FCVA镀膜及其应用

目前应用于缝制机械的新材料很多，比如多元填充高分子材料、陶瓷、金属钛、特氟龙、低温液态化油脂等。而陶瓷、金刚石粉、钛合金、多元填充高分子材料等特种材料的涂覆工艺也在不断改进并且越来越多地应用于缝制机械中。

镀膜，是应用新的材料及新的涂覆工艺较多的一道工序。已经有不少高速自动化缝纫机的零部件在镀膜时采用了新膜层材料和新镀膜方式。我们知道，镀膜涉及两项基本内容，一是镀膜的技术与方法，二是所镀膜层的材料。不同的镀膜方式，所达到的镀膜效果不同，膜层的性能发挥情况也随之有差异，而采用不同的镀层材料也有不同的性能表现。

1 不同的镀膜技术

在微观环境下看，镀膜就是将一些物质（反应物）的分子、原子或者离子通过一定的方式被分解出来在其所具有的能量作用下涂覆（沉积）在需要镀膜的工件（基体）上。镀膜时，要考虑膜层、工件材料的物理或化学性质，选择合适的镀膜方法将膜层紧紧地附着于工件上并且要产生好的性能效果。

真空镀膜技术就是在真空环境下，通过化学、物理方式将反应物或者靶材沉积到基体上的薄膜气相沉积技术。镀膜通常需要在干净、纯粹的真空环境下进行，既为了避免污染（减少成膜过程中气体分子进入薄膜中成为杂质的量），也在于膜层材料的分子、原子化学性活跃，在常温常态下容易出现问题（比如分子间的碰撞、氧化反应）。

根据反应方式分，真空镀膜技术有PVD（物理气相沉积）、CVD（化学气相沉积）以及FCVA等。

1.1 PVD

PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。PVD镀膜技术主要分真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜三类。

真空蒸发镀膜是通过加热蒸发某种物质（比如金属、化合物等）使其原子或分子以冷凝方式沉积在作为基体的固体表面；溅射镀膜是用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基体上；离子镀膜是蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面，是真空蒸发与阴极溅射技术的结合。

1.2 CVD

CVD是Chemical Vapor Deposition（化学气相沉积）的缩写，很多反应物质在通常条件下是液态或固态，经过汽化成蒸汽再参与反应，通常是通过化学反应的方式，利用加热、等离子激励或光辐射等各种能源，在反应器内使气态或蒸汽状态的化学物质在气相或气固界面上经化学反应形成固态沉积物。

CVD是现代半导体工业中应用的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。

近年来，等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）发展起来，zui早也是用于半导体材料的加工，将沉积温度从1000℃降到600℃以下，zui低的只有300℃左右。

1.3 FCVA

FCVA镀膜是英文Filtered Cathodic Vacuum Arc的缩写，即“过滤阴极真空电弧技术镀膜”，对缝制机械行业而言还算是新事物。这种镀膜技术正在为朝高速、无油环保方向发展的缝制机械提供助力。

图1 FDVE原理示意图

如图1所示，FCVA使用异面双弯过滤器以及高能电、磁场过滤除去多余宏观颗粒和不带电的离子，其膜层表面形貌方面的质量可以与CVD膜层相比。FCVA技术产生能像稳定的电弧和纯离子束流，能量可以根据不同的工艺要求控制，由FCVA技术沉积的碳膜和金属膜质量高，其等离子扫描技术可以使镀膜沉积面积提高到直径12英寸以上。FCVA的镀膜过程可以在低温下（小于80摄氏度）进行，可广泛应用于包括塑料和橡胶在内的各种领域，这点对缝制机械元器件来说也特别重要。

FCVA技术的核心点是：原体是的等离子体——除了电子、原子外还有正离子，这些是所需要镀膜的材料本身产生的，比如镀碳，就是碳正离子，而镀铜则就是铜正离子，与工件上的电子合并成为中性的原子。它采用起弧方式产生100%离化的镀膜粒子，这些镀膜离子在到达镀膜基体之前，通过外加电磁场来调节镀膜离子的能量，而不像普通的磁控溅射镀膜方式只能通过加热的方法来增加镀膜粒子的能量。

过滤阴极电弧（FCA）配有的电磁过滤系统，可将离子源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒，因此制备的薄膜非常致密和平整光滑，抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强。

为了达到良好的效果，FCVA镀膜对各工艺环节有严格的管理要求。镀膜之前，要对待镀膜的基体进行清洗，因为这些基体带有空隙、空洞、油脂、污迹等，可通过真空加热和清洗加热去掉这些“脏东西”——镀膜的基体一定要干净无杂质。经过处理的基体还应该在无菌的环境中上到夹具上，如果短时间不能镀膜则会放到设置了一定温度的保温箱中，使其处于良好的状态。

