由于CVD法處理溫度太高，零件基體需承受相當(dāng)高的沉積溫度，易產(chǎn)生變形和基體組織變化，導(dǎo)致其力學(xué)性能降低，需在CVD沉積后進(jìn)行熱處理，增大了生產(chǎn)成本，因此在應(yīng)用上受到一定的限制。

  PVD以各種物理方法產(chǎn)生的原子或分子沉積在基材上形成外加覆蓋層，工件沉積溫度一般不超過600℃。不銹鋼沉積后通常都無需進(jìn)行熱處理，因而其應(yīng)用比化學(xué)氣相沉積廣。

  物理氣相沉積可分為真空蒸鍍、陰極濺射和離子鍍?nèi)?。與CVD法相比，PVD的主要優(yōu)點(diǎn)是處理溫度較低、沉積速度較快、無公害等，因而有很高的實(shí)用價(jià)值；其不足之處是沉積層與工件的結(jié)合力較小，鍍層的均勻性稍差。此外，它的設(shè)備造價(jià)高，操作、維護(hù)的技術(shù)要求也較高。

一、真空蒸鍍 

  在高真空中使金屬、合金或化合物蒸發(fā)，然后凝聚在基體表面的方法叫作真空蒸鍍。真空蒸鍍裝置見圖3-14。

  被沉積的材料（如TiC）置于裝有加熱系統(tǒng)的坩堝中，被鍍基體置于蒸發(fā)源前面。當(dāng)真空度達(dá)到0.13Pa時(shí)，加熱坩堝使材料蒸發(fā)，所產(chǎn)生的蒸氣以凝集的形式沉積在物體上形成涂層。

  基板入槽前要進(jìn)行充分的清洗，在蒸鍍時(shí)，一般在基板背面設(shè)置一個(gè)加熱器，使基板保持適當(dāng)溫度，使鍍層和基層之間形成薄的擴(kuò)散層，以增大結(jié)合力。

  蒸發(fā)用熱源主要分三類：電阻加熱源、電子束加熱源和高頻感應(yīng)加熱源。最近還采用了激光蒸鍍法和離子蒸鍍法。

 蒸鍍過程：

   a. 首先對真空裝置及被鍍零件進(jìn)行處理，去掉污物、灰塵和油漬等。

   b. 把清洗過的零件裝入鍍槽的支架上。

   c. 補(bǔ)足蒸發(fā)物質(zhì)。

   d. 抽真空，先用回轉(zhuǎn)泵抽至13.3Pa，再用擴(kuò)散泵抽至133×10-6Pa。

   e. 在高真空下對零件加熱，目的是去除水分（150℃）和增加結(jié)合力(300~400℃)。

   f. 對蒸鍍通電加熱，達(dá)到厚度后停電。

   g. 停鍍后，需在真空條件下放置15～30min，使之冷卻到100℃左右。

   h. 關(guān)閉真空閥，導(dǎo)入空氣，取出模具。

二、陰極濺射 

  陰極濺射即用荷能粒子轟擊某一靶材（陰極），使靶材表面的原子以一定能量逸出，然后在表面沉積的過程。

  濺射過程：用沉積的材料（如TiC）作陰極靶，并接入1～3kV的直流負(fù)高壓，

  在真空室內(nèi)通入壓力為0.133～13.3Pa的氬氣（作為工作氣體）。在電場的作用下，氬氣電離后產(chǎn)生的氬離子轟擊陰極靶面，濺射出的靶材原子或分子以一定的速度落在工件表面產(chǎn)生沉積，并使工件受熱。濺射時(shí)工件的溫度可達(dá)500℃左右。圖3-15是陰極濺射系統(tǒng)簡圖。

