由于CVD法處理(li)溫度(du)太高，零件基體需承受(shou)相當高的沉(chen)積溫度(du)，易產(chan)生變形和基體組織變化，導致其力學性(xing)能降低(di)，需在(zai)CVD沉(chen)積后進行熱處理(li)，增大了生產(chan)成本，因(yin)此(ci)在(zai)應用上受(shou)到一定的限制。
PVD以各種物理方法產生的(de)原子或分子沉(chen)(chen)積(ji)在基材上形成外加覆蓋層(ceng)，工(gong)件沉(chen)(chen)積(ji)溫度一般不超(chao)過600℃。不銹鋼沉(chen)(chen)積(ji)后通常都無需進行熱(re)處理，因而(er)其應用比化學氣相沉(chen)(chen)積(ji)廣。
物理氣相(xiang)沉(chen)積可(ke)分為真空蒸鍍、陰極濺射和離子(zi)鍍三(san)類。與CVD法相(xiang)比(bi)，PVD的(de)主要(yao)優點是處理溫(wen)度較低(di)、沉(chen)積速度較快、無公害等，因而有很高的(de)實(shi)用(yong)價(jia)值；其不足之處是沉(chen)積層與工(gong)件的(de)結合力較小，鍍層的(de)均(jun)勻(yun)性(xing)稍差。此(ci)外，它的(de)設備(bei)造價(jia)高，操(cao)作、維護的(de)技術要(yao)求也(ye)較高。
一、真(zhen)空(kong)蒸鍍
在高真空中使金屬、合金或化(hua)合物蒸發，然(ran)后凝聚在基體表面(mian)的方(fang)法叫作真空蒸鍍。真空蒸鍍裝置(zhi)見圖3-14。
被(bei)沉(chen)積(ji)的(de)材料(liao)（如TiC）置于(yu)裝有加(jia)熱(re)系(xi)統的(de)坩堝中，被(bei)鍍基體置于(yu)蒸發源前面。當真(zhen)空度(du)達到(dao)0.13Pa時，加(jia)熱(re)坩堝使材料(liao)蒸發，所產生的(de)蒸氣以凝集的(de)形式沉(chen)積(ji)在物體上形成涂層。
基板入槽前要進(jin)行充分的清洗，在蒸鍍時，一(yi)般在基板背面設(she)置一(yi)個(ge)加(jia)熱器，使(shi)基板保持適(shi)當溫(wen)度，使(shi)鍍層和基層之間形成薄的擴散層，以(yi)增(zeng)大結合力。
蒸(zheng)發用熱源(yuan)主要(yao)分三類：電(dian)阻(zu)加熱源(yuan)、電(dian)子(zi)束加熱源(yuan)和(he)高頻(pin)感應加熱源(yuan)。最近還采用了激光(guang)蒸(zheng)鍍法和(he)離子(zi)蒸(zheng)鍍法。
蒸(zheng)鍍過程：
a. 首(shou)先對(dui)真空裝置及被鍍(du)零(ling)件(jian)進行處理，去掉污物、灰塵和油(you)漬(zi)等。
b. 把(ba)清(qing)洗(xi)過的零件裝入鍍槽的支架(jia)上。
c. 補足(zu)蒸(zheng)發物質。
d. 抽真(zhen)空，先(xian)用回(hui)轉(zhuan)泵(beng)抽至13.3Pa，再(zai)用擴散泵(beng)抽至133×10-6Pa。
e. 在高真空下對零件(jian)加(jia)熱，目的是(shi)去除水分(fen)（150℃）和增(zeng)加(jia)結(jie)合力(300~400℃)。
f. 對蒸鍍通電(dian)加熱(re)，達(da)到厚度后停電(dian)。
g. 停鍍后，需在真空條件下放(fang)置15～30min，使之冷卻到(dao)100℃左(zuo)右。
h. 關閉真空閥，導入空氣(qi)，取(qu)出模(mo)具(ju)。
二、陰極濺射
陰極(ji)濺射即用荷能粒子轟擊某一靶材(cai)(cai)（陰極(ji)），使(shi)靶材(cai)(cai)表面的原子以(yi)一定(ding)能量逸出(chu)，然(ran)后在表面沉積的過程。
濺射(she)過程：用沉積的(de)材(cai)料（如TiC）作陰極靶，并接入1～3kV的(de)直流負高壓，
在真(zhen)空(kong)室(shi)內通(tong)入壓力為(wei)0.133～13.3Pa的(de)氬(ya)氣（作(zuo)為(wei)工(gong)作(zuo)氣體）。在電場的(de)作(zuo)用下，氬(ya)氣電離(li)后(hou)產生的(de)氬(ya)離(li)子(zi)轟擊陰極靶面，濺射(she)出的(de)靶材原子(zi)或分子(zi)以一定的(de)速度落在工(gong)件表(biao)面產生沉積，并(bing)使工(gong)件受熱。濺射(she)時工(gong)件的(de)溫(wen)度可(ke)達500℃左(zuo)右。圖3-15是陰極濺射(she)系統簡圖。
