由(you)于CVD法處理溫(wen)度太高，零件基體(ti)需承受相當高的沉積溫(wen)度，易(yi)產生變形和基體(ti)組織變化，導致其力(li)學性能降低(di)，需在(zai)CVD沉積后進行熱處理，增大了生產成(cheng)本(ben)，因此在(zai)應(ying)用上受到一定的限制。
PVD以各種物(wu)理方法(fa)產生(sheng)的原子或分子沉積(ji)(ji)在基材(cai)上形成外加(jia)覆蓋(gai)層，工件沉積(ji)(ji)溫(wen)度一般不(bu)超過600℃。不(bu)銹鋼沉積(ji)(ji)后通常都(dou)無需進行熱(re)處理，因(yin)而其應用比(bi)化(hua)學(xue)氣相沉積(ji)(ji)廣。
物(wu)理氣(qi)相(xiang)(xiang)沉(chen)積可(ke)分為(wei)真空蒸鍍、陰(yin)極(ji)濺射和離子鍍三類(lei)。與(yu)CVD法相(xiang)(xiang)比，PVD的(de)主要優(you)點是處理溫度較(jiao)(jiao)(jiao)低、沉(chen)積速度較(jiao)(jiao)(jiao)快、無公害(hai)等，因而有很高的(de)實用價值；其不足之處是沉(chen)積層與(yu)工件的(de)結(jie)合(he)力較(jiao)(jiao)(jiao)小，鍍層的(de)均(jun)勻性稍差(cha)。此外，它(ta)的(de)設備造價高，操作(zuo)、維護的(de)技術(shu)要求也較(jiao)(jiao)(jiao)高。
一、真空(kong)蒸鍍
在(zai)高真(zhen)空(kong)中使金(jin)屬(shu)、合金(jin)或化(hua)合物蒸發，然后凝聚在(zai)基體表面的(de)方(fang)法叫作真(zhen)空(kong)蒸鍍。真(zhen)空(kong)蒸鍍裝置見(jian)圖3-14。
被沉(chen)(chen)積的材料（如TiC）置于裝有加(jia)熱系統的坩(gan)堝中，被鍍基體(ti)置于蒸(zheng)發源前面。當(dang)真空度達到0.13Pa時，加(jia)熱坩(gan)堝使材料蒸(zheng)發，所產(chan)生的蒸(zheng)氣以(yi)凝集的形式沉(chen)(chen)積在(zai)物體(ti)上形成(cheng)涂層。
基板(ban)(ban)入槽(cao)前要進行充分的清洗，在(zai)蒸(zheng)鍍(du)(du)時(shi)，一(yi)般在(zai)基板(ban)(ban)背面設置一(yi)個加熱器(qi)，使基板(ban)(ban)保持(chi)適當溫(wen)度，使鍍(du)(du)層(ceng)和基層(ceng)之間(jian)形成薄的擴散(san)層(ceng)，以增大結(jie)合力。
蒸發用(yong)熱(re)源主要分三(san)類：電阻(zu)加(jia)熱(re)源、電子束加(jia)熱(re)源和高頻感應加(jia)熱(re)源。最近還采用(yong)了激光蒸鍍法和離子蒸鍍法。
蒸鍍過程：
a. 首先對真空裝置及(ji)被鍍(du)零(ling)件進行(xing)處理，去掉(diao)污(wu)物、灰塵和(he)油漬等。
b. 把清洗過的(de)零件裝入鍍槽的(de)支架上。
c. 補足蒸發物質。
d. 抽真空，先用(yong)回轉泵(beng)(beng)抽至13.3Pa，再用(yong)擴散泵(beng)(beng)抽至133×10-6Pa。
e. 在(zai)高真空下(xia)對零件加熱，目(mu)的(de)是去除水分（150℃）和增加結合力(300~400℃)。
f. 對蒸鍍通電(dian)加熱，達到厚度后停電(dian)。
g. 停鍍后，需(xu)在真(zhen)空條件(jian)下放置15～30min，使之冷卻到100℃左右(you)。
h. 關(guan)閉真空閥，導入空氣，取出(chu)模具(ju)。
二(er)、陰極濺射
陰極(ji)濺射即(ji)用(yong)荷能粒子轟(hong)擊某一(yi)靶材（陰極(ji)），使靶材表面的(de)原(yuan)子以一(yi)定能量(liang)逸出(chu)，然后(hou)在表面沉積的(de)過程。
濺射過程(cheng)：用沉積的材(cai)料（如TiC）作陰極(ji)靶，并接入1～3kV的直流負高(gao)壓，
在真空室(shi)內通入(ru)壓力為0.133～13.3Pa的(de)(de)氬(ya)氣（作(zuo)為工作(zuo)氣體(ti)）。在電(dian)場(chang)的(de)(de)作(zuo)用(yong)下，氬(ya)氣電(dian)離后產生的(de)(de)氬(ya)離子轟擊(ji)陰(yin)極靶面，濺射出(chu)的(de)(de)靶材(cai)原子或分子以一定的(de)(de)速(su)度落在工件(jian)(jian)表面產生沉(chen)積(ji)，并(bing)使工件(jian)(jian)受熱。濺射時(shi)工件(jian)(jian)的(de)(de)溫度可達500℃左右。圖3-15是陰(yin)極濺射系統簡圖。
