由于(yu)CVD法處理溫度太高，零(ling)件基體需(xu)承受(shou)相當高的(de)沉積(ji)溫度，易(yi)產生(sheng)變(bian)形和(he)基體組織變(bian)化，導致(zhi)其力學性能降低，需(xu)在CVD沉積(ji)后進行熱處理，增(zeng)大了生(sheng)產成本，因此在應用上(shang)受(shou)到一定(ding)的(de)限(xian)制(zhi)。
PVD以(yi)各種物理(li)方法產生的原(yuan)子或分子沉(chen)積在基材上形成(cheng)外加覆蓋層(ceng)，工件沉(chen)積溫度一般不(bu)超過(guo)600℃。不(bu)銹(xiu)鋼沉(chen)積后通常都無需進行熱(re)處理(li)，因而其(qi)應用(yong)比化學氣相沉(chen)積廣。
物理(li)氣相(xiang)沉積(ji)可(ke)分為真空蒸鍍、陰(yin)極濺射和離(li)子鍍三類(lei)。與(yu)CVD法相(xiang)比，PVD的(de)(de)主要優點是處(chu)理(li)溫度較(jiao)低、沉積(ji)速度較(jiao)快、無公害(hai)等，因而(er)有很高的(de)(de)實用價值；其不(bu)足之處(chu)是沉積(ji)層(ceng)(ceng)與(yu)工件的(de)(de)結合力較(jiao)小，鍍層(ceng)(ceng)的(de)(de)均(jun)勻(yun)性稍差。此外，它的(de)(de)設備造價高，操作、維(wei)護的(de)(de)技(ji)術(shu)要求(qiu)也較(jiao)高。
一、真空(kong)蒸(zheng)鍍
在高(gao)真空中使金屬、合金或(huo)化合物蒸發，然后凝聚(ju)在基體(ti)表(biao)面(mian)的(de)方法叫作真空蒸鍍(du)。真空蒸鍍(du)裝置見圖3-14。
被(bei)沉(chen)積的材料（如(ru)TiC）置于(yu)裝(zhuang)有加(jia)熱系統的坩(gan)(gan)堝中，被(bei)鍍(du)基(ji)體(ti)置于(yu)蒸發(fa)源(yuan)前(qian)面(mian)。當真空度(du)達到0.13Pa時(shi)，加(jia)熱坩(gan)(gan)堝使材料蒸發(fa)，所(suo)產生的蒸氣以凝集的形式沉(chen)積在物(wu)體(ti)上形成涂層。
基板入槽前要(yao)進行充分的清(qing)洗，在蒸鍍時，一般(ban)在基板背面設置一個加(jia)熱器，使基板保持適(shi)當溫(wen)度，使鍍層和(he)基層之(zhi)間形成薄(bo)的擴(kuo)散層，以增大(da)結合力。
蒸發用(yong)熱源(yuan)主要分(fen)三類：電阻加熱源(yuan)、電子束(shu)加熱源(yuan)和高頻感應加熱源(yuan)。最近還采(cai)用(yong)了激光蒸鍍(du)法(fa)和離子蒸鍍(du)法(fa)。
蒸鍍過程：
a. 首先(xian)對真空裝置及被(bei)鍍零(ling)件進(jin)行處理，去掉污物(wu)、灰塵和油漬等。
b. 把清洗過的(de)零件裝入(ru)鍍槽的(de)支架上(shang)。
c. 補(bu)足蒸發物質。
d. 抽真空，先(xian)用回(hui)轉泵抽至13.3Pa，再(zai)用擴散泵抽至133×10-6Pa。
e. 在高真(zhen)空下對零(ling)件加熱(re)，目(mu)的是去(qu)除水分（150℃）和(he)增加結合力(300~400℃)。
f. 對蒸鍍通電(dian)加熱，達(da)到厚度(du)后停電(dian)。
g. 停鍍(du)后(hou)，需在真空(kong)條件下放置15～30min，使(shi)之冷卻到100℃左右(you)。
h. 關閉真空(kong)閥(fa)，導入空(kong)氣(qi)，取出模具。
二、陰極濺射
陰極(ji)濺射即用荷能粒子(zi)轟擊某一靶材(cai)(cai)（陰極(ji)），使靶材(cai)(cai)表面的原子(zi)以一定能量逸出(chu)，然后在表面沉積的過程。