1.4 几种镀膜技术的参数比较

表1 不同的镀膜技术比较

注：EV表示电子伏特

表1反映了不同的镀膜技术的各项指标情况。PVD （溅射）的镀膜微粒是原子，而CVD（PECVD）的镀膜微粒是原子团（反应分子），而FCVA输出是一束等离子，该等离子束可以被扫描，可以对该离子束加偏压，该等离子束可通过镀膜技术加以控制。

镀膜需要产生*独立、自由的分子、原子，通常要采用加热、蒸发等方式把粒子从束缚中解脱出来，才能做一些改变。此时，镀铝、镀铜甚至是镀铬等都没有问题，但要镀陶瓷、氮化膜、氧化膜等硬膜，要将反应物烧沸很难。尤其是镀硬膜时，若采用溅射方式，将固体变为原子或者分子几乎不能做到，而是在真空环境中形成离子团，加入负电压，以正离子去轰击要镀膜的物件（让通氩气的原子加热，用氩离子告诉轰击靶面），效率低下（可能1000次轰击后有才1~2个原子出来），且如果冲击时真空环境不好，其分子疏松。若采用蒸发方式，则容易产生空洞，需要加高温让分子利用能量去*空洞——这点对做镀膜不好，镀膜要求不存在空洞，其所加温度要在400摄氏度及以上，这种情况对原子、分子的要求不高，但对材料的要求高，比如需要高速钢、工具钢之类，其它的材料则不太好。

FCVA技术既不是溅射也不是热蒸发，由于用的是等离子，其正离子带电，外加电磁场的方式使其加速（像光速），不用热能而是用动能（速度）来完成镀膜。溅射和蒸发时的动能速度是每秒几百米，约1个电子福特的能量，而FCVA的速度是每秒几十公里，有50、60个电子福特的能量且可变、可控。通常，要克服物体表面张力需要30、40个电子辐特。如果能很好穿透表面张力，则膜层的附着力和密实度高，能形成超硬膜，因为决定镀膜优劣的关键因素是镀膜粒子能量，当镀膜粒子的能量增加后，膜层的密度也将随之增加，附着力大大改善。传统镀膜技术只能通过升高基体温度来改善镀膜质量，但存在一定局限性。此外，FCVA镀膜时的离子能量可控，这些等离子体有了能量和可控性，其膜层的致密性也就更好。

2 FCVA可镀的膜层

从应用分，目前FCVA镀膜层分为两大类：一类是在表面装饰镀膜方面，主要是（钛金、锆金）镀覆于钟表、锁具五金、厨房卫浴五金等各种五金制品表面；一类是在工具镀膜方面，主要是（硬质膜层、摩擦系数）镀覆于各种金属加工模具（冲压模具）、电子半导体类模具（成型刀）、粉末冶金模具、刀具（切纸刀、铣刀、绞刀等各类刀具）、车削刀具以及各种注塑模具（塑料成型注塑模具活动部件，零件上的应用）。

采用FCVA技术可在多种材质的工具、模具和刀具上涂上TAC-ONTM（类金刚石）、AITiN（铝氧化钛）、CrN（氧化铬）、TiN（氧化钛）等单层及多层硬质膜层，其膜层硬度高（2 000~5 000HV），结合强度高（zui高达到100N），摩擦系数低（可降低到0.08），表面粗糙度低（zui高达到球面）。

下面介绍几种膜层的特点。

2.1 TiN（氧化钛）薄膜

TiN膜层具有高熔点、高硬度和良好热传导率的特性，且耐磨损，具有适中的耐氧化性，适用于高速切割，已成功用于刀具和模具耐磨保护涂层和装饰涂层。其膜层颜色为金黄色，硬度在2 000HV~2 500HV之间，摩擦系数zui大0.65，典型厚度在1~4微米，镀膜温度在400摄氏度，其工作温度在800摄氏度。

2.2 CrN（氧化铬）薄膜

CrN膜层有良好的附着性、耐腐蚀性和耐氧化性，在机械部件和模具上采用此膜层是为了增强其润滑性和耐磨性，与TiN膜层相比，它对水质溶液的抗腐蚀性更强，其较高的表面硬度、较低的摩擦系数和残余应力使其适用于抗磨损、摩擦的场合。其膜层颜色为银灰色，硬度在2 100HV及以下，摩擦系数zui大0.3，典型厚度在1~4微米，镀膜温度在200到400摄氏度，其工作温度在500摄氏度。

2.3 TAC-ON非晶态四面体碳膜

碳膜在缝制机械行业的应用已经多起来，主要应用的是类金刚石（也称为DLC）碳膜。碳元素因碳原子和碳原子之间的不同结合方式，从而使其zui终产生不同的物质，一类是碳碳以sp3键的形式结合的金刚石，一类是碳碳以sp2键的形式结合的石墨，一类则是碳碳以sp3和 sp2键的形式结合生成的无定形碳的一种亚稳定形态，即类金刚石。