當接通高壓電(dian)(dian)源時(shi)，陰(yin)(yin)(yin)極發(fa)(fa)出的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)在(zai)電(dian)(dian)場的(de)(de)(de)作用下會(hui)跑向(xiang)陽極，速(su)度在(zai)電(dian)(dian)場中不斷(duan)增加。剛離開(kai)陰(yin)(yin)(yin)極的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)能量很低(di)，不足以引(yin)起氣體(ti)原子(zi)(zi)的(de)(de)(de)變(bian)化，所以附近(jin)為暗(an)區(qu)(qu)。在(zai)稍遠的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)，當電(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)能力足以使氣體(ti)原子(zi)(zi)激發(fa)(fa)時(shi)就(jiu)產生輝光(guang)(guang)，形(xing)成(cheng)陰(yin)(yin)(yin)極輝光(guang)(guang)區(qu)(qu)。越過(guo)這(zhe)一區(qu)(qu)域，電(dian)(dian)子(zi)(zi)能量進一步增加，就(jiu)會(hui)引(yin)起氣體(ti)原子(zi)(zi)電(dian)(dian)離，從而產生大量的(de)(de)(de)離子(zi)(zi)與低(di)速(su)電(dian)(dian)子(zi)(zi)。此(ci)過(guo)程(cheng)不發(fa)(fa)光(guang)(guang)，這(zhe)一區(qu)(qu)域為陰(yin)(yin)(yin)極暗(an)區(qu)(qu)。低(di)速(su)電(dian)(dian)子(zi)(zi)在(zai)此(ci)后向(xiang)陽極的(de)(de)(de)運動(dong)過(guo)程(cheng)中，也會(hui)被加速(su)激發(fa)(fa)氣體(ti)原子(zi)(zi)而發(fa)(fa)光(guang)(guang)，形(xing)成(cheng)負輝光(guang)(guang)區(qu)(qu)。在(zai)負輝光(guang)(guang)區(qu)(qu)和陽極之間，還(huan)有(you)幾個(ge)陰(yin)(yin)(yin)暗(an)相同的(de)(de)(de)區(qu)(qu)域，但(dan)它(ta)們與濺(jian)射離子(zi)(zi)產生的(de)(de)(de)關系不大，只起導電(dian)(dian)作用。
濺(jian)射下來的材料原(yuan)子具(ju)有10～35eV的功能，比蒸鍍時的原(yuan)子動能大得多，因(yin)而濺(jian)射膜的結(jie)合力也比蒸鍍膜大。
濺射(she)性(xing)能取決于(yu)(yu)所(suo)(suo)用(yong)(yong)的(de)(de)氣體、離子的(de)(de)能量及轟擊所(suo)(suo)用(yong)(yong)的(de)(de)材料(liao)等。離子轟擊所(suo)(suo)產生(sheng)的(de)(de)投射(she)作用(yong)(yong)可用(yong)(yong)于(yu)(yu)任何類型(xing)的(de)(de)材料(liao)，難熔材料(liao)W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能像低熔點材料(liao)一樣容易被沉積。濺射(she)出的(de)(de)合金組成(cheng)常(chang)常(chang)與(yu)靶(ba)的(de)(de)成(cheng)分相當。
濺射(she)的(de)工(gong)藝很多，如果按(an)電極的(de)構造(zao)及其配(pei)置方(fang)法進(jin)行(xing)分類，具有代表性的(de)有：二極濺射(she)、三(san)極濺射(she)、磁(ci)控濺射(she)、對置濺射(she)、離子(zi)束濺射(she)和吸(xi)收濺射(she)等。常(chang)用的(de)是磁(ci)控濺射(she)，目前已開發了多種(zhong)磁(ci)控濺射(she)裝置。