濺射過程：用(yong)沉積的(de)材(cai)料（如TiC）作陰極靶(ba)，并接(jie)入1～3kV的(de)直流負高壓，
在(zai)(zai)真空(kong)室內通入壓力(li)為0.133～13.3Pa的(de)(de)氬(ya)氣(qi)(qi)(qi)（作(zuo)為工(gong)作(zuo)氣(qi)(qi)(qi)體）。在(zai)(zai)電場的(de)(de)作(zuo)用下，氬(ya)氣(qi)(qi)(qi)電離(li)(li)后產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)氬(ya)離(li)(li)子(zi)轟擊陰極靶面，濺(jian)射出的(de)(de)靶材原子(zi)或分(fen)子(zi)以(yi)一定的(de)(de)速度落在(zai)(zai)工(gong)件表面產(chan)生(sheng)(sheng)沉積，并使工(gong)件受熱。濺(jian)射時工(gong)件的(de)(de)溫度可(ke)達500℃左右。圖3-15是陰極濺(jian)射系統(tong)簡圖。
當(dang)接(jie)通(tong)高壓電源(yuan)時(shi)，陰極發出的(de)電子(zi)(zi)在(zai)電場的(de)作用下會(hui)跑(pao)向陽(yang)(yang)極，速(su)度在(zai)電場中(zhong)不斷增加。剛離(li)開陰極的(de)電子(zi)(zi)能量(liang)(liang)很(hen)低(di)，不足(zu)以引起氣體原子(zi)(zi)的(de)變化，所(suo)以附(fu)近為(wei)暗區(qu)。在(zai)稍(shao)遠的(de)位(wei)置，當(dang)電子(zi)(zi)的(de)能力足(zu)以使氣體原子(zi)(zi)激發時(shi)就(jiu)產(chan)(chan)生輝光(guang)(guang)，形成陰極輝光(guang)(guang)區(qu)。越過這(zhe)一(yi)區(qu)域(yu)，電子(zi)(zi)能量(liang)(liang)進一(yi)步增加，就(jiu)會(hui)引起氣體原子(zi)(zi)電離(li)，從而(er)產(chan)(chan)生大量(liang)(liang)的(de)離(li)子(zi)(zi)與低(di)速(su)電子(zi)(zi)。此過程(cheng)不發光(guang)(guang)，這(zhe)一(yi)區(qu)域(yu)為(wei)陰極暗區(qu)。低(di)速(su)電子(zi)(zi)在(zai)此后向陽(yang)(yang)極的(de)運(yun)動過程(cheng)中(zhong)，也會(hui)被加速(su)激發氣體原子(zi)(zi)而(er)發光(guang)(guang)，形成負輝光(guang)(guang)區(qu)。在(zai)負輝光(guang)(guang)區(qu)和(he)陽(yang)(yang)極之間，還(huan)有幾(ji)個(ge)陰暗相同(tong)的(de)區(qu)域(yu)，但它們(men)與濺射離(li)子(zi)(zi)產(chan)(chan)生的(de)關(guan)系(xi)不大，只起導(dao)電作用。
濺射下來的材(cai)料原(yuan)子具有(you)10～35eV的功(gong)能(neng)，比蒸鍍時的原(yuan)子動能(neng)大得多，因(yin)而濺射膜的結合力(li)也(ye)比蒸鍍膜大。
濺射(she)(she)性(xing)能(neng)取決(jue)于(yu)所(suo)用(yong)的(de)氣(qi)體、離子的(de)能(neng)量及轟擊(ji)所(suo)用(yong)的(de)材料(liao)等。離子轟擊(ji)所(suo)產生(sheng)的(de)投射(she)(she)作用(yong)可(ke)用(yong)于(yu)任何類型的(de)材料(liao)，難熔(rong)材料(liao)W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能(neng)像低熔(rong)點(dian)材料(liao)一樣容易被沉積。濺射(she)(she)出的(de)合(he)金組(zu)成常常與(yu)靶的(de)成分相當。
