FCVA鍍膜及其應(yīng)用

目前應(yīng)用于縫制機(jī)械的新材料很多，比如多元填充高分子材料、陶瓷、金屬鈦、特氟龍、低溫液態(tài)化油脂等。而陶瓷、金剛石粉、鈦合金、多元填充高分子材料等特種材料的涂覆工藝也在不斷改進(jìn)并且越來(lái)越多地應(yīng)用于縫制機(jī)械中。

鍍膜，是應(yīng)用新的材料及新的涂覆工藝較多的一道工序。已經(jīng)有不少高速自動(dòng)化縫紉機(jī)的零部件在鍍膜時(shí)采用了新膜層材料和新鍍膜方式。我們知道，鍍膜涉及兩項(xiàng)基本內(nèi)容，一是鍍膜的技術(shù)與方法，二是所鍍膜層的材料。不同的鍍膜方式，所達(dá)到的鍍膜效果不同，膜層的性能發(fā)揮情況也隨之有差異，而采用不同的鍍層材料也有不同的性能表現(xiàn)。

1 不同的鍍膜技術(shù)

在微觀環(huán)境下看，鍍膜就是將一些物質(zhì)（反應(yīng)物）的分子、原子或者離子通過(guò)一定的方式被分解出來(lái)在其所具有的能量作用下涂覆（沉積）在需要鍍膜的工件（基體）上。鍍膜時(shí)，要考慮膜層、工件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)，選擇合適的鍍膜方法將膜層緊緊地附著于工件上并且要產(chǎn)生好的性能效果。

真空鍍膜技術(shù)就是在真空環(huán)境下，通過(guò)化學(xué)、物理方式將反應(yīng)物或者靶材沉積到基體上的薄膜氣相沉積技術(shù)。鍍膜通常需要在干凈、純粹的真空環(huán)境下進(jìn)行，既為了避免污染（減少成膜過(guò)程中氣體分子進(jìn)入薄膜中成為雜質(zhì)的量），也在于膜層材料的分子、原子化學(xué)性活躍，在常溫常態(tài)下容易出現(xiàn)問(wèn)題（比如分子間的碰撞、氧化反應(yīng)）。

根據(jù)反應(yīng)方式分，真空鍍膜技術(shù)有PVD（物理氣相沉積）、CVD（化學(xué)氣相沉積）以及FCVA等。

1.1 PVD

PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理氣相沉積）的縮寫(xiě)，是指在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質(zhì)與氣體都發(fā)生電離，利用電場(chǎng)的加速作用，使被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件上。PVD鍍膜技術(shù)主要分真空蒸發(fā)鍍膜、真空濺射鍍膜和真空離子鍍膜三類(lèi)。

真空蒸發(fā)鍍膜是通過(guò)加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)（比如金屬、化合物等）使其原子或分子以冷凝方式沉積在作為基體的固體表面；濺射鍍膜是用高能粒子轟擊固體表面時(shí)能使固體表面的粒子獲得能量并逸出表面，沉積在基體上；離子鍍膜是蒸發(fā)物質(zhì)的分子被電子碰撞電離后以離子沉積在固體表面，是真空蒸發(fā)與陰極濺射技術(shù)的結(jié)合。

1.2 CVD

CVD是Chemical Vapor Deposition（化學(xué)氣相沉積）的縮寫(xiě)，很多反應(yīng)物質(zhì)在通常條件下是液態(tài)或固態(tài)，經(jīng)過(guò)汽化成蒸汽再參與反應(yīng)，通常是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)的方式，利用加熱、等離子激勵(lì)或光輻射等各種能源，在反應(yīng)器內(nèi)使氣態(tài)或蒸汽狀態(tài)的化學(xué)物質(zhì)在氣相或氣固界面上經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)沉積物。

CVD是現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用的用來(lái)沉積多種材料的技術(shù)，包括大范圍的絕緣材料，大多數(shù)金屬材料和金屬合金材料。

近年來(lái)，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（PECVD）發(fā)展起來(lái)，zui早也是用于半導(dǎo)體材料的加工，將沉積溫度從1000℃降到600℃以下，zui低的只有300℃左右。