  當(dāng)接通高壓電源時(shí)，陰極發(fā)出的電子在電場的作用下會跑向陽極，速度在電場中不斷增加。剛離開陰極的電子能量很低，不足以引起氣體原子的變化，所以附近為暗區(qū)。在稍遠(yuǎn)的位置，當(dāng)電子的能力足以使氣體原子激發(fā)時(shí)就產(chǎn)生輝光，形成陰極輝光區(qū)。越過這一區(qū)域，電子能量進(jìn)一步增加，就會引起氣體原子電離，從而產(chǎn)生大量的離子與低速電子。此過程不發(fā)光，這一區(qū)域?yàn)殛帢O暗區(qū)。低速電子在此后向陽極的運(yùn)動過程中，也會被加速激發(fā)氣體原子而發(fā)光，形成負(fù)輝光區(qū)。在負(fù)輝光區(qū)和陽極之間，還有幾個(gè)陰暗相同的區(qū)域，但它們與濺射離子產(chǎn)生的關(guān)系不大，只起導(dǎo)電作用。

  濺射下來的材料原子具有10～35eV的功能，比蒸鍍時(shí)的原子動能大得多，因而濺射膜的結(jié)合力也比蒸鍍膜大。

  濺射性能取決于所用的氣體、離子的能量及轟擊所用的材料等。離子轟擊所產(chǎn)生的投射作用可用于任何類型的材料，難熔材料W、Ta、C、Mo、WC、TiC、TiN也能像低熔點(diǎn)材料一樣容易被沉積。濺射出的合金組成常常與靶的成分相當(dāng)。

  濺射的工藝很多，如果按電極的構(gòu)造及其配置方法進(jìn)行分類，具有代表性的有：二極濺射、三極濺射、磁控濺射、對置濺射、離子束濺射和吸收濺射等。常用的是磁控濺射，目前已開發(fā)了多種磁控濺射裝置。

  常用的磁控高速濺射方法的工作原理為：用氬氣作為工作氣體，充氬氣后反應(yīng)室內(nèi)的壓力為2.6～1.3Pa，以欲沉積的金屬和化合物為靶（如Ti、TiC、TiN），在靶附近設(shè)置與靶平面平行的磁場，另在靶和工件之間設(shè)置陽極以防工件過熱。磁場導(dǎo)致靶附近等離子密度（即金屬離化率）提高，從而提高濺射與沉積速率。

  磁控濺射效率高，成膜速度快（可達(dá)2μm／min），而且基板溫度低。因此，此法適應(yīng)性廣，可沉積純金屬、合金或化合物。例如以鈦為靶，引入氮或碳?xì)浠衔餁怏w可分別沉積TiN、TiC等。

三、離子鍍 

  近年來研究開發(fā)的離子鍍在零件表面強(qiáng)化方面獲得應(yīng)用，效果較顯著。所謂離子鍍是蒸鍍和濺射鍍相結(jié)合的技術(shù)。它既保留了CVD的本質(zhì)，又具有PVD的優(yōu)點(diǎn)。離子鍍零件具有結(jié)合力強(qiáng)、均鍍能力好、被鍍基體材料和鍍層材料可以廣泛搭配等優(yōu)點(diǎn)，因此獲得較廣泛的應(yīng)用。圖3-16是離子鍍系統(tǒng)示意圖。

  離子鍍的基本原理是借助于一種惰性氣體的輝光放電使金屬或合金蒸氣離子化。離子經(jīng)電場加速而沉積在帶負(fù)電荷的基體上。惰性氣體一般采用氬氣，壓力為0.133～1.33Pa，兩極電壓在500～2000V之間。離子鍍包括鍍膜材料（如TiC、TiN）的受熱、蒸發(fā)、沉積過程。蒸發(fā)的鍍膜材料原子在經(jīng)過輝光區(qū)時(shí)，一小部分發(fā)生電離，并在電場的作用下飛向工件，以幾千電子伏的能量射到工件表面，可以打入基體約幾納米的深度，從而大大提高了鍍層的結(jié)合力。而未經(jīng)電離的蒸發(fā)材料原子直接在工件上沉積成膜。惰性氣體離子與鍍膜材料離子在基板表面上發(fā)生的濺射還可以清除工件表面的污染物，從而改善結(jié)合力。