當(dang)接(jie)通高壓電(dian)(dian)源時，陰(yin)(yin)極(ji)(ji)(ji)發出的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)在電(dian)(dian)場的(de)作用下會跑(pao)向(xiang)(xiang)陽極(ji)(ji)(ji)，速度(du)在電(dian)(dian)場中不(bu)斷增加(jia)(jia)。剛離(li)開陰(yin)(yin)極(ji)(ji)(ji)的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)能(neng)量(liang)很低，不(bu)足以引起(qi)氣(qi)體(ti)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)變化，所以附近為(wei)暗(an)(an)(an)區。在稍(shao)遠的(de)位(wei)置(zhi)，當(dang)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)能(neng)力(li)足以使(shi)氣(qi)體(ti)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)激發時就產(chan)生輝光，形成(cheng)陰(yin)(yin)極(ji)(ji)(ji)輝光區。越過這一(yi)區域(yu)，電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)能(neng)量(liang)進一(yi)步增加(jia)(jia)，就會引起(qi)氣(qi)體(ti)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)電(dian)(dian)離(li)，從而產(chan)生大量(liang)的(de)離(li)子(zi)(zi)(zi)與低速電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)。此過程(cheng)不(bu)發光，這一(yi)區域(yu)為(wei)陰(yin)(yin)極(ji)(ji)(ji)暗(an)(an)(an)區。低速電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)在此后向(xiang)(xiang)陽極(ji)(ji)(ji)的(de)運動過程(cheng)中，也(ye)會被(bei)加(jia)(jia)速激發氣(qi)體(ti)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)而發光，形成(cheng)負(fu)(fu)輝光區。在負(fu)(fu)輝光區和陽極(ji)(ji)(ji)之間，還有(you)幾(ji)個陰(yin)(yin)暗(an)(an)(an)相同的(de)區域(yu)，但它們與濺射離(li)子(zi)(zi)(zi)產(chan)生的(de)關系不(bu)大，只起(qi)導電(dian)(dian)作用。
濺射下來的材料原子具有(you)10～35eV的功能，比蒸(zheng)鍍(du)時的原子動能大得多，因而濺射膜的結合力(li)也比蒸(zheng)鍍(du)膜大。
濺射(she)性(xing)能(neng)取(qu)決(jue)于所(suo)用(yong)(yong)(yong)的(de)氣體、離(li)(li)子的(de)能(neng)量及轟擊所(suo)用(yong)(yong)(yong)的(de)材料(liao)(liao)等。離(li)(li)子轟擊所(suo)產生的(de)投射(she)作用(yong)(yong)(yong)可用(yong)(yong)(yong)于任何(he)類型的(de)材料(liao)(liao)，難熔(rong)材料(liao)(liao)W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能(neng)像低(di)熔(rong)點材料(liao)(liao)一樣容易(yi)被沉積。濺射(she)出(chu)的(de)合金組成(cheng)常常與(yu)靶的(de)成(cheng)分相當。
