由于(yu)CVD法(fa)處(chu)理溫度太高(gao)，零(ling)件基體需承受(shou)(shou)相當(dang)高(gao)的(de)沉(chen)積溫度，易產生變形和基體組織變化，導致其(qi)力學(xue)性能(neng)降低，需在CVD沉(chen)積后進(jin)行熱處(chu)理，增大了生產成本，因此在應用(yong)上受(shou)(shou)到一定的(de)限制。
PVD以各(ge)種物理(li)(li)方法產生(sheng)的原子或分子沉(chen)積在基材上形成外加(jia)覆蓋層(ceng)，工(gong)件(jian)沉(chen)積溫度一般不(bu)超(chao)過600℃。不(bu)銹鋼沉(chen)積后通(tong)常(chang)都無(wu)需進(jin)行(xing)熱處理(li)(li)，因而其(qi)應用比化學(xue)氣(qi)相(xiang)沉(chen)積廣(guang)。
物理氣相沉積(ji)(ji)可分為真(zhen)空蒸(zheng)鍍、陰極(ji)濺(jian)射和離子鍍三類。與(yu)CVD法相比，PVD的(de)主要優(you)點是(shi)處(chu)理溫度較低、沉積(ji)(ji)速(su)度較快、無公害(hai)等，因(yin)而有很高(gao)的(de)實用價(jia)值；其不足之處(chu)是(shi)沉積(ji)(ji)層與(yu)工件的(de)結合力較小，鍍層的(de)均(jun)勻(yun)性稍差。此外(wai)，它的(de)設備造價(jia)高(gao)，操作、維護的(de)技術要求也(ye)較高(gao)。
一、真空蒸鍍
在高真空中使金屬、合金或化合物蒸(zheng)發，然后凝聚(ju)在基體表面的方法叫作(zuo)真空蒸(zheng)鍍(du)。真空蒸(zheng)鍍(du)裝(zhuang)置見圖(tu)3-14。
被(bei)沉(chen)積的(de)材料（如TiC）置于裝有加熱系統的(de)坩(gan)堝中，被(bei)鍍基體置于蒸發(fa)源前面。當真空度(du)達到0.13Pa時(shi)，加熱坩(gan)堝使材料蒸發(fa)，所產生的(de)蒸氣以凝集的(de)形(xing)式沉(chen)積在(zai)物體上形(xing)成涂層。
基(ji)板(ban)入槽前要進行充分的清洗，在(zai)蒸鍍時(shi)，一(yi)般(ban)在(zai)基(ji)板(ban)背面(mian)設置一(yi)個加熱器，使基(ji)板(ban)保持(chi)適當溫度，使鍍層(ceng)和(he)基(ji)層(ceng)之間形成薄的擴散層(ceng)，以增大結(jie)合(he)力。
蒸(zheng)發(fa)用熱(re)(re)源(yuan)主要(yao)分三類：電阻加(jia)熱(re)(re)源(yuan)、電子束加(jia)熱(re)(re)源(yuan)和高(gao)頻感應加(jia)熱(re)(re)源(yuan)。最近還采用了激(ji)光蒸(zheng)鍍(du)法和離子蒸(zheng)鍍(du)法。
蒸鍍過程：
a. 首(shou)先對(dui)真空裝置及被鍍零(ling)件進(jin)行處理，去(qu)掉污物(wu)、灰塵和油漬等(deng)。
b. 把(ba)清(qing)洗(xi)過的零件裝入鍍槽的支架上(shang)。
c. 補足蒸發物質。
d. 抽真(zhen)空，先用(yong)回轉泵(beng)抽至13.3Pa，再用(yong)擴散(san)泵(beng)抽至133×10-6Pa。
e. 在(zai)高真空下對零件加熱，目的是去除水分（150℃）和增(zeng)加結合力(300~400℃)。
f. 對蒸鍍通電加熱(re)，達到厚度(du)后停電。
g. 停鍍(du)后，需(xu)在(zai)真空(kong)條件下放置15～30min，使之冷卻到100℃左右。
h. 關閉(bi)真(zhen)空閥，導入空氣，取出模具。
二、陰極濺射
陰極(ji)濺射即用荷能粒子(zi)轟(hong)擊某一(yi)靶(ba)材(cai)（陰極(ji)），使靶(ba)材(cai)表面的原(yuan)子(zi)以一(yi)定(ding)能量逸(yi)出，然后在(zai)表面沉積的過程(cheng)。
濺(jian)射過程(cheng)：用沉積的材料（如TiC）作陰極(ji)靶，并接(jie)入1～3kV的直(zhi)流負高(gao)壓，
在(zai)(zai)(zai)真(zhen)空(kong)室內(nei)通入壓力為0.133～13.3Pa的(de)氬氣（作(zuo)為工(gong)作(zuo)氣體）。在(zai)(zai)(zai)電場(chang)的(de)作(zuo)用下(xia)，氬氣電離(li)后產生(sheng)的(de)氬離(li)子轟擊陰(yin)極(ji)靶面，濺射(she)出的(de)靶材原子或分子以一(yi)定的(de)速(su)度落在(zai)(zai)(zai)工(gong)件表面產生(sheng)沉積，并使工(gong)件受(shou)熱。濺射(she)時工(gong)件的(de)溫度可達500℃左右。圖(tu)3-15是陰(yin)極(ji)濺射(she)系統簡圖(tu)。
