由(you)于(yu)CVD法處理溫(wen)(wen)度太(tai)高，零(ling)件(jian)基體需承受相當高的沉積(ji)溫(wen)(wen)度，易(yi)產(chan)生變(bian)形和基體組織變(bian)化，導致其力學(xue)性(xing)能降低，需在CVD沉積(ji)后進行熱處理，增(zeng)大了生產(chan)成本，因此在應用上受到一定的限制。
PVD以各種(zhong)物理(li)方法產生的原子(zi)或分子(zi)沉積(ji)(ji)在(zai)基材上形成外加(jia)覆蓋層(ceng)，工(gong)件(jian)沉積(ji)(ji)溫(wen)度一(yi)般不超過600℃。不銹鋼沉積(ji)(ji)后通常都無需進(jin)行熱(re)處理(li)，因而其應用比化學氣相沉積(ji)(ji)廣。
物理氣相沉積(ji)可分為真空蒸鍍、陰(yin)極濺射(she)和(he)離子鍍三類。與CVD法相比，PVD的(de)主要優點是處理溫度較低(di)、沉積(ji)速度較快(kuai)、無公害等(deng)，因而有(you)很高的(de)實用價(jia)值(zhi)；其不足之處是沉積(ji)層與工(gong)件的(de)結合力較小，鍍層的(de)均勻性(xing)稍(shao)差。此外，它的(de)設(she)備(bei)造價(jia)高，操作(zuo)、維護的(de)技(ji)術(shu)要求也(ye)較高。
一、真(zhen)空蒸鍍
在高真空(kong)中使金屬(shu)、合金或化合物(wu)蒸發，然后凝聚(ju)在基(ji)體表面的方(fang)法(fa)叫作(zuo)真空(kong)蒸鍍。真空(kong)蒸鍍裝置見(jian)圖3-14。
被沉積的材料(liao)（如(ru)TiC）置于(yu)裝有(you)加(jia)熱系統的坩(gan)堝(guo)(guo)中，被鍍(du)基體(ti)置于(yu)蒸(zheng)(zheng)發源前(qian)面。當真空(kong)度達(da)到0.13Pa時，加(jia)熱坩(gan)堝(guo)(guo)使材料(liao)蒸(zheng)(zheng)發，所產生的蒸(zheng)(zheng)氣以凝集(ji)的形(xing)式沉積在物體(ti)上形(xing)成(cheng)涂層。
基板入(ru)槽(cao)前要進(jin)行充(chong)分的清洗(xi)，在蒸鍍時(shi)，一般在基板背面(mian)設置一個加熱(re)器，使基板保持適當(dang)溫度(du)，使鍍層和(he)基層之間形成薄的擴散(san)層，以增大(da)結合力。
蒸(zheng)發(fa)用熱源(yuan)主要分三類：電阻加(jia)熱源(yuan)、電子(zi)束加(jia)熱源(yuan)和高頻感應加(jia)熱源(yuan)。最近(jin)還采(cai)用了激光蒸(zheng)鍍法(fa)和離子(zi)蒸(zheng)鍍法(fa)。
蒸鍍過程：
a. 首先對真空裝置及(ji)被鍍(du)零件(jian)進行處(chu)理，去(qu)掉(diao)污物、灰(hui)塵(chen)和(he)油漬等。
b. 把清洗過的(de)零(ling)件裝入(ru)鍍槽的(de)支(zhi)架上。
c. 補(bu)足蒸發物質。
d. 抽(chou)真空，先用回(hui)轉(zhuan)泵抽(chou)至13.3Pa，再用擴(kuo)散泵抽(chou)至133×10-6Pa。
e. 在高(gao)真空下對(dui)零件加熱，目的(de)是去除(chu)水分（150℃）和增(zeng)加結合力(300~400℃)。
f. 對蒸(zheng)鍍通電加熱，達到厚度后停電。
g. 停鍍后(hou)，需(xu)在(zai)真空條件下放置15～30min，使之冷(leng)卻到100℃左右。
h. 關(guan)閉真空(kong)閥，導入(ru)空(kong)氣(qi)，取出模具。
二、陰極濺(jian)射(she)
陰(yin)極(ji)濺(jian)射即用荷能(neng)粒子(zi)轟(hong)擊(ji)某(mou)一(yi)靶材(cai)（陰(yin)極(ji)），使靶材(cai)表面的(de)原子(zi)以一(yi)定能(neng)量逸(yi)出(chu)，然后在表面沉積的(de)過程。
濺(jian)射過程：用沉(chen)積的材料(liao)（如(ru)TiC）作陰極靶，并接入1～3kV的直(zhi)流負高(gao)壓(ya)，