1.3 FCVA

FCVA鍍膜是英文Filtered Cathodic Vacuum Arc的縮寫(xiě)，即“過(guò)濾陰極真空電弧技術(shù)鍍膜”，對(duì)縫制機(jī)械行業(yè)而言還算是新事物。這種鍍膜技術(shù)正在為朝高速、無(wú)油環(huán)保方向發(fā)展的縫制機(jī)械提供助力。

圖1 FDVE原理示意圖

如圖1所示，F(xiàn)CVA使用異面雙彎過(guò)濾器以及高能電、磁場(chǎng)過(guò)濾除去多余宏觀顆粒和不帶電的離子，其膜層表面形貌方面的質(zhì)量可以與CVD膜層相比。FCVA技術(shù)產(chǎn)生能像穩(wěn)定的電弧和純離子束流，能量可以根據(jù)不同的工藝要求控制，由FCVA技術(shù)沉積的碳膜和金屬膜質(zhì)量高，其等離子掃描技術(shù)可以使鍍膜沉積面積提高到直徑12英寸以上。FCVA的鍍膜過(guò)程可以在低溫下（小于80攝氏度）進(jìn)行，可廣泛應(yīng)用于包括塑料和橡膠在內(nèi)的各種領(lǐng)域，這點(diǎn)對(duì)縫制機(jī)械元器件來(lái)說(shuō)也特別重要。

FCVA技術(shù)的核心點(diǎn)是：原體是的等離子體——除了電子、原子外還有正離子，這些是所需要鍍膜的材料本身產(chǎn)生的，比如鍍碳，就是碳正離子，而鍍銅則就是銅正離子，與工件上的電子合并成為中性的原子。它采用起弧方式產(chǎn)生100%離化的鍍膜粒子，這些鍍膜離子在到達(dá)鍍膜基體之前，通過(guò)外加電磁場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)鍍膜離子的能量，而不像普通的磁控濺射鍍膜方式只能通過(guò)加熱的方法來(lái)增加鍍膜粒子的能量。

過(guò)濾陰極電弧（FCA）配有的電磁過(guò)濾系統(tǒng)，可將離子源產(chǎn)生的等離子體中的宏觀粒子、離子團(tuán)過(guò)濾干凈，經(jīng)過(guò)磁過(guò)濾后沉積粒子的離化率為100%，并且可以過(guò)濾掉大顆粒，因此制備的薄膜非常致密和平整光滑，抗腐蝕性能好，與機(jī)體的結(jié)合力很強(qiáng)。

為了達(dá)到良好的效果，F(xiàn)CVA鍍膜對(duì)各工藝環(huán)節(jié)有嚴(yán)格的管理要求。鍍膜之前，要對(duì)待鍍膜的基體進(jìn)行清洗，因?yàn)檫@些基體帶有空隙、空洞、油脂、污跡等，可通過(guò)真空加熱和清洗加熱去掉這些“臟東西”——鍍膜的基體一定要干凈無(wú)雜質(zhì)。經(jīng)過(guò)處理的基體還應(yīng)該在無(wú)菌的環(huán)境中上到夾具上，如果短時(shí)間不能鍍膜則會(huì)放到設(shè)置了一定溫度的保溫箱中，使其處于良好的狀態(tài)。

1.4 幾種鍍膜技術(shù)的參數(shù)比較

表1 不同的鍍膜技術(shù)比較

注：EV表示電子伏特

表1反映了不同的鍍膜技術(shù)的各項(xiàng)指標(biāo)情況。PVD （濺射）的鍍膜微粒是原子，而CVD（PECVD）的鍍膜微粒是原子團(tuán)（反應(yīng)分子），而FCVA輸出是一束等離子，該等離子束可以被掃描，可以對(duì)該離子束加偏壓，該等離子束可通過(guò)鍍膜技術(shù)加以控制。

