)程。蒸發的(de)(de)鍍膜材(cai)料(liao)原(yuan)子(zi)在(zai)(zai)經(jing)過(guo)輝光(guang)區時，一小部分發生(sheng)電(dian)離(li)(li)，并在(zai)(zai)電(dian)場(chang)的(de)(de)作用下飛(fei)向工(gong)件(jian)，以(yi)幾(ji)千電(dian)子(zi)伏的(de)(de)能量射(she)到工(gong)件(jian)表面，可以(yi)打入基體約幾(ji)納米的(de)(de)深度，從(cong)而(er)(er)大大提高了鍍層的(de)(de)結(jie)合力。而(er)(er)未經(jing)電(dian)離(li)(li)的(de)(de)蒸發材(cai)料(liao)原(yuan)子(zi)直(zhi)接(jie)在(zai)(zai)工(gong)件(jian)上沉(chen)(chen)積(ji)(ji)成膜。惰性氣(qi)體離(li)(li)子(zi)與鍍膜材(cai)料(liao)離(li)(li)子(zi)在(zai)(zai)基板(ban)表面上發生(sheng)的(de)(de)濺射(she)還可以(yi)清除工(gong)件(jian)表面的(de)(de)污染物，從(cong)而(er)(er)改善(shan)結(jie)合力。
如果提高(gao)金屬蒸(zheng)氣原子(zi)的(de)離(li)子(zi)化程度(du)，可以增(zeng)加(jia)(jia)鍍層的(de)結合力，為此發展了一系列的(de)離(li)子(zi)鍍設備(bei)和(he)方(fang)法(fa)，如高(gao)頻離(li)子(zi)鍍、空心陰極(ji)放電離(li)子(zi)鍍、熱(re)陰極(ji)離(li)子(zi)鍍、感應(ying)加(jia)(jia)熱(re)離(li)子(zi)鍍、活性化蒸(zheng)發離(li)子(zi)鍍及(ji)低壓等離(li)子(zi)鍍等。近(jin)年來(lai)，多弧離(li)子(zi)鍍由于設備(bei)結構簡(jian)單、操作(zuo)方(fang)便、鍍層均勻(yun)、生產率高(gao)，而受(shou)到人(ren)們的(de)重視。其工(gong)作(zuo)原理和(he)特點(dian)是(shi)：
a. 將被蒸發膜(mo)材料(liao)制(zhi)成陰極靶即弧蒸發源(yuan)，該蒸發源(yuan)為固態，可在(zai)真空內任意(yi)方位(wei)布(bu)置，也(ye)可多源(yuan)聯合(he)工作，有利大(da)件鍍膜(mo)。
b. 弧蒸(zheng)發(fa)源接電(dian)源負(fu)極，真空室外殼接正極，調整工作電(dian)流，靶材表面(mian)進行弧光放電(dian)，同時蒸(zheng)發(fa)出大量陰(yin)極金屬(shu)蒸(zheng)氣(qi)，其中部(bu)分(fen)發(fa)生電(dian)離(li)并在基(ji)(ji)(ji)板負(fu)偏壓的吸引下(xia)轟擊工件(jian)表面(mian)，從而起到潔(jie)凈工件(jian)表面(mian)的作用和使工件(jian)的溫度升高達到沉積所需(xu)溫度。此后，逐漸降低(di)基(ji)(ji)(ji)板負(fu)壓氣(qi)化(hua)了的靶粒子(zi)飛(fei)向基(ji)(ji)(ji)板形成鍍膜。如果同時通入(ru)適當流量的反應(ying)氣(qi)體，即可(ke)在工件(jian)表面(mian)沉積得到化(hua)合物膜層。從以上鍍膜過程看，弧蒸(zheng)發(fa)源既是蒸(zheng)發(fa)器又是離(li)化(hua)源，無(wu)(wu)需(xu)增加輔助離(li)化(hua)源，也無(wu)(wu)需(xu)通入(ru)惰性(xing)氣(qi)體轟擊清洗工件(jian)，并且不(bu)需(xu)要(yao)烘烤裝(zhuang)置(zhi)，設備簡單、工藝(yi)穩定(ding)。