在真(zhen)空室內通入壓力為(wei)(wei)0.133～13.3Pa的(de)(de)氬(ya)(ya)氣（作為(wei)(wei)工作氣體）。在電(dian)場的(de)(de)作用下(xia)，氬(ya)(ya)氣電(dian)離后產(chan)生的(de)(de)氬(ya)(ya)離子轟(hong)擊(ji)陰(yin)極(ji)靶面，濺(jian)射出的(de)(de)靶材原子或分子以(yi)一定的(de)(de)速(su)度落在工件表面產(chan)生沉積，并(bing)使工件受熱。濺(jian)射時工件的(de)(de)溫(wen)度可達500℃左(zuo)右。圖(tu)3-15是陰(yin)極(ji)濺(jian)射系統簡圖(tu)。
當接通高壓電(dian)源時，陰極(ji)(ji)發(fa)(fa)出的電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)電(dian)場(chang)的作用下會(hui)(hui)(hui)跑向陽(yang)極(ji)(ji)，速度(du)在(zai)(zai)電(dian)場(chang)中不(bu)斷增加。剛離開陰極(ji)(ji)的電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)能量很低(di)，不(bu)足以引起(qi)氣(qi)體原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)的變化，所以附近為(wei)暗(an)區(qu)(qu)。在(zai)(zai)稍遠的位置，當電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)的能力(li)足以使氣(qi)體原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)激(ji)發(fa)(fa)時就產(chan)生(sheng)輝光，形成陰極(ji)(ji)輝光區(qu)(qu)。越過這一區(qu)(qu)域，電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)能量進一步(bu)增加，就會(hui)(hui)(hui)引起(qi)氣(qi)體原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)電(dian)離，從而產(chan)生(sheng)大量的離子(zi)(zi)(zi)(zi)與低(di)速電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)。此過程不(bu)發(fa)(fa)光，這一區(qu)(qu)域為(wei)陰極(ji)(ji)暗(an)區(qu)(qu)。低(di)速電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)此后向陽(yang)極(ji)(ji)的運動(dong)過程中，也會(hui)(hui)(hui)被加速激(ji)發(fa)(fa)氣(qi)體原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)而發(fa)(fa)光，形成負輝光區(qu)(qu)。在(zai)(zai)負輝光區(qu)(qu)和陽(yang)極(ji)(ji)之(zhi)間，還有幾個(ge)陰暗(an)相同的區(qu)(qu)域，但它們與濺射離子(zi)(zi)(zi)(zi)產(chan)生(sheng)的關系不(bu)大，只起(qi)導電(dian)作用。
濺射下來(lai)的(de)材料(liao)原子具有10～35eV的(de)功能，比(bi)蒸鍍時的(de)原子動能大得(de)多，因而濺射膜(mo)的(de)結合力也比(bi)蒸鍍膜(mo)大。