类金刚石没有严格的定义，可以包括很宽性质范围的非晶碳，兼具了金刚石和石墨的优良特性，由类金刚石而来的DLC膜同样是一种亚稳态长程无序的非晶材料，可分为无氢类金刚石碳膜和氢化类金刚石碳膜两类。TAC-ON（非晶的四面体碳薄膜，ta-C）是一种无氢的类金刚石碳膜，是由超过80％的sp3键碳原子为骨架构成，其硬度仅次于钻石。

金刚石成膜的难度高（SP3键，合体含大量氢与碳，氢多了疏松，经不起分解），必须经过高压，通常是千兆帕以上。FCVA给予热能之外的能量，形成瞬时高压使碳元素瞬时形成金刚石键（原子与原子间形成SP3键）且非晶的薄膜，摩擦系数低。

采用FCVA技术沉积的TAC-ON薄膜在附着力和耐磨性方面比传统的DLC薄膜强，有粘油性，润滑性能优越，可减少摩擦，并能减少润滑油污染。TAC-ON膜层的硬度也高于传统的DLC膜层。由于没有氢和氧键在TAC-ON膜形成，其膜层可以*透明（膜厚薄）。TAC-ON薄膜的膜层颜色为轻碳黑色，其膜层密度小于3，膜层硬度在3 000HV~5 000HV之间，摩擦系数zui大0.1，典型厚度在0.1~2微米，镀膜温度小于80摄氏度，其工作温度小于350摄氏度。这种薄膜早已在多个行业有应用，但这两年才开始大规模应用。

3 FCVA镀膜层的应用

FCVA真空镀膜技术是绿色无污染的技术，其应用的领域很广，比如相机、手机的镜头，多为非球面镜，通过模具压制而成，对模具的要求高，有生产该模具的制造商应用了FCVA技术来镀压制镜头的模具。还有*性的应用，比如电脑硬盘中的片盘，其磁头和磁盘上都需要保护，用类似技术形成碳膜。又如复印机的核心——墨盒，高质量复印机采用的是加高压的网片，网片上面也有镀膜。还有一些塑料器件直接采用该镀膜技术来代替电镀，因为塑料金属化处理的方式通常为电镀，但电镀需要的塑料有选择性，而真空镀没有，包括PC都可以进行镀膜，且膜层厚度均匀、耐磨，比如相机镜头的卡环现在都采用镀膜塑料，而以前为黄铜材质。

目前，采用FCVA镀膜技术形成的TAC-ON以及氧化钛膜层在纺织机械与缝制机械配件上皆有所应用，比如缝纫机机针、针杆、旋梭、切刀等部件。从前文介绍的情况看，在沉积方式、镀膜真空镀、预处理工艺方面的显著特点决定了FCVA镀膜技术在缝制机械行业的应用较之普通镀膜技术更有优势。一是其镀膜温度小于 80摄氏度，不会造成45钢材料的针杆或者其他轴类零件变形与二次回火，二是高表面硬度且具有*附着力，其膜层更致密，金刚石成分高，耐磨损、耐腐蚀且具有*的拉油能力，可显著降低传动部件磨损,实现无油润滑或微油润滑。

3.1 无油高速机种

由于类金刚石涂层—Tac涂层具有超高的表面硬度，摩擦系数非常低，能够适应无油状态下的高速摩擦运动。适合无油或高速、超高速机种中摩擦面积大、运动线速度高或不宜连续供油润滑的轴销类（比如针杆）、连杆类等零部件的镀膜需要。

3.2 无油平缝机

旋梭是目前无油平缝机的技术瓶颈之一。通常旋梭的转速是缝纫机主轴转速的2倍，由于要为旋梭供油，不少原本可以成为无油机型的平缝机不得不成为微油机型，如果能在旋梭的导轨和导轨槽部位采用FCVA技术的镀膜，则可能突破这一技术瓶颈。

3.3 高速包缝机、高速带刀平缝机

高速包缝机、高速带刀平缝机等带切边功能的机种，其切刀是zui易磨损的零件，而修磨切刀依靠的是机修工的经验，往往由于切刀修磨不到位而影响缝纫机的切边质量，采用镀膜技术可延长其使用寿命。自动剪线平缝机的剪线刀如果应用FCVA镀膜技术，将提高剪线的可靠性，从而提升整机的档次。

现在FCVA镀膜技术以及采用这种技术所镀膜层多应用于缝制机械。比如在去年举办的CSIMA2011上，西安标准工业股份有限公司的GC6730、GC6760两大系列的电脑控制直驱高速平缝机（属于微油机）在行业中获得了中国质量认证中心颁发的节能、环保产品认证证书，该系列机器中采用的就是FVCA真空镀膜的针杆。