常用的(de)磁控高速濺射方法的(de)工作原(yuan)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(ya)力(li)為2.6～1.3Pa，以欲沉(chen)(chen)積的(de)金屬(shu)和化合物為靶(ba)(ba)（如Ti、TiC、TiN），在靶(ba)(ba)附(fu)近設置與靶(ba)(ba)平面平行的(de)磁場，另在靶(ba)(ba)和工件之(zhi)間設置陽極以防(fang)工件過熱。磁場導致靶(ba)(ba)附(fu)近等離子(zi)密度（即(ji)金屬(shu)離化率）提高，從而(er)提高濺射與沉(chen)(chen)積速率。
磁控濺射效率高(gao)，成(cheng)膜速度(du)快（可(ke)(ke)達2μm／min），而且基板溫(wen)度(du)低(di)。因此(ci)，此(ci)法適(shi)應性廣，可(ke)(ke)沉積純金屬、合金或(huo)化合物。例如以鈦為靶，引入氮或(huo)碳氫化合物氣體(ti)可(ke)(ke)分別沉積TiN、TiC等。
三、離(li)子(zi)鍍
近(jin)年來研究開發的(de)離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)在零件表面強化方面獲得應(ying)用，效果較顯著(zhu)。所謂離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)是蒸鍍(du)(du)(du)和濺射鍍(du)(du)(du)相(xiang)結合的(de)技術。它(ta)既保留了(le)CVD的(de)本質(zhi)，又具有PVD的(de)優點。離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)零件具有結合力強、均鍍(du)(du)(du)能力好、被鍍(du)(du)(du)基體材料(liao)和鍍(du)(du)(du)層材料(liao)可以廣(guang)泛(fan)搭配(pei)等(deng)優點，因此(ci)獲得較廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用。圖3-16是離(li)子(zi)鍍(du)(du)(du)系(xi)統示意圖。
離(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)的(de)(de)基(ji)本原理是借助于一種惰(duo)性氣體的(de)(de)輝光(guang)放電(dian)(dian)(dian)使(shi)金(jin)屬或合(he)金(jin)蒸(zheng)氣離(li)子(zi)(zi)(zi)化。離(li)子(zi)(zi)(zi)經(jing)電(dian)(dian)(dian)場加速而沉積(ji)在(zai)(zai)帶(dai)負電(dian)(dian)(dian)荷(he)的(de)(de)基(ji)體上(shang)。惰(duo)性氣體一般采用氬氣，壓(ya)力(li)為0.133～1.33Pa，兩極電(dian)(dian)(dian)壓(ya)在(zai)(zai)500～2000V之間。離(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)包括鍍(du)膜材(cai)料(liao)（如TiC、TiN）的(de)(de)受熱、蒸(zheng)發、沉積(ji)過程。蒸(zheng)發的(de)(de)鍍(du)膜材(cai)料(liao)原子(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)經(jing)過輝光(guang)區時(shi)，一小部分發生電(dian)(dian)(dian)離(li)，并在(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)場的(de)(de)作用下飛向工(gong)件(jian)(jian)，以幾千電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)伏的(de)(de)能(neng)量(liang)射到工(gong)件(jian)(jian)表(biao)(biao)(biao)面，可(ke)以打入(ru)基(ji)體約幾納(na)米的(de)(de)深度，從(cong)而大大提高了(le)鍍(du)層的(de)(de)結(jie)合(he)力(li)。而未經(jing)電(dian)(dian)(dian)離(li)的(de)(de)蒸(zheng)發材(cai)料(liao)原子(zi)(zi)(zi)直(zhi)接在(zai)(zai)工(gong)件(jian)(jian)上(shang)沉積(ji)成膜。惰(duo)性氣體離(li)子(zi)(zi)(zi)與鍍(du)膜材(cai)料(liao)離(li)子(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)基(ji)板表(biao)(biao)(biao)面上(shang)發生的(de)(de)濺射還可(ke)以清除工(gong)件(jian)(jian)表(biao)(biao)(biao)面的(de)(de)污染物，從(cong)而改善結(jie)合(he)力(li)。