濺(jian)(jian)(jian)射(she)的工藝很(hen)多(duo)(duo)，如果按電極的構(gou)造及其(qi)配(pei)置(zhi)方法(fa)進(jin)行(xing)分(fen)類(lei)，具有(you)(you)代表性的有(you)(you)：二極濺(jian)(jian)(jian)射(she)、三極濺(jian)(jian)(jian)射(she)、磁控濺(jian)(jian)(jian)射(she)、對置(zhi)濺(jian)(jian)(jian)射(she)、離(li)子束濺(jian)(jian)(jian)射(she)和吸收濺(jian)(jian)(jian)射(she)等。常用的是磁控濺(jian)(jian)(jian)射(she)，目前已開發(fa)了多(duo)(duo)種磁控濺(jian)(jian)(jian)射(she)裝置(zhi)。
常用的磁控高(gao)速(su)濺(jian)射(she)方法(fa)的工(gong)作原理(li)為(wei)：用氬(ya)氣作為(wei)工(gong)作氣體，充氬(ya)氣后反(fan)應室內的壓力為(wei)2.6～1.3Pa，以(yi)欲沉積的金屬(shu)和化合物(wu)為(wei)靶(ba)（如Ti、TiC、TiN），在靶(ba)附近(jin)設(she)置(zhi)與(yu)靶(ba)平面(mian)平行的磁場，另在靶(ba)和工(gong)件之間(jian)設(she)置(zhi)陽極(ji)以(yi)防工(gong)件過熱(re)。磁場導致靶(ba)附近(jin)等離(li)子密(mi)度(du)（即金屬(shu)離(li)化率）提(ti)高(gao)，從而提(ti)高(gao)濺(jian)射(she)與(yu)沉積速(su)率。
磁控濺射效(xiao)率高，成膜速度快（可達2μm／min），而(er)且基(ji)板溫(wen)度低。因(yin)此，此法適應性廣(guang)，可沉積(ji)純金屬、合金或(huo)(huo)化(hua)合物(wu)。例(li)如以鈦(tai)為(wei)靶(ba)，引入氮或(huo)(huo)碳氫化(hua)合物(wu)氣體可分別沉積(ji)TiN、TiC等。
三、離(li)子鍍
近(jin)年來(lai)研(yan)究開發的(de)離子鍍(du)在零件表面(mian)強化方面(mian)獲得(de)應(ying)用，效果較顯(xian)著。所謂(wei)離子鍍(du)是蒸鍍(du)和(he)濺射鍍(du)相結合(he)的(de)技術。它既保(bao)留(liu)了CVD的(de)本質，又具有(you)PVD的(de)優點。離子鍍(du)零件具有(you)結合(he)力強、均鍍(du)能力好、被鍍(du)基體材料和(he)鍍(du)層材料可以廣(guang)(guang)泛(fan)搭配等優點，因(yin)此獲得(de)較廣(guang)(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用。圖3-16是離子鍍(du)系統示意圖。
離(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)基(ji)本原理是(shi)借助于一種惰(duo)性(xing)氣(qi)體(ti)的(de)(de)(de)(de)輝(hui)光放電(dian)(dian)(dian)使(shi)金屬或合金蒸(zheng)(zheng)氣(qi)離(li)子(zi)(zi)(zi)化。離(li)子(zi)(zi)(zi)經電(dian)(dian)(dian)場加速而(er)沉積在(zai)(zai)帶(dai)負(fu)電(dian)(dian)(dian)荷的(de)(de)(de)(de)基(ji)體(ti)上。惰(duo)性(xing)氣(qi)體(ti)一般(ban)采用(yong)氬氣(qi)，壓(ya)力為(wei)0.133～1.33Pa，兩(liang)極電(dian)(dian)(dian)壓(ya)在(zai)(zai)500～2000V之間。離(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)包括(kuo)鍍(du)(du)(du)膜(mo)材(cai)料(liao)（如(ru)TiC、TiN）的(de)(de)(de)(de)受熱(re)、蒸(zheng)(zheng)發、沉積過(guo)程。蒸(zheng)(zheng)發的(de)(de)(de)(de)鍍(du)(du)(du)膜(mo)材(cai)料(liao)原子(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)經過(guo)輝(hui)光區時，一小部分(fen)發生電(dian)(dian)(dian)離(li)，并在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)場的(de)(de)(de)(de)作用(yong)下飛向工(gong)件，以幾千(qian)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)伏的(de)(de)(de)(de)能量射到(dao)工(gong)件表(biao)(biao)面(mian)，可以打(da)入基(ji)體(ti)約幾納米的(de)(de)(de)(de)深度，從(cong)(cong)而(er)大大提(ti)高(gao)了鍍(du)(du)(du)層的(de)(de)(de)(de)結合力。