濺(jian)射(she)性能(neng)(neng)取(qu)決(jue)于所用的(de)(de)氣體、離(li)子的(de)(de)能(neng)(neng)量及(ji)轟(hong)擊(ji)所用的(de)(de)材(cai)料等。離(li)子轟(hong)擊(ji)所產生的(de)(de)投射(she)作用可用于任何類型的(de)(de)材(cai)料，難熔(rong)材(cai)料W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也(ye)能(neng)(neng)像(xiang)低熔(rong)點材(cai)料一樣容易被沉(chen)積。濺(jian)射(she)出的(de)(de)合金(jin)組成(cheng)常常與靶的(de)(de)成(cheng)分相當。
濺(jian)射(she)(she)的工藝很多，如果按電極(ji)的構造及其(qi)配置(zhi)方法進行(xing)分類，具有代(dai)表性的有：二極(ji)濺(jian)射(she)(she)、三極(ji)濺(jian)射(she)(she)、磁(ci)控(kong)(kong)濺(jian)射(she)(she)、對置(zhi)濺(jian)射(she)(she)、離子束濺(jian)射(she)(she)和吸(xi)收濺(jian)射(she)(she)等。常用的是磁(ci)控(kong)(kong)濺(jian)射(she)(she)，目前(qian)已開發(fa)了多種磁(ci)控(kong)(kong)濺(jian)射(she)(she)裝(zhuang)置(zhi)。
常用的(de)磁控(kong)高速濺射方法的(de)工作原理為：用氬氣(qi)作為工作氣(qi)體，充氬氣(qi)后反應室內的(de)壓力為2.6～1.3Pa，以欲(yu)沉積(ji)的(de)金屬(shu)和化(hua)合物為靶(ba)（如Ti、TiC、TiN），在靶(ba)附(fu)近(jin)設置與(yu)靶(ba)平面平行的(de)磁場，另在靶(ba)和工件(jian)之間設置陽極以防工件(jian)過熱。磁場導致靶(ba)附(fu)近(jin)等離(li)子密(mi)度（即金屬(shu)離(li)化(hua)率）提高，從而提高濺射與(yu)沉積(ji)速率。
磁控濺射效(xiao)率高，成膜(mo)速度快（可達2μm／min），而且基板溫度低(di)。因此，此法(fa)適應性廣，可沉(chen)積純(chun)金(jin)(jin)屬、合金(jin)(jin)或化合物(wu)。例(li)如以(yi)鈦為(wei)靶(ba)，引入氮或碳氫化合物(wu)氣體可分別沉(chen)積TiN、TiC等。
三、離子(zi)鍍
近年(nian)來研究開發的(de)(de)(de)離子(zi)鍍(du)(du)在零件表面(mian)強化方(fang)面(mian)獲得應用(yong)，效(xiao)果(guo)較(jiao)顯著。所謂(wei)離子(zi)鍍(du)(du)是蒸鍍(du)(du)和濺射鍍(du)(du)相結合的(de)(de)(de)技術。它既保留了CVD的(de)(de)(de)本質，又(you)具有PVD的(de)(de)(de)優點(dian)。離子(zi)鍍(du)(du)零件具有結合力(li)強、均(jun)鍍(du)(du)能力(li)好(hao)、被鍍(du)(du)基(ji)體材料和鍍(du)(du)層材料可(ke)以廣泛搭配等(deng)優點(dian)，因此獲得較(jiao)廣泛的(de)(de)(de)應用(yong)。圖(tu)3-16是離子(zi)鍍(du)(du)系統示(shi)意圖(tu)。
離(li)(li)子(zi)鍍的基(ji)本(ben)原理(li)是借(jie)助于一種(zhong)惰性氣(qi)體(ti)(ti)的輝(hui)光(guang)放電使金屬或合金蒸(zheng)氣(qi)離(li)(li)子(zi)化。離(li)(li)子(zi)經(jing)電場加(jia)速而(er)沉積在(zai)(zai)帶負電荷的基(ji)體(ti)(ti)上。惰性氣(qi)體(ti)(ti)一般采(cai)用氬(ya)氣(qi)，壓力為0.133～1.33Pa，兩(liang)極(ji)電壓在(zai)(zai)500～2000V之間。離(li)(li)子(zi)鍍包(bao)括鍍膜(mo)材料(liao)(liao)（如TiC、TiN）的受熱、蒸(zheng)發(fa)、沉積過(guo)程。