如果提高金屬蒸(zheng)氣原子(zi)(zi)(zi)的離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)化(hua)程(cheng)度，可以增(zeng)加鍍(du)(du)(du)層(ceng)的結(jie)合力，為(wei)此發(fa)展了一(yi)系列的離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)設備和(he)方(fang)法(fa)，如高頻離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)、空(kong)心陰極放電離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)、熱陰極離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)、感(gan)應加熱離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)、活性(xing)化(hua)蒸(zheng)發(fa)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)及低(di)壓等離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)等。近(jin)年來，多弧離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍(du)(du)(du)由于設備結(jie)構簡(jian)單、操作方(fang)便、鍍(du)(du)(du)層(ceng)均勻(yun)、生產率高，而受(shou)到人們的重(zhong)視。其工作原理和(he)特點(dian)是：
a. 將被蒸(zheng)發(fa)膜材料制成陰極靶即弧蒸(zheng)發(fa)源(yuan)，該蒸(zheng)發(fa)源(yuan)為(wei)固態，可(ke)在真空內任(ren)意方位布置，也(ye)可(ke)多源(yuan)聯合工作，有利大件鍍膜。
b. 弧(hu)蒸發(fa)(fa)(fa)源(yuan)(yuan)接電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)負極(ji)，真空室外殼(ke)接正(zheng)極(ji)，調(diao)整工(gong)(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)流(liu)，靶(ba)材表(biao)(biao)面(mian)(mian)進行弧(hu)光放電(dian)(dian)，同時蒸發(fa)(fa)(fa)出大量陰(yin)極(ji)金(jin)屬(shu)蒸氣，其中部(bu)分發(fa)(fa)(fa)生電(dian)(dian)離并在(zai)基板(ban)負偏壓的(de)吸引(yin)下(xia)轟(hong)擊工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)，從而起到潔凈工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)作(zuo)用和使工(gong)(gong)(gong)件(jian)的(de)溫度(du)升高(gao)達到沉積所(suo)需(xu)溫度(du)。此后，逐漸降低基板(ban)負壓氣化(hua)了的(de)靶(ba)粒子飛(fei)向基板(ban)形成(cheng)鍍(du)(du)膜(mo)。如果同時通入適當(dang)流(liu)量的(de)反應氣體(ti)，即可(ke)在(zai)工(gong)(gong)(gong)件(jian)表(biao)(biao)面(mian)(mian)沉積得到化(hua)合物(wu)膜(mo)層。從以上鍍(du)(du)膜(mo)過(guo)程(cheng)看(kan)，弧(hu)蒸發(fa)(fa)(fa)源(yuan)(yuan)既是蒸發(fa)(fa)(fa)器又是離化(hua)源(yuan)(yuan)，無(wu)需(xu)增加輔助離化(hua)源(yuan)(yuan)，也(ye)無(wu)需(xu)通入惰性(xing)氣體(ti)轟(hong)擊清洗工(gong)(gong)(gong)件(jian)，并且不(bu)需(xu)要烘烤(kao)裝(zhuang)置(zhi)，設備簡(jian)單(dan)、工(gong)(gong)(gong)藝穩(wen)定。