濺(jian)射(she)的工藝很(hen)多(duo)，如果按電(dian)極的構造及(ji)其配(pei)置方(fang)法進行分類，具有代表性的有：二極濺(jian)射(she)、三極濺(jian)射(she)、磁控(kong)濺(jian)射(she)、對(dui)置濺(jian)射(she)、離子束濺(jian)射(she)和吸(xi)收濺(jian)射(she)等。常(chang)用的是磁控(kong)濺(jian)射(she)，目前已開發了(le)多(duo)種磁控(kong)濺(jian)射(she)裝置。
常用的磁控高速濺(jian)射方法的工(gong)作(zuo)原理為(wei)：用氬氣(qi)作(zuo)為(wei)工(gong)作(zuo)氣(qi)體，充氬氣(qi)后反應室內(nei)的壓力(li)為(wei)2.6～1.3Pa，以欲沉積的金(jin)屬和(he)化(hua)合物為(wei)靶(ba)(ba)(ba)（如Ti、TiC、TiN），在靶(ba)(ba)(ba)附(fu)近設置與靶(ba)(ba)(ba)平面平行的磁場(chang)(chang)，另在靶(ba)(ba)(ba)和(he)工(gong)件(jian)之(zhi)間設置陽極以防工(gong)件(jian)過熱。磁場(chang)(chang)導致靶(ba)(ba)(ba)附(fu)近等(deng)離(li)(li)子密度（即金(jin)屬離(li)(li)化(hua)率）提高，從而提高濺(jian)射與沉積速率。
磁(ci)控濺射(she)效率高，成(cheng)膜速(su)度快（可達2μm／min），而且基板溫度低。因此(ci)，此(ci)法適應性廣，可沉積純金(jin)屬(shu)、合金(jin)或(huo)化合物。例如以鈦為靶，引入氮或(huo)碳氫(qing)化合物氣(qi)體(ti)可分別沉積TiN、TiC等。
三(san)、離子(zi)鍍
近年來研究開發的(de)離子(zi)鍍(du)(du)在零件(jian)表(biao)面(mian)強化(hua)方(fang)面(mian)獲(huo)得(de)應用(yong)，效果較(jiao)顯著。所謂離子(zi)鍍(du)(du)是(shi)蒸鍍(du)(du)和濺(jian)射鍍(du)(du)相結合(he)的(de)技術。它既保留了(le)CVD的(de)本質，又具(ju)有PVD的(de)優(you)點。離子(zi)鍍(du)(du)零件(jian)具(ju)有結合(he)力強、均鍍(du)(du)能力好、被鍍(du)(du)基(ji)體材(cai)(cai)料(liao)和鍍(du)(du)層材(cai)(cai)料(liao)可以廣(guang)泛搭配等優(you)點，因此獲(huo)得(de)較(jiao)廣(guang)泛的(de)應用(yong)。圖3-16是(shi)離子(zi)鍍(du)(du)系統(tong)示意圖。
離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍的(de)基本原理是(shi)借助于(yu)一(yi)種惰性(xing)氣體(ti)(ti)的(de)輝光放電使金屬或合(he)(he)金蒸(zheng)(zheng)氣離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)化。離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)經電場加速而(er)沉(chen)積(ji)(ji)在(zai)帶負電荷的(de)基體(ti)(ti)上。惰性(xing)氣體(ti)(ti)一(yi)般采用(yong)氬氣，壓力(li)為0.133～1.33Pa，兩(liang)極(ji)電壓在(zai)500～2000V之(zhi)間。