當接通高壓電(dian)(dian)(dian)源時，陰(yin)(yin)極(ji)發出的電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)在(zai)電(dian)(dian)(dian)場(chang)的作用(yong)下會(hui)(hui)跑向陽(yang)極(ji)，速(su)度(du)在(zai)電(dian)(dian)(dian)場(chang)中(zhong)不斷增加。剛離(li)開陰(yin)(yin)極(ji)的電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)能量(liang)很低(di)，不足(zu)以引起(qi)氣體原(yuan)子(zi)(zi)的變化，所以附近為暗(an)區(qu)(qu)(qu)。在(zai)稍遠的位置，當電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)的能力足(zu)以使氣體原(yuan)子(zi)(zi)激發時就產(chan)生輝(hui)光(guang)，形成陰(yin)(yin)極(ji)輝(hui)光(guang)區(qu)(qu)(qu)。越過(guo)(guo)這一(yi)區(qu)(qu)(qu)域(yu)，電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)能量(liang)進一(yi)步增加，就會(hui)(hui)引起(qi)氣體原(yuan)子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)離(li)，從而(er)產(chan)生大(da)量(liang)的離(li)子(zi)(zi)與低(di)速(su)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)。此(ci)過(guo)(guo)程(cheng)不發光(guang)，這一(yi)區(qu)(qu)(qu)域(yu)為陰(yin)(yin)極(ji)暗(an)區(qu)(qu)(qu)。低(di)速(su)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)在(zai)此(ci)后向陽(yang)極(ji)的運(yun)動過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，也(ye)會(hui)(hui)被加速(su)激發氣體原(yuan)子(zi)(zi)而(er)發光(guang)，形成負輝(hui)光(guang)區(qu)(qu)(qu)。在(zai)負輝(hui)光(guang)區(qu)(qu)(qu)和陽(yang)極(ji)之間(jian)，還有幾(ji)個陰(yin)(yin)暗(an)相(xiang)同的區(qu)(qu)(qu)域(yu)，但它們與濺射離(li)子(zi)(zi)產(chan)生的關系(xi)不大(da)，只起(qi)導(dao)電(dian)(dian)(dian)作用(yong)。
濺(jian)射下(xia)來的(de)材料原子具有10～35eV的(de)功能，比蒸鍍時的(de)原子動(dong)能大得多(duo)，因而濺(jian)射膜的(de)結合力也比蒸鍍膜大。
濺射性能(neng)(neng)取決于所用的(de)(de)氣體、離子(zi)的(de)(de)能(neng)(neng)量及轟擊所用的(de)(de)材料(liao)等。離子(zi)轟擊所產生的(de)(de)投射作用可(ke)用于任何(he)類型的(de)(de)材料(liao)，難(nan)熔材料(liao)W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也(ye)能(neng)(neng)像低熔點材料(liao)一樣容易被沉積。濺射出的(de)(de)合金組(zu)成常常與(yu)靶的(de)(de)成分相當(dang)。