而(er)未經電(dian)(dian)(dian)離(li)的(de)(de)(de)(de)蒸(zheng)(zheng)發材(cai)料(liao)原子(zi)(zi)(zi)直接在(zai)(zai)工(gong)件上沉積成膜(mo)。惰(duo)性(xing)氣(qi)體(ti)離(li)子(zi)(zi)(zi)與鍍(du)(du)(du)膜(mo)材(cai)料(liao)離(li)子(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)基(ji)板表(biao)(biao)面(mian)上發生的(de)(de)(de)(de)濺射還(huan)可以清(qing)除(chu)工(gong)件表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)污染物(wu)，從(cong)(cong)而(er)改善結合力。
如(ru)(ru)果(guo)提高(gao)金屬蒸(zheng)氣原子(zi)的(de)(de)離(li)子(zi)化(hua)程度，可以增加鍍(du)(du)(du)(du)(du)層的(de)(de)結(jie)(jie)合力，為此(ci)發(fa)展了(le)一(yi)系(xi)列的(de)(de)離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)(du)(du)設備和方(fang)法，如(ru)(ru)高(gao)頻離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)(du)(du)、空心陰極放電離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)(du)(du)、熱陰極離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)(du)(du)、感應加熱離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)(du)(du)、活性化(hua)蒸(zheng)發(fa)離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)(du)(du)及(ji)低壓等(deng)離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)(du)(du)等(deng)。近年來，多(duo)弧(hu)離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)(du)(du)由于設備結(jie)(jie)構簡單、操作方(fang)便、鍍(du)(du)(du)(du)(du)層均勻、生產(chan)率高(gao)，而受到(dao)人們(men)的(de)(de)重視(shi)。其工作原理和特點是：
a. 將被蒸(zheng)發膜材料(liao)制成陰(yin)極靶即(ji)弧蒸(zheng)發源，該(gai)蒸(zheng)發源為固態(tai)，可在真空內任意(yi)方位(wei)布置，也(ye)可多源聯合(he)工作，有利大件鍍膜。
b. 弧(hu)蒸發源(yuan)(yuan)接電源(yuan)(yuan)負極(ji)，真(zhen)空室外(wai)殼(ke)接正極(ji)，調整工(gong)(gong)作(zuo)(zuo)電流(liu)，靶(ba)材表面進行弧(hu)光放(fang)電，同時蒸發出大量(liang)(liang)陰極(ji)金屬蒸氣，其中部分發生電離(li)并(bing)在(zai)基(ji)板負偏壓(ya)的吸(xi)引下轟擊工(gong)(gong)件(jian)(jian)表面，從(cong)(cong)而起到(dao)潔凈工(gong)(gong)件(jian)(jian)表面的作(zuo)(zuo)用和使工(gong)(gong)件(jian)(jian)的溫度(du)升高達到(dao)沉積所需(xu)(xu)溫度(du)。此后，逐漸降低(di)基(ji)板負壓(ya)氣化了的靶(ba)粒(li)子飛(fei)向基(ji)板形成鍍膜(mo)。