離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)鍍包括鍍膜(mo)材(cai)料（如(ru)TiC、TiN）的(de)受熱、蒸(zheng)(zheng)發(fa)、沉(chen)積(ji)(ji)過(guo)程。蒸(zheng)(zheng)發(fa)的(de)鍍膜(mo)材(cai)料原子(zi)(zi)(zi)在(zai)經過(guo)輝光區時，一(yi)小部分發(fa)生電離(li)(li)，并在(zai)電場的(de)作用(yong)下(xia)飛向工(gong)件(jian)(jian)，以幾(ji)千電子(zi)(zi)(zi)伏(fu)的(de)能量(liang)射到工(gong)件(jian)(jian)表面，可以打入基體(ti)(ti)約幾(ji)納米的(de)深度，從而(er)大大提高了鍍層(ceng)的(de)結(jie)合(he)(he)力(li)。而(er)未經電離(li)(li)的(de)蒸(zheng)(zheng)發(fa)材(cai)料原子(zi)(zi)(zi)直接在(zai)工(gong)件(jian)(jian)上沉(chen)積(ji)(ji)成膜(mo)。惰性(xing)氣體(ti)(ti)離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)與(yu)鍍膜(mo)材(cai)料離(li)(li)子(zi)(zi)(zi)在(zai)基板表面上發(fa)生的(de)濺射還(huan)可以清除工(gong)件(jian)(jian)表面的(de)污染物，從而(er)改善結(jie)合(he)(he)力(li)。
如果提高(gao)金(jin)屬蒸氣(qi)原子(zi)的離(li)(li)子(zi)化(hua)程(cheng)度，可以增加(jia)鍍層的結合力，為此發展(zhan)了一系列的離(li)(li)子(zi)鍍設備和(he)方(fang)法，如高(gao)頻離(li)(li)子(zi)鍍、空心陰極放電離(li)(li)子(zi)鍍、熱(re)陰極離(li)(li)子(zi)鍍、感應加(jia)熱(re)離(li)(li)子(zi)鍍、活性化(hua)蒸發離(li)(li)子(zi)鍍及低壓等離(li)(li)子(zi)鍍等。近(jin)年(nian)來，多弧離(li)(li)子(zi)鍍由于設備結構簡單、操作(zuo)方(fang)便(bian)、鍍層均(jun)勻、生產率高(gao)，而受(shou)到(dao)人(ren)們的重視。其工作(zuo)原理和(he)特點(dian)是：
a. 將(jiang)被蒸發(fa)膜材料(liao)制成陰極靶(ba)即弧蒸發(fa)源(yuan)，該蒸發(fa)源(yuan)為固態，可在真空內(nei)任意方(fang)位布(bu)置，也可多(duo)源(yuan)聯合(he)工作，有(you)利(li)大件(jian)鍍膜。
b. 弧蒸(zheng)發(fa)(fa)源接電源負(fu)極，真空室外殼接正極，調(diao)整工(gong)(gong)作(zuo)電流，靶材表(biao)(biao)面進行(xing)弧光放(fang)電，同時蒸(zheng)發(fa)(fa)出大量陰(yin)極金屬蒸(zheng)氣，其中部分發(fa)(fa)生電離并在(zai)基板負(fu)偏壓(ya)的吸引(yin)下轟(hong)(hong)擊工(gong)(gong)件表(biao)(biao)面，從而起(qi)到(dao)潔凈工(gong)(gong)件表(biao)(biao)面的作(zuo)用和使工(gong)(gong)件的溫(wen)度升高達(da)到(dao)沉積所需(xu)溫(wen)度。此后，逐漸降低基板負(fu)壓(ya)氣化(hua)了(le)的靶粒(li)子飛向基板形成鍍膜。如(ru)果(guo)同時通入(ru)適當流量的反應氣體，即可(ke)在(zai)工(gong)(gong)件表(biao)(biao)面沉積得到(dao)化(hua)合物膜層。從以上(shang)鍍膜過程看，弧蒸(zheng)發(fa)(fa)源既是蒸(zheng)發(fa)(fa)器(qi)又(you)是離化(hua)源，無需(xu)增加輔(fu)助離化(hua)源，也無需(xu)通入(ru)惰性氣體轟(hong)(hong)擊清洗(xi)工(gong)(gong)件，并且不(bu)需(xu)要烘烤裝置，設備簡(jian)單(dan)、工(gong)(gong)藝穩定。