濺(jian)(jian)(jian)射(she)(she)(she)的工藝很多，如果(guo)按電(dian)極(ji)的構造及其配置方法進行分類(lei)，具有代表性的有：二極(ji)濺(jian)(jian)(jian)射(she)(she)(she)、三(san)極(ji)濺(jian)(jian)(jian)射(she)(she)(she)、磁控(kong)(kong)濺(jian)(jian)(jian)射(she)(she)(she)、對(dui)置濺(jian)(jian)(jian)射(she)(she)(she)、離子束濺(jian)(jian)(jian)射(she)(she)(she)和吸收濺(jian)(jian)(jian)射(she)(she)(she)等(deng)。常用(yong)的是磁控(kong)(kong)濺(jian)(jian)(jian)射(she)(she)(she)，目前已開發(fa)了多種磁控(kong)(kong)濺(jian)(jian)(jian)射(she)(she)(she)裝置。
常用(yong)的(de)磁(ci)控高速濺射方法的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理為：用(yong)氬氣作(zuo)為工(gong)作(zuo)氣體，充氬氣后反應室內的(de)壓力為2.6～1.3Pa，以欲(yu)沉積的(de)金屬和化合物(wu)為靶（如Ti、TiC、TiN），在靶附近設置與(yu)靶平面平行(xing)的(de)磁(ci)場，另(ling)在靶和工(gong)件之間設置陽極(ji)以防工(gong)件過(guo)熱。磁(ci)場導(dao)致靶附近等離子密度（即金屬離化率(lv)）提(ti)(ti)高，從(cong)而提(ti)(ti)高濺射與(yu)沉積速率(lv)。
磁(ci)控濺射(she)效率高，成膜(mo)速(su)度(du)快（可(ke)達2μm／min），而且基板溫度(du)低(di)。因此，此法適應(ying)性(xing)廣(guang)，可(ke)沉(chen)積(ji)純金(jin)屬(shu)、合金(jin)或化合物(wu)。例如以鈦為靶，引入氮或碳(tan)氫(qing)化合物(wu)氣體可(ke)分別沉(chen)積(ji)TiN、TiC等。
三、離(li)子(zi)鍍
近年(nian)來研究開發的(de)(de)(de)離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)在零件表面強化方(fang)面獲(huo)得應用(yong)(yong)，效果較(jiao)顯著。所謂離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)是(shi)蒸鍍(du)(du)(du)和濺(jian)射鍍(du)(du)(du)相結合的(de)(de)(de)技(ji)術(shu)。它既保留了CVD的(de)(de)(de)本質(zhi)，又(you)具有(you)PVD的(de)(de)(de)優點(dian)。離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)零件具有(you)結合力強、均(jun)鍍(du)(du)(du)能(neng)力好、被鍍(du)(du)(du)基體材料(liao)和鍍(du)(du)(du)層材料(liao)可以(yi)廣泛搭(da)配等(deng)優點(dian)，因此獲(huo)得較(jiao)廣泛的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)。圖3-16是(shi)離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)系統示意圖。
離(li)(li)子鍍的(de)(de)(de)(de)基本原理是借助于(yu)一種惰性氣體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)輝光放電(dian)使金(jin)屬(shu)或合金(jin)蒸氣離(li)(li)子化。離(li)(li)子經(jing)電(dian)場加速而(er)沉積(ji)在(zai)(zai)帶負電(dian)荷的(de)(de)(de)(de)基體(ti)(ti)上。惰性氣體(ti)(ti)一般(ban)采用(yong)氬氣，壓(ya)力(li)為0.133～1.33Pa，兩極(ji)電(dian)壓(ya)在(zai)(zai)500～2000V之間。離(li)(li)子鍍包括鍍膜(mo)(mo)材(cai)料（如TiC、TiN）的(de)(de)(de)(de)受熱、蒸發(fa)、沉積(ji)過程。