鍍膜需要產(chǎn)生*獨(dú)立、自由的分子、原子，通常要采用加熱、蒸發(fā)等方式把粒子從束縛中解脫出來(lái)，才能做一些改變。此時(shí)，鍍鋁、鍍銅甚至是鍍鉻等都沒(méi)有問(wèn)題，但要鍍陶瓷、氮化膜、氧化膜等硬膜，要將反應(yīng)物燒沸很難。尤其是鍍硬膜時(shí)，若采用濺射方式，將固體變?yōu)樵踊蛘叻肿訋缀醪荒茏龅?，而是在真空環(huán)境中形成離子團(tuán)，加入負(fù)電壓，以正離子去轟擊要鍍膜的物件（讓通氬氣的原子加熱，用氬離子告訴轟擊靶面），效率低下（可能1000次轟擊后有才1~2個(gè)原子出來(lái)），且如果沖擊時(shí)真空環(huán)境不好，其分子疏松。若采用蒸發(fā)方式，則容易產(chǎn)生空洞，需要加高溫讓分子利用能量去*空洞——這點(diǎn)對(duì)做鍍膜不好，鍍膜要求不存在空洞，其所加溫度要在400攝氏度及以上，這種情況對(duì)原子、分子的要求不高，但對(duì)材料的要求高，比如需要高速鋼、工具鋼之類(lèi)，其它的材料則不太好。

FCVA技術(shù)既不是濺射也不是熱蒸發(fā)，由于用的是等離子，其正離子帶電，外加電磁場(chǎng)的方式使其加速（像光速），不用熱能而是用動(dòng)能（速度）來(lái)完成鍍膜。濺射和蒸發(fā)時(shí)的動(dòng)能速度是每秒幾百米，約1個(gè)電子福特的能量，而FCVA的速度是每秒幾十公里，有50、60個(gè)電子福特的能量且可變、可控。通常，要克服物體表面張力需要30、40個(gè)電子輻特。如果能很好穿透表面張力，則膜層的附著力和密實(shí)度高，能形成超硬膜，因?yàn)闆Q定鍍膜優(yōu)劣的關(guān)鍵因素是鍍膜粒子能量，當(dāng)鍍膜粒子的能量增加后，膜層的密度也將隨之增加，附著力大大改善。傳統(tǒng)鍍膜技術(shù)只能通過(guò)升高基體溫度來(lái)改善鍍膜質(zhì)量，但存在一定局限性。此外，F(xiàn)CVA鍍膜時(shí)的離子能量可控，這些等離子體有了能量和可控性，其膜層的致密性也就更好。

2 FCVA可鍍的膜層

從應(yīng)用分，目前FCVA鍍膜層分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是在表面裝飾鍍膜方面，主要是（鈦金、鋯金）鍍覆于鐘表、鎖具五金、廚房衛(wèi)浴五金等各種五金制品表面；一類(lèi)是在工具鍍膜方面，主要是（硬質(zhì)膜層、摩擦系數(shù)）鍍覆于各種金屬加工模具（沖壓模具）、電子半導(dǎo)體類(lèi)模具（成型刀）、粉末冶金模具、刀具（切紙刀、銑刀、絞刀等各類(lèi)刀具）、車(chē)削刀具以及各種注塑模具（塑料成型注塑模具活動(dòng)部件，零件上的應(yīng)用）。

采用FCVA技術(shù)可在多種材質(zhì)的工具、模具和刀具上涂上TAC-ONTM（類(lèi)金剛石）、AITiN（鋁氧化鈦）、CrN（氧化鉻）、TiN（氧化鈦）等單層及多層硬質(zhì)膜層，其膜層硬度高（2 000~5 000HV），結(jié)合強(qiáng)度高（zui高達(dá)到100N），摩擦系數(shù)低（可降低到0.08），表面粗糙度低（zui高達(dá)到球面）。

下面介紹幾種膜層的特點(diǎn)。

2.1 TiN（氧化鈦）薄膜

TiN膜層具有高熔點(diǎn)、高硬度和良好熱傳導(dǎo)率的特性，且耐磨損，具有適中的耐氧化性，適用于高速切割，已成功用于刀具和模具耐磨保護(hù)涂層和裝飾涂層。其膜層顏色為金黃色，硬度在2 000HV~2 500HV之間，摩擦系數(shù)zui大0.65，典型厚度在1~4微米，鍍膜溫度在400攝氏度，其工作溫度在800攝氏度。

