文：上海应用技术学院 张而耕
摘 要: 介绍了 PVD 涂层技术的分类，综述了 PVD 涂层技术在铝合金模具应用领域的研究进展。展望了随着 PVD 涂层技术的快速发展，其在模具领域的应用将会更加广泛。
关键词: 物理气相沉积; 成型模具; 压铸模具; 氮化; 渗碳; 电镀
随着工业的发展，对模具的精度、寿命、硬度、耐磨损、防腐蚀以及抗高温性能等方面提出了更高的要求。实践证明，提高模具性能的有效方法除了正确的加工、合理的选材之外，关键在于科学合理的热处理和表面处理。
1、 PVD 涂层技术的分类
物理气相沉积( Physical Vapor Deposition，PVD)技术是一种在真空条件下采用物理方法，将固体或液体材料表面气化成气态原子、分子或离子状态，并通过低压气体( 或等离子体) 过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能薄膜的技术，主要包括真空蒸镀、阴极溅射、离子镀等。
采用此技术制备的超硬薄膜不仅超硬，超薄，耐高温，无污染，能满足工具、零件和摩擦磨损件表面耐磨损、抗氧化、防腐蚀、自润滑等特殊性能要求，还能 够有效解决传统模具表面处理的弊端，是现代表面工程中最有发展前途和应用价值的一种技术。
1． 1 真空蒸镀
真空蒸镀是一种把装有基片的真空室抽成真空，使得镀料的原子或分子从表面汽化逸出形成蒸气流，入射到基片表面凝结形成固态薄膜的技术。真空蒸镀设备主要由真空镀膜室和真空抽气系统组成。真空蒸镀必须具备 3 个条件: 热蒸发源，冷基片，真空环境。
真空蒸镀过程中必须注意防止高温下对蒸发源的污染，防止蒸发源的分子在到达基片表面前化合和凝聚，防止空气分子作为杂质混入或在薄膜中形成化合物。
1． 2 阴极溅射
溅射现象早就被人们所认识，它是用高能粒子( 大多数为电场加速的气体正离子) 撞击固体表面( 靶) ，使固体原子( 或分子) 从表面溅出。溅射所需能量一般来自带有几十电子伏以上动能的粒子或粒子束。磁控溅射中的阴极溅射技术将平面阴极改为旋转阴极，使得阴极溅射具有以下优势: 靶材利用率高，达到 90% 以上; 溅射效率高，沉积速度快; 工艺稳定性好，能够消除打弧和靶面掉渣现象;换靶及操作都比较方便; 工艺重复性非常好，制备的薄膜结合力等性能好，厚度均匀。旋转阴极溅射技术获得了广泛应用，同时也被其他制膜技术所采用。
1． 3 离子镀
离子镀是一种基于等离子体技术的薄膜制备技术。该技术的基础是真空镀，借助于一种惰性气体( 一般采用氩气) 的辉光放电使金属或合金蒸汽离子化，离子经电场加速而沉积在带负电荷的基体上。在真空条件下，利用该技术不但可以制备金属、化合物、陶瓷薄膜，而且可以制备半导体和超导体等薄膜。离子镀技术弥补了普通真空蒸镀的不足，解决了镀层黏性差和均匀度不足的问题。
离子镀特点主要有: 离子绕射性强、没有明显的方向性沉积，所制备的涂层与基体结合力强、均匀性好、具有较高致密度和非常细的晶粒度。当前采用电弧离子镀制备氮化物、氧化物等硬质薄膜的研究也越来越广泛。
20 世纪 90 年代以来，PVD 技术与其它表面强化技术的融合越来越紧密。将离子注入与气相沉积镀膜相结合的离子束辅助增强沉积( Ion Beam Assisted
Deposition) 兼有两种工艺的优点，大大改善了膜与基体的结合强度。离子镀和 溅射技术相结合沉积Ti Al N / Ti Nb N 的工艺，激光技术与气相沉积结合的工艺均可增加涂层硬化层的深度。
物理气相沉积与其它表面强化技术结合可以制备复合涂层，进一步发挥PVD 涂层的优势，如气体氮化与 PVD 复合、离子氮化与 PVD 复合、化学镀 Ni-P 与 PVD 复合。
正是由于PVD 技术的发展及与其它技术的融合，进一步促进了其在成型模具、注塑模具、剪切模具、压铸模具等方面的广泛应用，体现出 PVD 技术的卓越性能。
2 、PVD 在压铸模具领域内的应用
PVD 涂层技术的热处理温度低，模具在处理过程中不易发生变形、软化，可方便地控制工艺参数，结构设计性强，能制备不同的涂层以提升模具的表面性能和质量，延长模具的寿命。
铝合金压铸模具易出现铝合金对模具材料产生熔融腐蚀，进而造成模具表面龟裂。高温下 Al 原子会渗透到模具表层，改变模具钢的元素构成，使钢的耐疲劳性能大大降低; 采用 PVD 涂层后，不仅能耐700 ℃ 的高温，而且化学惰性高可在模具表面形成非常致密的保护层，很好地防止 Al 原子渗透到基体。
某公司研制的 PVD 涂层 Ti BN，在 750 ℃ 下将其用于压铸执行机构件、转向器构件的铝合金热压铸模具，涂层因耐高温、耐磨损和低粘结特性使模具寿命提高了 3 倍。
为提高铝合金压铸模具的寿命，使用离子镀技术制备了 Cr N 多层膜和 Ti Al N多层膜。经腐蚀试验发现，Cr N 和 Ti Al N 涂层能显著抑制模具材料的腐蚀。汽车零件中心销压铸试验也表明涂覆 Cr N 或 Ti Al N 多层膜后，去除工件表面铝合金残留量的维护操作的次数比经盐浴扩散法后需维护的次数要少得多。
除多层膜外，也有纳米复合涂层的研究，如在 H13 钢表面制备了 Ti Si CN，Ti Si CON，Ti Al Si CN，Ti Al Si CON 4 种纳米复合涂层，研究发现Ti Al 基纳米复合涂层高温下表面没有明显的氧化皮，特别是 Ti Al Si CON 涂层最佳。Ti Al 基纳米复合涂层具有很好的耐高温性能和低的表面能，有助于铸铝模具的脱模，可提高模具的热疲劳抗力，延长服役寿命。
3 、结语
PVD 技术以其良好的性能广泛应用于各类模具中，模具的耐磨性、寿命和产品质量等得到了大幅提升，取得了巨大的经济效益。为了应对全球模具高品质、低价格、长寿命的竞争要求，需要将 PVD 涂层技术在模具上的应用向多元化、复合化、纳米化发展，深入研究涂层的性能、结合力、新工艺和新材料。