c. 多弧離(li)子鍍(du)離(li)化率高達60％～90％，有利于改善膜(mo)層的(de)質量，特別適(shi)用于活性(xing)反(fan)應沉積化合物(wu)膜(mo)層。
d. 多(duo)弧蒸發源(yuan)在蒸發陰極材料時(shi)，往往有液滴(di)(di)沉積在工(gong)件表(biao)面，造成(cheng)工(gong)件表(biao)面具有較高(gao)的表(biao)面粗糙度值。所以減少和細化蒸發材料液滴(di)(di)是當(dang)前多(duo)弧離子鍍(du)工(gong)藝的關鍵問題。
離(li)(li)子(zi)(zi)鍍除了具(ju)(ju)(ju)有鍍層(ceng)結合(he)力強的特點(dian)之外，還具(ju)(ju)(ju)有如下優點(dian)：離(li)(li)子(zi)(zi)繞射性強，沒有明顯的方向性沉積，工(gong)件的各個表面都能鍍上；鍍層(ceng)均勻性好，并且具(ju)(ju)(ju)有較高的致(zhi)密度(du)和細的晶粒度(du)，即使經(jing)鏡面研(yan)磨過的工(gong)件，進行離(li)(li)子(zi)(zi)鍍后，表面依然光潔致(zhi)密，無需(xu)再作研(yan)磨。
總之(zhi)，采用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)PVD技術(shu)可(ke)以在各種(zhong)(zhong)材料上(shang)沉積(ji)致密、光滑、高(gao)精度(du)(du)的(de)化合(he)(he)物(wu)（如TiC、TiN）鍍(du)層，所以十分適合(he)(he)模(mo)具(ju)的(de)表(biao)面熱處(chu)理(li)。目前，應用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)PVD法(fa)沉積(ji)TiC、TiN等(deng)鍍(du)層已在生(sheng)產中獲得(de)應用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)。例如Cr12MoV鋼(gang)制(zhi)油開關精制(zhi)沖(chong)模(mo)，經PVD法(fa)沉積(ji)后，表(biao)面硬(ying)度(du)(du)為(wei)2500～3000HV，摩擦因數減(jian)小，抗粘(zhan)(zhan)著(zhu)和抗咬(yao)合(he)(he)性改(gai)善，模(mo)具(ju)原使(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)1～3萬次(ci)即要刃磨，經PVD法(fa)處(chu)理(li)后，使(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)10萬次(ci)不需刃磨，尺寸(cun)無變(bian)化，仍可(ke)使(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)；用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)于沖(chong)壓和擠(ji)壓粘(zhan)(zhan)性材料的(de)冷作(zuo)模(mo)具(ju)，采用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)PVD法(fa)處(chu)理(li)后，其(qi)使(shi)用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)壽(shou)命(ming)大為(wei)提(ti)高(gao)，從發展趨(qu)勢來看，PVD法(fa)將成為(wei)模(mo)具(ju)表(biao)面處(chu)理(li)的(de)主要技術(shu)方(fang)法(fa)之(zhi)一。表(biao)3-40列出了(le)三種(zhong)(zhong)PVD法(fa)與CVD法(fa)的(de)特性比較，供(gong)選(xuan)用(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)(yong)時參考。
目(mu)前應用PVD法(fa)沉積TiC、TiN等(deng)鍍層已在生產(chan)中(zhong)得到推廣應用，同時在TiN基(ji)礎(chu)上發展起(qi)來的多元膜，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等(deng)，性能優于TiN，是一種更有(you)前途的新型薄(bo)膜。