c. 多弧離子鍍離化率高達60％～90％，有利于改(gai)善膜(mo)層(ceng)(ceng)的質量，特別(bie)適用于活性反(fan)應沉積(ji)化合物膜(mo)層(ceng)(ceng)。
d. 多弧(hu)蒸發源在蒸發陰極材料(liao)時，往往有(you)(you)液滴(di)沉積在工(gong)件表(biao)面(mian)(mian)，造成工(gong)件表(biao)面(mian)(mian)具(ju)有(you)(you)較高(gao)的表(biao)面(mian)(mian)粗糙度值。所以減少和細化蒸發材料(liao)液滴(di)是(shi)當前多弧(hu)離子鍍(du)工(gong)藝的關鍵問題(ti)。
離子(zi)鍍(du)除(chu)了具(ju)有(you)鍍(du)層結合力強(qiang)的(de)(de)特點之外，還具(ju)有(you)如(ru)下優點：離子(zi)繞(rao)射性強(qiang)，沒有(you)明顯(xian)的(de)(de)方(fang)向性沉積，工件的(de)(de)各個表(biao)面都能鍍(du)上；鍍(du)層均勻性好(hao)，并且具(ju)有(you)較高的(de)(de)致(zhi)密度和細的(de)(de)晶(jing)粒度，即使經鏡面研(yan)磨過的(de)(de)工件，進行離子(zi)鍍(du)后，表(biao)面依(yi)然光潔致(zhi)密，無需再作研(yan)磨。
總之，采用(yong)(yong)PVD技術可以在(zai)各種(zhong)材料(liao)上沉(chen)(chen)積(ji)致密、光滑、高(gao)精度的(de)(de)化(hua)合(he)(he)物（如(ru)TiC、TiN）鍍(du)層(ceng)(ceng)，所以十分(fen)適合(he)(he)模具的(de)(de)表(biao)面熱處理(li)。目(mu)前，應用(yong)(yong)PVD法沉(chen)(chen)積(ji)TiC、TiN等(deng)鍍(du)層(ceng)(ceng)已在(zai)生產中(zhong)獲得(de)應用(yong)(yong)。例如(ru)Cr12MoV鋼制(zhi)油開關(guan)精制(zhi)沖模，經PVD法沉(chen)(chen)積(ji)后，表(biao)面硬度為(wei)2500～3000HV，摩擦(ca)因數減小，抗粘(zhan)著(zhu)和抗咬(yao)合(he)(he)性(xing)改善，模具原使(shi)用(yong)(yong)1～3萬次即(ji)要(yao)刃(ren)磨(mo)(mo)，經PVD法處理(li)后，使(shi)用(yong)(yong)10萬次不(bu)需(xu)刃(ren)磨(mo)(mo)，尺寸無(wu)變化(hua)，仍可使(shi)用(yong)(yong)；用(yong)(yong)于沖壓和擠壓粘(zhan)性(xing)材料(liao)的(de)(de)冷作模具，采用(yong)(yong)PVD法處理(li)后，其使(shi)用(yong)(yong)壽命大為(wei)提高(gao)，從發(fa)展趨勢來看，PVD法將成為(wei)模具表(biao)面處理(li)的(de)(de)主要(yao)技術方法之一(yi)。表(biao)3-40列出了三種(zhong)PVD法與CVD法的(de)(de)特性(xing)比較(jiao)，供選用(yong)(yong)時參(can)考。
目(mu)前應用PVD法沉積TiC、TiN等鍍(du)層(ceng)已在生產中得到推廣應用，同時在TiN基礎上發展起(qi)來的多元膜，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等，性能(neng)優于TiN，是一種更有前途(tu)的新(xin)型薄膜。