蒸(zheng)發(fa)的鍍膜(mo)材料(liao)(liao)原子(zi)在(zai)(zai)經(jing)過(guo)輝(hui)光(guang)區時，一小(xiao)部(bu)分發(fa)生電離(li)(li)，并在(zai)(zai)電場的作用下飛向(xiang)工(gong)件(jian)，以(yi)幾(ji)千電子(zi)伏的能量射(she)到工(gong)件(jian)表(biao)面，可以(yi)打入基(ji)體(ti)(ti)約幾(ji)納米的深度，從而(er)大大提高了鍍層的結(jie)合力。而(er)未經(jing)電離(li)(li)的蒸(zheng)發(fa)材料(liao)(liao)原子(zi)直(zhi)接在(zai)(zai)工(gong)件(jian)上沉積成膜(mo)。惰性氣(qi)體(ti)(ti)離(li)(li)子(zi)與鍍膜(mo)材料(liao)(liao)離(li)(li)子(zi)在(zai)(zai)基(ji)板表(biao)面上發(fa)生的濺射(she)還可以(yi)清除(chu)工(gong)件(jian)表(biao)面的污染(ran)物，從而(er)改善(shan)結(jie)合力。
如果提高(gao)金屬(shu)蒸(zheng)氣原子(zi)(zi)的(de)離(li)(li)子(zi)(zi)化程度，可以增(zeng)加(jia)鍍(du)(du)層(ceng)的(de)結合力，為此發展了一(yi)系列(lie)的(de)離(li)(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)設(she)備和方法(fa)，如高(gao)頻離(li)(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)、空心陰極(ji)放電離(li)(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)、熱陰極(ji)離(li)(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)、感應加(jia)熱離(li)(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)、活(huo)性化蒸(zheng)發離(li)(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)及低壓等離(li)(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)等。近(jin)年來，多弧離(li)(li)子(zi)(zi)鍍(du)(du)由于設(she)備結構簡(jian)單、操作方便、鍍(du)(du)層(ceng)均勻、生產率高(gao)，而受到人們的(de)重視。其工作原理和特點是：
a. 將(jiang)被蒸(zheng)發膜(mo)材料制成陰極(ji)靶(ba)即弧蒸(zheng)發源(yuan)(yuan)，該蒸(zheng)發源(yuan)(yuan)為固(gu)態(tai)，可在真(zhen)空內任意方位布置，也可多源(yuan)(yuan)聯(lian)合工作(zuo)，有(you)利大件鍍膜(mo)。
b. 弧蒸發(fa)源(yuan)(yuan)(yuan)接電源(yuan)(yuan)(yuan)負極(ji)(ji)，真空室外殼接正極(ji)(ji)，調整工作電流(liu)，靶材表面(mian)進行弧光(guang)放(fang)電，同時蒸發(fa)出大量陰(yin)極(ji)(ji)金屬(shu)蒸氣(qi)，其中部分發(fa)生(sheng)電離并在(zai)基板負偏壓的(de)吸(xi)引下轟擊工件(jian)表面(mian)，從而(er)起到潔(jie)凈(jing)工件(jian)表面(mian)的(de)作用和使工件(jian)的(de)溫度(du)升(sheng)高達到沉(chen)積(ji)所需溫度(du)。此后，逐漸(jian)降低基板負壓氣(qi)化(hua)了的(de)靶粒子飛(fei)向基板形成鍍膜(mo)。如(ru)果同時通(tong)入適當(dang)流(liu)量的(de)反應氣(qi)體(ti)，即(ji)可在(zai)工件(jian)表面(mian)沉(chen)積(ji)得到化(hua)合物膜(mo)層。從以上鍍膜(mo)過程看，弧蒸發(fa)源(yuan)(yuan)(yuan)既是蒸發(fa)器又是離化(hua)源(yuan)(yuan)(yuan)，無(wu)需增加(jia)輔助(zhu)離化(hua)源(yuan)(yuan)(yuan)，也(ye)無(wu)需通(tong)入惰性氣(qi)體(ti)轟擊清洗工件(jian)，并且不需要烘烤(kao)裝(zhuang)置，設備簡單、工藝穩定。