  如果提高金屬蒸氣原子的離子化程度，可以增加鍍層的結(jié)合力，為此發(fā)展了一系列的離子鍍設(shè)備和方法，如高頻離子鍍、空心陰極放電離子鍍、熱陰極離子鍍、感應(yīng)加熱離子鍍、活性化蒸發(fā)離子鍍及低壓等離子鍍等。近年來，多弧離子鍍由于設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、鍍層均勻、生產(chǎn)率高，而受到人們的重視。其工作原理和特點(diǎn)是：

   a. 將被蒸發(fā)膜材料制成陰極靶即弧蒸發(fā)源，該蒸發(fā)源為固態(tài)，可在真空內(nèi)任意方位布置，也可多源聯(lián)合工作，有利大件鍍膜。

   b. 弧蒸發(fā)源接電源負(fù)極，真空室外殼接正極，調(diào)整工作電流，靶材表面進(jìn)行弧光放電，同時(shí)蒸發(fā)出大量陰極金屬蒸氣，其中部分發(fā)生電離并在基板負(fù)偏壓的吸引下轟擊工件表面，從而起到潔凈工件表面的作用和使工件的溫度升高達(dá)到沉積所需溫度。此后，逐漸降低基板負(fù)壓氣化了的靶粒子飛向基板形成鍍膜。如果同時(shí)通入適當(dāng)流量的反應(yīng)氣體，即可在工件表面沉積得到化合物膜層。從以上鍍膜過程看，弧蒸發(fā)源既是蒸發(fā)器又是離化源，無需增加輔助離化源，也無需通入惰性氣體轟擊清洗工件，并且不需要烘烤裝置，設(shè)備簡單、工藝穩(wěn)定。

   c. 多弧離子鍍離化率高達(dá)60％～90％，有利于改善膜層的質(zhì)量，特別適用于活性反應(yīng)沉積化合物膜層。

   d. 多弧蒸發(fā)源在蒸發(fā)陰極材料時(shí)，往往有液滴沉積在工件表面，造成工件表面具有較高的表面粗糙度值。所以減少和細(xì)化蒸發(fā)材料液滴是當(dāng)前多弧離子鍍工藝的關(guān)鍵問題。

  離子鍍除了具有鍍層結(jié)合力強(qiáng)的特點(diǎn)之外，還具有如下優(yōu)點(diǎn)：離子繞射性強(qiáng)，沒有明顯的方向性沉積，工件的各個(gè)表面都能鍍上；鍍層均勻性好，并且具有較高的致密度和細(xì)的晶粒度，即使經(jīng)鏡面研磨過的工件，進(jìn)行離子鍍后，表面依然光潔致密，無需再作研磨。

  總之，采用PVD技術(shù)可以在各種材料上沉積致密、光滑、高精度的化合物（如TiC、TiN）鍍層，所以十分適合模具的表面熱處理。目前，應(yīng)用PVD法沉積TiC、TiN等鍍層已在生產(chǎn)中獲得應(yīng)用。例如Cr12MoV鋼制油開關(guān)精制沖模，經(jīng)PVD法沉積后，表面硬度為2500～3000HV，摩擦因數(shù)減小，抗粘著和抗咬合性改善，模具原使用1～3萬次即要刃磨，經(jīng)PVD法處理后，使用10萬次不需刃磨，尺寸無變化，仍可使用；用于沖壓和擠壓粘性材料的冷作模具，采用PVD法處理后，其使用壽命大為提高，從發(fā)展趨勢來看，PVD法將成為模具表面處理的主要技術(shù)方法之一。表3-40列出了三種PVD法與CVD法的特性比較，供選用時(shí)參考。

  目前應(yīng)用PVD法沉積TiC、TiN等鍍層已在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用，同時(shí)在TiN基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多元膜，如（Ti、Al）N、（Ti、Cr）N等，性能優(yōu)于TiN，是一種更有前途的新型薄膜。