蒸發(fa)的(de)(de)(de)(de)鍍膜(mo)(mo)材(cai)料原子在(zai)(zai)經(jing)過輝光區(qu)時，一小部(bu)分發(fa)生電(dian)離(li)(li)，并(bing)在(zai)(zai)電(dian)場的(de)(de)(de)(de)作用(yong)下飛向工(gong)(gong)(gong)件(jian)，以(yi)(yi)幾千(qian)電(dian)子伏(fu)的(de)(de)(de)(de)能量射到(dao)工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)(biao)面(mian)，可以(yi)(yi)打入基體(ti)(ti)約幾納(na)米的(de)(de)(de)(de)深度，從而(er)大(da)大(da)提高(gao)了鍍層的(de)(de)(de)(de)結合力(li)。而(er)未經(jing)電(dian)離(li)(li)的(de)(de)(de)(de)蒸發(fa)材(cai)料原子直接(jie)在(zai)(zai)工(gong)(gong)(gong)件(jian)上沉積(ji)成膜(mo)(mo)。惰性氣體(ti)(ti)離(li)(li)子與鍍膜(mo)(mo)材(cai)料離(li)(li)子在(zai)(zai)基板表(biao)(biao)面(mian)上發(fa)生的(de)(de)(de)(de)濺射還(huan)可以(yi)(yi)清除工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)(de)(de)污(wu)染(ran)物，從而(er)改善結合力(li)。
如果提高(gao)金屬蒸氣原(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)化程度，可(ke)以增加(jia)鍍(du)(du)(du)層(ceng)的(de)結合力(li)，為此發展了一系列的(de)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)設備和方法(fa)，如高(gao)頻(pin)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)、空心陰極放電離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)、熱(re)陰極離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)、感應加(jia)熱(re)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)、活(huo)性化蒸發離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)及低壓(ya)等離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)等。近年(nian)來，多弧離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)由(you)于設備結構簡單、操作方便、鍍(du)(du)(du)層(ceng)均勻、生產率高(gao)，而受到(dao)人們的(de)重視。其工作原(yuan)理和特點(dian)是：
a. 將被蒸(zheng)發膜(mo)(mo)材料制成陰極靶(ba)即弧蒸(zheng)發源(yuan)，該蒸(zheng)發源(yuan)為固(gu)態，可在真空內(nei)任意方位布置(zhi)，也可多源(yuan)聯(lian)合(he)工作，有利大件鍍膜(mo)(mo)。
b. 弧蒸(zheng)發(fa)(fa)源接電源負(fu)(fu)極(ji)(ji)(ji)，真空室(shi)外(wai)殼(ke)接正極(ji)(ji)(ji)，調整(zheng)工(gong)(gong)作(zuo)電流，靶材(cai)表(biao)面(mian)進(jin)行弧光放電，同時蒸(zheng)發(fa)(fa)出(chu)大量陰極(ji)(ji)(ji)金屬蒸(zheng)氣(qi)(qi)(qi)，其(qi)中部分發(fa)(fa)生電離并(bing)(bing)在基(ji)板負(fu)(fu)偏壓(ya)的吸引下轟(hong)擊工(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)，從(cong)而起(qi)到潔(jie)凈工(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)的作(zuo)用和(he)使(shi)工(gong)(gong)件(jian)的溫(wen)度升高達到沉(chen)積所需(xu)(xu)(xu)溫(wen)度。此后，逐(zhu)漸降(jiang)低(di)基(ji)板負(fu)(fu)壓(ya)氣(qi)(qi)(qi)化(hua)了的靶粒(li)子飛向基(ji)板形成鍍膜(mo)。