如(ru)果同時通(tong)入適當流(liu)量(liang)(liang)的反應氣體(ti)，即可(ke)在(zai)工(gong)(gong)件(jian)(jian)表面沉積得到(dao)化合物膜(mo)層。從(cong)(cong)以上鍍膜(mo)過程看，弧(hu)蒸發源(yuan)(yuan)既是蒸發器(qi)又是離(li)化源(yuan)(yuan)，無(wu)需(xu)(xu)增加輔助離(li)化源(yuan)(yuan)，也無(wu)需(xu)(xu)通(tong)入惰性氣體(ti)轟擊清洗工(gong)(gong)件(jian)(jian)，并(bing)且不需(xu)(xu)要烘烤裝置(zhi)，設備(bei)簡單(dan)、工(gong)(gong)藝穩定。
c. 多弧離子鍍離化率高達(da)60％～90％，有利于(yu)改善膜(mo)層的質(zhi)量(liang)，特別適用于(yu)活(huo)性反應(ying)沉積化合物膜(mo)層。
d. 多(duo)弧蒸(zheng)(zheng)發(fa)源在蒸(zheng)(zheng)發(fa)陰極材(cai)料時(shi)，往(wang)往(wang)有液(ye)滴沉積在工(gong)件表面(mian)，造成工(gong)件表面(mian)具有較(jiao)高的表面(mian)粗糙度(du)值。所以(yi)減少和細化蒸(zheng)(zheng)發(fa)材(cai)料液(ye)滴是(shi)當前多(duo)弧離子鍍工(gong)藝的關(guan)鍵(jian)問題。
離子鍍除了具有鍍層(ceng)結(jie)合力(li)強的(de)(de)(de)(de)特點(dian)之外，還具有如(ru)下優點(dian)：離子繞(rao)射性強，沒有明顯的(de)(de)(de)(de)方向性沉積，工件(jian)的(de)(de)(de)(de)各個表(biao)面(mian)都能鍍上；鍍層(ceng)均(jun)勻性好，并且具有較高的(de)(de)(de)(de)致密度和細(xi)的(de)(de)(de)(de)晶粒(li)度，即使(shi)經鏡面(mian)研磨(mo)過的(de)(de)(de)(de)工件(jian)，進行離子鍍后，表(biao)面(mian)依(yi)然光潔致密，無(wu)需再作研磨(mo)。
總之(zhi)，采(cai)用(yong)PVD技(ji)術(shu)可以在各(ge)種(zhong)材(cai)料(liao)上沉(chen)積致(zhi)密、光滑、高精度的化(hua)合物（如TiC、TiN）鍍層，所以十分適合模(mo)(mo)(mo)具(ju)的表面(mian)熱(re)處(chu)理(li)。目前，應用(yong)PVD法(fa)(fa)(fa)(fa)沉(chen)積TiC、TiN等鍍層已在生產中獲(huo)得應用(yong)。例(li)如Cr12MoV鋼制油開(kai)關精制沖模(mo)(mo)(mo)，經PVD法(fa)(fa)(fa)(fa)沉(chen)積后(hou)，表面(mian)硬度為(wei)2500～3000HV，摩(mo)擦因數減小，抗粘著和抗咬(yao)合性(xing)改善(shan)，模(mo)(mo)(mo)具(ju)原使(shi)用(yong)1～3萬(wan)次(ci)即要刃(ren)磨，經PVD法(fa)(fa)(fa)(fa)處(chu)理(li)后(hou)，使(shi)用(yong)10萬(wan)次(ci)不需刃(ren)磨，尺寸無(wu)變化(hua)，仍可使(shi)用(yong)；用(yong)于沖壓(ya)(ya)和擠壓(ya)(ya)粘性(xing)材(cai)料(liao)的冷作模(mo)(mo)(mo)具(ju)，采(cai)用(yong)PVD法(fa)(fa)(fa)(fa)處(chu)理(li)后(hou)，其使(shi)用(yong)壽命大為(wei)提高，從發展趨勢來看，PVD法(fa)(fa)(fa)(fa)將成為(wei)模(mo)(mo)(mo)具(ju)表面(mian)處(chu)理(li)的主(zhu)要技(ji)術(shu)方法(fa)(fa)(fa)(fa)之(zhi)一。表3-40列出了三種(zhong)PVD法(fa)(fa)(fa)(fa)與CVD法(fa)(fa)(fa)(fa)的特性(xing)比較(jiao)，供選用(yong)時參考。
目前(qian)(qian)應用(yong)PVD法沉積(ji)TiC、TiN等鍍(du)層已(yi)在生產中得(de)到推廣應用(yong)，同時在TiN基礎上發展起來的多元膜(mo)，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等，性能(neng)優于TiN，是一種更有(you)前(qian)(qian)途的新型薄膜(mo)。
