气相沉积在实际应用中的作用

气相沉积膜附着力强，厚度均匀，质量好，沉积速率快，选材广，环境污染轻，它能制备耐磨膜、润滑膜、耐蚀膜、耐热膜、装饰膜以及磁性膜、光学膜、超导膜等功能膜。因而近年来发展相当迅速，已经应用到机械、电子、电器、通讯、光学、航空航天、化工、轻纺及食品等各行业。表5-41为气相沉积的典型应用。

表5-41 气相沉积的典型应用

（续）

1.超硬耐磨涂层的应用

PVD超硬耐磨涂层的特点之一是沉积温度低于600℃，它可在工具钢和模具钢的高温回火温度以下进行表面处理，故变形小，最适合尺寸形状精密的机械零件；可不改变传统的制造工艺，仅仅在最终加工后进行一次处理。处理温度一旦低于360℃，沉积层性能将恶化，故不能用于低温回火材料。决定是否在工模具表面采用PVD处理工艺，应考虑到工模具的形状及基体材料的表面状况。表5-42列出了适用于PVD方法处理材料的钢种，表5-43为常用超硬化合物的性能。

表5-42 适用于PVD方法处理材料的钢种

表5-43 常用超硬化合物的性能

气相沉积超高硬度的膜使工模具使用寿命大幅度提高，它广泛应用于机械制造业。碳化钛（TiC）硬度高达3500HV左右，但热膨胀系数小，韧性差，与钢材差异大，且热稳定性差，耐热及抗氧化性不好，主要应用磨损件。渗氮钛（TiN）硬度在2400HV左右，外观呈金黄色便于直观检查，与大多数钢材的摩擦系数小，与钢材线膨胀系数差异小，有利于与基体间的结合，从性能实验结果可知，TiN涂层的硬度、耐磨性、抗蚀性与常规的离子渗氮层相比，均成倍地提高，这与TiN涂层的超细晶粒、位错、孪晶亚结构的强化作用有密切的联系。TiN层与基体之间的Fe₂N层的存在，对极薄的TiN表层起到了支撑作用。即使用于普通钢、铸铁等耐回火性较低的材料，同样显示了TiN涂层在性能上的优越性。调节碳、渗氮钛Ti（C、N）中的C/N比例，可以发挥TiC硬度高、TiN韧性好的各自优点，硬度在2000～3200HV之间，得到最佳性能组合。图5-47为两种处理方法的高速工具钢绞刀寿命对比。硬质合金刀片表面沉积Al₂O₃，热稳定性好，高速切削时刃峰温度达1000～1500℃的状态下保持不氧化，使用寿命是沉积TiN刀片的2倍。

刀具沉积TiN在我国机床行业使用较多，沉积TiN的滚齿刀、插齿刀、钻头、扩孔钻、拉刀、铣刀、铰刀、车刀等多种刀具上都有较好的应用效果，取得明显的经济效益。

沉积TiN硬质合金刀具的应用更为普遍，特别是空心阴极离子镀等工艺沉积温度为300～600℃，得到晶粒细、压应力大、显微硬度高的沉积膜，解决CVD法在1000℃高温沉积，降低硬质合金的断裂韧性和刀刃锋利程度等问题。

图5-47 两种处理方法的高速工具钢绞刀寿命对比

沉积超硬膜也广泛应用于成型加工模具，有的使用寿命提高几倍，甚至十几倍，特别是尺寸大、形状复杂的金属成形模具经济效益更为突出。例如，用PVD方法在包括塑料模具钢制造的印制电路板模具，接插件模具，环氧树脂成型模，被青铜制造的模具，照相机用的拉伸模，电线导管压铸模，尼龙（含40%的矿物质）汽车件成型模以及制作黄铜轴衬的拉伸模、精密落料模、冲模等几类工模具面进行渗氮钛超硬薄膜覆层，效果非常明显，可提高模具的使用寿命2～20倍；Cr12MoV钢的精密模具、凸凹模、模杆和冲头，用多弧离子镀沉积3μm左右、2300HV的超硬膜，30μm左右、1000～1690HV的Ti₂N+TiN+Ti过渡层的使用寿命提高3～10倍。纺织工业中与纤维相摩擦的零件，采用沉积TiC后，其摩擦系数比镀硬铬降低一半，使用寿命延长6倍。表5-44为CVD处理方法用于工模具的效果。(www.xing528.com)