2.2 CrN（氧化鉻）薄膜

CrN膜層有良好的附著性、耐腐蝕性和耐氧化性，在機(jī)械部件和模具上采用此膜層是為了增強(qiáng)其潤(rùn)滑性和耐磨性，與TiN膜層相比，它對(duì)水質(zhì)溶液的抗腐蝕性更強(qiáng)，其較高的表面硬度、較低的摩擦系數(shù)和殘余應(yīng)力使其適用于抗磨損、摩擦的場(chǎng)合。其膜層顏色為銀灰色，硬度在2 100HV及以下，摩擦系數(shù)zui大0.3，典型厚度在1~4微米，鍍膜溫度在200到400攝氏度，其工作溫度在500攝氏度。

2.3 TAC-ON非晶態(tài)四面體碳膜

碳膜在縫制機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)多起來(lái)，主要應(yīng)用的是類(lèi)金剛石（也稱(chēng)為DLC）碳膜。碳元素因碳原子和碳原子之間的不同結(jié)合方式，從而使其zui終產(chǎn)生不同的物質(zhì)，一類(lèi)是碳碳以sp3鍵的形式結(jié)合的金剛石，一類(lèi)是碳碳以sp2鍵的形式結(jié)合的石墨，一類(lèi)則是碳碳以sp3和 sp2鍵的形式結(jié)合生成的無(wú)定形碳的一種亞穩(wěn)定形態(tài)，即類(lèi)金剛石。

類(lèi)金剛石沒(méi)有嚴(yán)格的定義，可以包括很寬性質(zhì)范圍的非晶碳，兼具了金剛石和石墨的優(yōu)良特性，由類(lèi)金剛石而來(lái)的DLC膜同樣是一種亞穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)程無(wú)序的非晶材料，可分為無(wú)氫類(lèi)金剛石碳膜和氫化類(lèi)金剛石碳膜兩類(lèi)。TAC-ON（非晶的四面體碳薄膜，ta-C）是一種無(wú)氫的類(lèi)金剛石碳膜，是由超過(guò)80％的sp3鍵碳原子為骨架構(gòu)成，其硬度僅次于鉆石。

金剛石成膜的難度高（SP3鍵，合體含大量氫與碳，氫多了疏松，經(jīng)不起分解），必須經(jīng)過(guò)高壓，通常是千兆帕以上。FCVA給予熱能之外的能量，形成瞬時(shí)高壓使碳元素瞬時(shí)形成金剛石鍵（原子與原子間形成SP3鍵）且非晶的薄膜，摩擦系數(shù)低。

采用FCVA技術(shù)沉積的TAC-ON薄膜在附著力和耐磨性方面比傳統(tǒng)的DLC薄膜強(qiáng)，有粘油性，潤(rùn)滑性能*，可減少摩擦，并能減少潤(rùn)滑油污染。TAC-ON膜層的硬度也高于傳統(tǒng)的DLC膜層。由于沒(méi)有氫和氧鍵在TAC-ON膜形成，其膜層可以*透明（膜厚薄）。TAC-ON薄膜的膜層顏色為輕碳黑色，其膜層密度小于3，膜層硬度在3 000HV~5 000HV之間，摩擦系數(shù)zui大0.1，典型厚度在0.1~2微米，鍍膜溫度小于80攝氏度，其工作溫度小于350攝氏度。這種薄膜早已在多個(gè)行業(yè)有應(yīng)用，但這兩年才開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用。