c. 多弧離(li)子鍍(du)離(li)化率高達(da)60％～90％，有利于(yu)改善膜(mo)層(ceng)(ceng)的質(zhi)量，特別適用于(yu)活性反(fan)應沉積化合物膜(mo)層(ceng)(ceng)。
d. 多(duo)弧(hu)蒸(zheng)(zheng)發源在蒸(zheng)(zheng)發陰(yin)極材料時，往往有液(ye)滴(di)沉積在工(gong)(gong)件表面，造成工(gong)(gong)件表面具有較高(gao)的表面粗糙(cao)度值(zhi)。所以減少和細(xi)化蒸(zheng)(zheng)發材料液(ye)滴(di)是當前多(duo)弧(hu)離子鍍工(gong)(gong)藝(yi)的關鍵(jian)問題。
離子(zi)鍍除了(le)具(ju)有鍍層(ceng)結合力強(qiang)的特點之外，還具(ju)有如下優點：離子(zi)繞射(she)性(xing)(xing)(xing)強(qiang)，沒有明顯的方向(xiang)性(xing)(xing)(xing)沉積，工件的各個表面都能鍍上；鍍層(ceng)均勻性(xing)(xing)(xing)好，并且具(ju)有較(jiao)高(gao)的致(zhi)密(mi)度和細的晶粒度，即使經鏡面研磨過(guo)的工件，進行離子(zi)鍍后，表面依然光潔致(zhi)密(mi)，無需再作研磨。
總(zong)之，采用(yong)(yong)PVD技術可以(yi)在(zai)各(ge)種(zhong)(zhong)材料上沉積致密、光滑、高(gao)精度的(de)化合物（如(ru)TiC、TiN）鍍(du)層(ceng)，所(suo)以(yi)十分適(shi)合模具(ju)的(de)表(biao)面(mian)熱處(chu)(chu)理(li)(li)。目前(qian)，應(ying)(ying)用(yong)(yong)PVD法(fa)(fa)(fa)沉積TiC、TiN等鍍(du)層(ceng)已在(zai)生產中獲得應(ying)(ying)用(yong)(yong)。例如(ru)Cr12MoV鋼制(zhi)油開關精制(zhi)沖模，經PVD法(fa)(fa)(fa)沉積后，表(biao)面(mian)硬度為(wei)2500～3000HV，摩擦(ca)因數(shu)減(jian)小，抗(kang)粘(zhan)著和抗(kang)咬合性改(gai)善，模具(ju)原使(shi)用(yong)(yong)1～3萬(wan)次即要刃磨，經PVD法(fa)(fa)(fa)處(chu)(chu)理(li)(li)后，使(shi)用(yong)(yong)10萬(wan)次不需刃磨，尺寸無變化，仍可使(shi)用(yong)(yong)；用(yong)(yong)于沖壓和擠壓粘(zhan)性材料的(de)冷作模具(ju)，采用(yong)(yong)PVD法(fa)(fa)(fa)處(chu)(chu)理(li)(li)后，其使(shi)用(yong)(yong)壽命大為(wei)提高(gao)，從發展(zhan)趨(qu)勢(shi)來看，PVD法(fa)(fa)(fa)將(jiang)成(cheng)為(wei)模具(ju)表(biao)面(mian)處(chu)(chu)理(li)(li)的(de)主(zhu)要技術方法(fa)(fa)(fa)之一。表(biao)3-40列出了(le)三種(zhong)(zhong)PVD法(fa)(fa)(fa)與CVD法(fa)(fa)(fa)的(de)特性比較(jiao)，供選用(yong)(yong)時參考(kao)。
目前應(ying)用PVD法沉積TiC、TiN等鍍層已在生產(chan)中得到推(tui)廣(guang)應(ying)用，同(tong)時在TiN基(ji)礎上(shang)發展起來的多元膜(mo)，如(ru)（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等，性能優于TiN，是(shi)一種(zhong)更有前途的新(xin)型薄膜(mo)。