c. 多(duo)弧離(li)子(zi)鍍(du)離(li)化(hua)(hua)率(lv)高達60％～90％，有(you)利于(yu)改善膜層(ceng)的質量(liang)，特別適用于(yu)活性反應沉(chen)積(ji)化(hua)(hua)合物膜層(ceng)。
d. 多(duo)弧蒸(zheng)發源在蒸(zheng)發陰(yin)極材料時，往(wang)往(wang)有(you)(you)液滴沉積在工(gong)(gong)件表(biao)面(mian)，造成工(gong)(gong)件表(biao)面(mian)具(ju)有(you)(you)較高的表(biao)面(mian)粗糙(cao)度值(zhi)。所以減少和細化(hua)蒸(zheng)發材料液滴是當前多(duo)弧離子鍍(du)工(gong)(gong)藝的關鍵問題。
離子鍍(du)除了(le)具有(you)(you)鍍(du)層結合力(li)強(qiang)的特(te)點之外，還具有(you)(you)如(ru)下優點：離子繞射性強(qiang)，沒有(you)(you)明(ming)顯的方向性沉積，工件(jian)的各個表(biao)面都(dou)能鍍(du)上(shang)；鍍(du)層均勻性好，并(bing)且(qie)具有(you)(you)較高的致(zhi)密度(du)和細的晶粒度(du)，即使經(jing)鏡面研磨(mo)過的工件(jian)，進(jin)行離子鍍(du)后，表(biao)面依然光潔(jie)致(zhi)密，無需再作研磨(mo)。
總之，采用(yong)(yong)(yong)PVD技術可以在各種(zhong)材料上沉(chen)(chen)積致密、光滑(hua)、高精度的(de)化合(he)物（如TiC、TiN）鍍層，所(suo)以十分適合(he)模具(ju)的(de)表(biao)面(mian)熱處理(li)(li)。目前，應用(yong)(yong)(yong)PVD法(fa)沉(chen)(chen)積TiC、TiN等鍍層已在生產中獲得應用(yong)(yong)(yong)。例如Cr12MoV鋼制油開關精制沖(chong)模，經PVD法(fa)沉(chen)(chen)積后，表(biao)面(mian)硬度為(wei)2500～3000HV，摩(mo)擦因數(shu)減小，抗粘(zhan)著和(he)抗咬合(he)性(xing)(xing)改善，模具(ju)原使(shi)用(yong)(yong)(yong)1～3萬次即要刃磨，經PVD法(fa)處理(li)(li)后，使(shi)用(yong)(yong)(yong)10萬次不需(xu)刃磨，尺寸無(wu)變(bian)化，仍可使(shi)用(yong)(yong)(yong)；用(yong)(yong)(yong)于沖(chong)壓和(he)擠壓粘(zhan)性(xing)(xing)材料的(de)冷(leng)作模具(ju)，采用(yong)(yong)(yong)PVD法(fa)處理(li)(li)后，其使(shi)用(yong)(yong)(yong)壽命大為(wei)提(ti)高，從發展趨(qu)勢來看，PVD法(fa)將成(cheng)為(wei)模具(ju)表(biao)面(mian)處理(li)(li)的(de)主要技術方法(fa)之一。表(biao)3-40列出了三(san)種(zhong)PVD法(fa)與(yu)CVD法(fa)的(de)特性(xing)(xing)比較，供選(xuan)用(yong)(yong)(yong)時參考。
目前應用PVD法沉(chen)積TiC、TiN等鍍(du)層已(yi)在(zai)生產(chan)中得到推廣(guang)應用，同時在(zai)TiN基礎上(shang)發展起來的多元(yuan)膜，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等，性能(neng)優于TiN，是一種更有前途的新型薄(bo)膜。