如果同時通(tong)入適當流量的反應(ying)氣(qi)(qi)(qi)體，即可在工(gong)(gong)件(jian)表(biao)面(mian)沉(chen)積得(de)到化(hua)合物膜(mo)層。從(cong)以(yi)上鍍膜(mo)過程看，弧蒸(zheng)發(fa)(fa)源既是蒸(zheng)發(fa)(fa)器又是離化(hua)源，無需(xu)(xu)(xu)增(zeng)加(jia)輔助離化(hua)源，也無需(xu)(xu)(xu)通(tong)入惰性氣(qi)(qi)(qi)體轟(hong)擊清洗工(gong)(gong)件(jian)，并(bing)(bing)且不需(xu)(xu)(xu)要烘烤裝置(zhi)，設備簡單、工(gong)(gong)藝穩定。
c. 多弧(hu)離(li)子(zi)鍍離(li)化率高達60％～90％，有利于改善膜層的質量，特(te)別適用(yong)于活(huo)性反應(ying)沉積化合物(wu)膜層。
d. 多弧蒸發源(yuan)在蒸發陰極材料時(shi)，往(wang)(wang)往(wang)(wang)有(you)液(ye)滴(di)沉積在工(gong)(gong)(gong)件表面(mian)(mian)，造成(cheng)工(gong)(gong)(gong)件表面(mian)(mian)具有(you)較高的表面(mian)(mian)粗糙度(du)值(zhi)。所以減少和細(xi)化蒸發材料液(ye)滴(di)是當前多弧離子鍍工(gong)(gong)(gong)藝的關鍵問題。
離(li)子鍍(du)(du)除了具(ju)有(you)鍍(du)(du)層結(jie)合力(li)強的(de)特(te)點之外，還具(ju)有(you)如下優點：離(li)子繞射性(xing)(xing)強，沒有(you)明顯的(de)方向性(xing)(xing)沉積(ji)，工件的(de)各個表(biao)面都(dou)能鍍(du)(du)上；鍍(du)(du)層均勻性(xing)(xing)好，并且具(ju)有(you)較(jiao)高的(de)致密度和(he)細的(de)晶粒度，即使經鏡面研磨(mo)過的(de)工件，進(jin)行離(li)子鍍(du)(du)后，表(biao)面依(yi)然光潔致密，無需再(zai)作研磨(mo)。
總之(zhi)，采用(yong)PVD技術(shu)可以(yi)在各種(zhong)材(cai)料上沉積(ji)致密、光滑、高精度(du)的化合(he)物（如TiC、TiN）鍍(du)層(ceng)，所以(yi)十分適合(he)模(mo)(mo)具(ju)的表(biao)(biao)面(mian)熱處(chu)理(li)。目(mu)前(qian)，應用(yong)PVD法(fa)(fa)沉積(ji)TiC、TiN等鍍(du)層(ceng)已在生產中獲得應用(yong)。例(li)如Cr12MoV鋼(gang)制(zhi)油(you)開關精制(zhi)沖模(mo)(mo)，經(jing)PVD法(fa)(fa)沉積(ji)后，表(biao)(biao)面(mian)硬度(du)為(wei)2500～3000HV，摩(mo)擦因數減小，抗(kang)粘著和(he)(he)抗(kang)咬合(he)性改善(shan)，模(mo)(mo)具(ju)原(yuan)使用(yong)1～3萬(wan)次即要刃(ren)磨(mo)，經(jing)PVD法(fa)(fa)處(chu)理(li)后，使用(yong)10萬(wan)次不需刃(ren)磨(mo)，尺寸無變化，仍可使用(yong)；用(yong)于(yu)沖壓和(he)(he)擠壓粘性材(cai)料的冷(leng)作模(mo)(mo)具(ju)，采用(yong)PVD法(fa)(fa)處(chu)理(li)后，其使用(yong)壽命大為(wei)提高，從發展趨勢來看，PVD法(fa)(fa)將(jiang)成為(wei)模(mo)(mo)具(ju)表(biao)(biao)面(mian)處(chu)理(li)的主要技術(shu)方法(fa)(fa)之(zhi)一。表(biao)(biao)3-40列(lie)出了(le)三種(zhong)PVD法(fa)(fa)與CVD法(fa)(fa)的特性比較，供選用(yong)時參考。
目前(qian)(qian)應用PVD法沉積TiC、TiN等鍍層(ceng)已在生(sheng)產(chan)中(zhong)得(de)到推(tui)廣(guang)應用，同時(shi)在TiN基礎上發展起(qi)來的多元膜(mo)(mo)，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等，性能優于TiN，是一(yi)種(zhong)更(geng)有前(qian)(qian)途的新型薄膜(mo)(mo)。