表5-44 CVD处理方法用于工模具的效果（TiC涂层）

（续）

2.减磨膜的应用

工件的耐磨性除采用超高硬度镀膜提高硬度的方法外，还可以复加降低工件表面摩擦系数的方法进一步提高工件的耐磨性。润滑膜MoS₂、W₂S、CaF₂、NbSe、BN、Au、Ag、Pb、Sn、In等润滑性能好的物质或软金属组成的膜，摩擦系数小，也称减摩膜。利用气相沉积技术可以按需要设计制备多层复合膜，将硬质膜与软金属沉积在同一表面上，如TiN/W-Se_- In-Ce、Cr₃C₂/MoS₂等复合膜都有很好的耐磨减摩作用，同时还有较高的结合强度。

MoS₂润滑膜的承载能力大，摩擦系数低，润滑性能好，应用较广。宇航设备要在超真空（10^-8Pa）、射线辐照、高低温下工作，对工件的耐磨性能和润滑性能要求极高。用蒸镀、离子镀、溅射法沉积的MoS₂润滑膜已在航天工业的各种仪器的齿轮螺丝、轴承以及滑动部件得到广泛应用。如卫星的回转仪、加速仪、中高速长寿命轴承、卫星谐波驱动设备的齿轮和轴承以及通讯卫星的侧转轴承，光学编码器驱动轴承和转靶X光机的转靶，用射频溅射70nm厚的MoS₂膜，效果良好。

离子镀软金属膜的摩擦系数一般均较小，可使工件的使用寿命延长，这与膜的晶粒尺寸和形状及界面上的合金化效应有关。近年来开发出用Al、Cr、Co、Ni、Pt、Au、Ag、Ta、W、Cu等与MoS₂的金属共沉积膜工艺方法，用90%的MoS₂加5%Au制成复合靶得到MoS_2- Au共沉积膜，摩擦系数比MoS₂膜小而且稳定，磨损率低，抗潮能力远优于单一MoS₂膜。沉积的MoS₂+Au共沉积膜的快速开关已用于同步辐射装置上。

3.耐蚀膜和抗高温氧化膜

沉积Al、Zn、Cd、Ta、Cr、Ti、Mo、Tr、Zr等金属镀膜，可使工件具有良好的耐蚀性能。如Al层可抗海水腐蚀，用离子镀铝处理碳钢，部分地代替不锈钢。碳化物覆层在盐酸、硫酸、磷酸、氯化钠以及氢氧化钠溶液中有优良的耐蚀性能，TiC层在7%的硫酸与10%盐酸混合溶液中煮沸3h没有腐蚀；NbC、Cr₇C₃覆层在盐雾实验中比镀铬好；在高温氯气中Cr₇C₃比不锈钢的耐蚀性好。在不锈钢表面沉积Al₂O₃，可以提高基体在980℃的煤气混合物中抗热循环和抗蚀能力，沉积TiN层可以使其具备抗700～750℃熔铝的浸蚀能力；沉积W、Ir覆层，使得零件的抗灼热火药气氛侵蚀效果非常明显。离子镀20～30_μmAl沉积膜，经2100h的5%盐水喷雾试验，没发生腐蚀破坏，比镀镉的耐蚀性好。钼表面沉积渗氮硅以及沉积W-Al₂O₃混合层，其抗氧化性能显著提高，如图5-48所示，在耐热合金JC6K上沉积几种多元合金，其抗氧化性能的比较如图5-49所示。

图5-48 钼镀膜前后的氧化失重与温度的关系

1—未镀 2—镀渗氮硅 3—钨与氧化铝复合镀

图5-49 JC6K高温合金与镀有多元合金钢条的抗热性能比较（空气环境下1000℃，100h）

MCrAlY（M=Ni、Co或Fe）是典型的高温涂层合金。用PVD沉积CoCrAlY膜使其耐蚀性得到明显的改善。采用电子束离子镀和多弧离子镀CoCrAlY沉积膜的二级蜗轮工作导向叶片和蜗轮叶片，在焦化电厂和石化电厂使用效果良好。在MCrAlY涂层上再沉积Pt可使叶片的耐蚀性进一步提高，寿命进一步延长。此外，溅射的ZrO₂+Y与金属Ni-50Cr的交替多层沉积膜，用作燃气轮的防护膜，金属可使ZrO₂涂层不易剥落，克服了其韧性差的缺陷，充分发挥耐蚀热阻大的优良作用。