微波等离子体化学气相沉积(MW-PCVD)
微波等离子体的特点是能量大,活性强。激发的亚稳态原子多,化学反应轻易进行,是一种很有发展前途、用途广泛的新工艺,微波频率为2.45GHz,
微波放电与直流辉光放电相比具有设备结构简单,轻易起辉,耦合效率高,工作稳定,无气体污染及电极腐蚀,工作频带宽等优点,装置主要由微波发生器、环形器、定向耦合器、表面波导放电部分及沉积室组成。
若将反应气体导入蒸发空间,便可在工件表面沉积金属化合物涂层,这就是反应性离子镀。由于采用等离子活化,工件只需在较低温度甚至在室温下进行镀膜,完全保证零件的尺寸精度和表面粗糙度,因此,可以安排在工件淬火、回火后即后一道工序进行。如沉积TiN或TiC时,基体温度可以在150-600℃范围内选择,温度高时涂层的硬度高,与基体的结合力也高。基体温度可根据基体材料及其回火温度选择,气相沉积设备,如基体为高速钢,可选择560℃,这样,气相沉积设备制造商,对于经淬火、回火并加工到尺寸的高精度模具加工,无需担心基体硬度降低及变形问题。另外,离子镀的沉积速度较其他气相沉积方法快,得到10mm厚的TiC或TiN涂层,一般只需要几十分钟。
化学气相沉积TiN
将经清洗、脱脂和氨气还原处理后的模具工件,置于充满H2(体积分数为99.99%)的反应器中,气相沉积设备厂商,加热到900-1100℃,通入N2(体积分数为99.99%)的同时,并带入气态TiCl4(质量分数不低于99.0%)到反应器中,则在工件表面上发生如下化学反应:
2TiCl4(气) N2(气) 4H2(气)→2TiN(固) 8HCl(气)
固态TiN沉积在模具表面上形成TiN涂层,厚度可达3-10μm,副产品HCl气体则被吸收器排出。工艺参数的控制如下:
(1)氮氢比对TiN的影响
一般情况下,氮氢体积比VN2/VH2lt;1/2时,随着N2的增加,TiN沉积速率增大,涂层显微硬度增大;当VN2/VH2≈1/2时,沉积速率和硬度达到值;当VN2/VH2gt;1/2时,沉积速率和硬度逐渐下降。当VN2/VH2≈1/2时,所形成的TiN涂层均匀致密,晶粒细小,小型气相沉积设备,硬度,涂层成分接近于化学当量的TiN,而且与基体的结合牢固。因此,VN2/VH2要控制在1/2左右。
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