摘要:介绍了CVD和PVD的发展历史、性能特点及其在工、模具上的应用。用CVD和PVD技术可以在钢和硬质合金表面沉积高硬度的陶瓷薄膜，改善工、模具的耐磨性和耐烧蚀性，从而大大提高工、模具的使用寿命。

近半个世纪以来，作为最引人注目的表面处理工艺CVD(Chemical Vapor Deposition化学气相沉积)和PVD(Physical Vapor Deposition 物理气相沉积)技术已在工、模具的表面硬化处理中逐步得到广泛应用。

CVD分成普通CVD、低压CVD和等离子CVD(PCVD)等多种处理工艺。在钢材表面用CVD涂覆TiC的方法是20世纪50年代法国metallgeseschaft公司发明的，其后在模具和高速工具钢表面涂覆TiC也获得成功。60年代中期，瑞典的Krupp-Widia和Sandvik公司又成功地开发了在硬质合金制品表面涂覆Tic的工艺。

CVD的基本原理为:经低温气化的金属卤化物气体和导入的反应气体在高温真空下相互反应生成化合物而沉积在工件表面。其基本反应方程式如下:TiCl₄(g)+CH₄(g)H₂TiE(s)+4HCl(g)→950-1050℃(1)TiCl₄(g)+½N₂(g)H₂TiN(s)+4HCl(g)→950-1000℃(2)TiCl₄(g)+CH₄(g)+½N₂H₂TiCN(s)+4HCl→950-1050℃(3)2AlCl₃(g)+3H₂O(g)H₂Al₂O₃(s)+6HCl→1100℃(4)

PVD包括真空蒸发(反应真空蒸发)、溅射(反应溅射)和离子镀(反应离子镀)等三种处理工艺。这种工艺最初是由美国的Mattox在1963年发明的。其后，这种工艺经过不断地改进而完善。

在高真空下，受热的金属或合金被气化，沉积在较冷的工件上的方法叫真空蒸发。处于高真空下的金属或合金被Ar离子轰击后而脱离其表面，最后沉积在工件表面的方法叫溅射。若溅射出的金属离子受等离子体场的加速作用而后沉积在工件表面的方法叫离子镀。1970年UCLA的Bunshah教授在真空容器中蒸发金属的同时引入反应气，反应气与金属离子反应生成化合物而后沉积在工件表面的方法称为反应离子镀。

CVD、PCVD和PVD三种表面处理方法的特性见表1。表1 CVD、PCVD和PVD处理方法的特点比较处理方法涂覆物质结晶组织处理温度
(℃)膜厚
(µm)致密度粘附性粗糙度抗咬合性CVDTiN、TiC、YiCN、Al₂O₃、SiC等单层或多层复层柱状晶体700-12002～10○◎△◎PCVDTiN、TiC、YiCN、金刚石薄膜、CBN膜细小柱状体～6001～5◎○○○PVDTiN、YiAIC、CrN、ZrN、HfN细小柱状体200～6001～5○○○△注:◎ 优 ： ○良：△可以

总的说来，CVD处理的特点是:处理温度高，膜与基体的粘附性好，沉积速度快：但是被处理工件变形大，母材易软化，从而需要对已处理好的工件进行二次处理。PVD处理的特点是:处理温度低，工件几乎不变形，无须对处理过的工件进行二次处理。

CVD涂覆TiC和PVD涂覆TiN的条件和用途比较见表2。表2 CVD法涂TIC和PVD法涂TiN特点比较项目CVD涂覆TiCPVD涂TiN温度(℃)1000300～500气氛/th>TiCi₄、CH₄、H₂Ti(蒸汽)、N₂(气体)涂层硬度(HV)38001500～2500涂层厚度(µm)5～150.2～5
(装饰)(耐磨)热处理钢涂TiC后要热处理涂TiN后不热处理母材模具钢、刃具钢(碳含量大于0.35%)和硬质合金高速钢、硬质合金、马氏体时效钢等零件形状无限制表面有均匀涂层周围课涂覆用途落料模、穿孔模、拉伸模、弯曲模、镦锻模、切边模、塑料挤出模等滚刀、铣刀、钻头、冲头、冲孔模、塑料模

1 各种气相沉积膜的性质

表3为各种气相沉积膜的性质，这些沉积膜都是碳化物和氮化物，其共同特点是硬度非常高，涂覆这些膜可以显著提高工件的耐磨性。表3 各种沉积膜的性质性质氮化物碳化物TiNZnNHfNVNTaNBNSi₃N₄AlNCrNTiCZrCHfCVCSiC晶体结构立方立方立方立方立方六方
立方六方
(α、β)六方立方立方立方立方立方六方
立方密度
(g/cm³)5.447.3513.946.0814.12.15～2.27、3.48～3.493.18～3.193.25～3.306.14.85～4.936.44～6.912.20～12.705.36～5.773.21～3.22熔点
(℃)2900～32202930～29803300～33072050～23602980～3360分解
2720～3000分解
1900分解
2200～230015003180～32503175～35403885～38902810～2865分解
2200～2700电阻率
(µΩ·cm)22～13011.5～14.032861351.7×10¹⁹>10¹⁹2×10¹⁷600～68070～17350～6460150～16010⁹～10¹¹传热系数
(CGS)0.070.040.0520.0270.021有方向性0.035～0.0410.0040.0261～0.03070.041～0.060.0490.0530.0100.098～0.100显微硬度(kg/mm²)1800～21001400～16001500～170015001060-2670～32601225～12301000～11882900～320026002533～320228003000～3500弹性模量
(GPa)25.5---58.7
ε-TaN1.16～8.37
α-BN5.62～21.828.1～35.2-31.6～44.832.3～48.943.326～27.434.45～42.2

2 CVD和PVD的应用

CVD和PVD处理方法已广泛应用于工、模具的表面处理，并显著提高了工、模具的使用寿命=，下面举例说明(表4)。表4 涂覆TiC的应用效果应用范围工具名称工具材料用途加工材料影响寿命因素效果板金加工冲头Gr12MoV汽车零件SS34P精度下降Gr12MoV:1.4万件
Gr12MoV涂TiC:13～14万件拉伸模Gr12MoV汽车零件SPCC-SD损伤Gr12MoV镀铬:2万件拉伸模Gr12MoV汽车零件高强钢粘着Gr12MoV镀铬:粘着
Gr12MoV涂TiC:数万～数十万件冲模Gr12MoV STKNⅡA-2粘着Gr12MoV镀铬:0.6～1万件
Gr12MoV涂TiC:14万件 Gr12MoV SPCC下孔粘着Gr12MoV镀铬:0.9～1万件
Gr12MoV涂TiC:12万件无异常冷锻落料冲头M2 SWRM-10孔精度下降M2淬火:4～7万件反挤冲头SKH5.5 S10C粘着M2淬火:2～4万件
淬火材:0.5～1万件
涂TiC:4～5万件切削加工衬套M2 孔精加工磨损涂TiC提高寿命3～7倍 M2 加工孔磨损提高寿命5～7倍，与硬质合金等同或超过其他 Gr12MoV APH-4磨损提高寿命3～4倍，修理费剧增压铸销H13 Al-Si-Cu烧蚀提高寿命3～4倍挤出成形Gr12MoV加工玻璃树脂 磨损腐蚀不烧蚀，无型剂是氮化、镀铬模具的6～8倍，工具和树脂粘着少

3 结束语

CVD和PVD是一类最先进的表面硬化处理方法，可大幅度提高工、模具的使用寿命，值得国内同行借鉴。