3 FCVA鍍膜層的應(yīng)用

FCVA真空鍍膜技術(shù)是綠色無(wú)污染的技術(shù)，其應(yīng)用的領(lǐng)域很廣，比如相機(jī)、手機(jī)的鏡頭，多為非球面鏡，通過(guò)模具壓制而成，對(duì)模具的要求高，有生產(chǎn)該模具的制造商應(yīng)用了FCVA技術(shù)來(lái)鍍壓制鏡頭的模具。還有*性的應(yīng)用，比如電腦硬盤(pán)中的片盤(pán)，其磁頭和磁盤(pán)上都需要保護(hù)，用類(lèi)似技術(shù)形成碳膜。又如復(fù)印機(jī)的核心——墨盒，高質(zhì)量復(fù)印機(jī)采用的是加高壓的網(wǎng)片，網(wǎng)片上面也有鍍膜。還有一些塑料器件直接采用該鍍膜技術(shù)來(lái)代替電鍍，因?yàn)樗芰辖饘倩幚淼姆绞酵ǔ殡婂?，但電鍍需要的塑料有選擇性，而真空鍍沒(méi)有，包括PC都可以進(jìn)行鍍膜，且膜層厚度均勻、耐磨，比如相機(jī)鏡頭的卡環(huán)現(xiàn)在都采用鍍膜塑料，而以前為黃銅材質(zhì)。

目前，采用FCVA鍍膜技術(shù)形成的TAC-ON以及氧化鈦膜層在紡織機(jī)械與縫制機(jī)械配件上皆有所應(yīng)用，比如縫紉機(jī)機(jī)針、針桿、旋梭、切刀等部件。從前文介紹的情況看，在沉積方式、鍍膜真空鍍、預(yù)處理工藝方面的顯著特點(diǎn)決定了FCVA鍍膜技術(shù)在縫制機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用較之普通鍍膜技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。一是其鍍膜溫度小于 80攝氏度，不會(huì)造成45鋼材料的針桿或者其他軸類(lèi)零件變形與二次回火，二是高表面硬度且具有*附著力，其膜層更致密，金剛石成分高，耐磨損、耐腐蝕且具有*的拉油能力，可顯著降低傳動(dòng)部件磨損,實(shí)現(xiàn)無(wú)油潤(rùn)滑或微油潤(rùn)滑。

3.1 無(wú)油高速機(jī)種

由于類(lèi)金剛石涂層—Tac涂層具有超高的表面硬度，摩擦系數(shù)非常低，能夠適應(yīng)無(wú)油狀態(tài)下的高速摩擦運(yùn)動(dòng)。適合無(wú)油或高速、超高速機(jī)種中摩擦面積大、運(yùn)動(dòng)線速度高或不宜連續(xù)供油潤(rùn)滑的軸銷(xiāo)類(lèi)（比如針桿）、連桿類(lèi)等零部件的鍍膜需要。

3.2 無(wú)油平縫機(jī)

旋梭是目前無(wú)油平縫機(jī)的技術(shù)瓶頸之一。通常旋梭的轉(zhuǎn)速是縫紉機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的2倍，由于要為旋梭供油，不少原本可以成為無(wú)油機(jī)型的平縫機(jī)不得不成為微油機(jī)型，如果能在旋梭的導(dǎo)軌和導(dǎo)軌槽部位采用FCVA技術(shù)的鍍膜，則可能突破這一技術(shù)瓶頸。

3.3 高速包縫機(jī)、高速帶刀平縫機(jī)

高速包縫機(jī)、高速帶刀平縫機(jī)等帶切邊功能的機(jī)種，其切刀是zui易磨損的零件，而修磨切刀依靠的是機(jī)修工的經(jīng)驗(yàn)，往往由于切刀修磨不到位而影響縫紉機(jī)的切邊質(zhì)量，采用鍍膜技術(shù)可延長(zhǎng)其使用壽命。自動(dòng)剪線平縫機(jī)的剪線刀如果應(yīng)用FCVA鍍膜技術(shù)，將提高剪線的可靠性，從而提升整機(jī)的檔次。

現(xiàn)在FCVA鍍膜技術(shù)以及采用這種技術(shù)所鍍膜層多應(yīng)用于縫制機(jī)械。比如在去年舉辦的CSIMA2011上，西安標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)股份有限公司的GC6730、GC6760兩大系列的電腦控制直驅(qū)高速平縫機(jī)（屬于微油機(jī)）在行業(yè)中獲得了中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心頒發(fā)的節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)品認(rèn)證證書(shū)，該系列機(jī)器中采用的就是FVCA真空鍍膜的針桿。