化学气相沉积的原理
（1）沉积设备
化学气相沉积装置中，反应器是最基本的部分。处理的工件（模具）置于反应器内，反应器装夹在加热炉体内，然后加热至沉积反应所要求的工作温度，并保温一定时间。送入反应器的气体根据工艺要求而不同，以一定的流量比分别供给N2、H2、TiCl4、CH4、Ar气，TiCl4是通过加热液态的氯化钛得到的。反应后的废气经机械泵排出。为了防止发生爆炸事故，反应器在沉积过程结束后开启前要充入氩气。为了去除气体中的有害成分，如氧、水分等，管路应配备必要的干燥净化装置。通常反应在800～1000℃和常压或低压下进行，沉积装置如图9-27所示。
图9-27 化学气相沉积装置示意图
1—进气系统 2—反应器 3—加热炉丝 4—加热炉 5—工件 6—卡具 7—排气管 8—机械泵 9—废气处理系统 10—加热炉电源及测温仪表
（2）工艺要求
1）沉积温度一般为950～1050℃，温度升高，可使TiC层厚度增加，但晶粒变粗，性能较差；温度过低，TiCl4还原出来钛的沉积速度大于碳化物的形成速度，沉积物是多孔性的，而且与基体结合不牢。
2）气体流量必须进行很好的控制，Ti和C的摩尔比最好为1∶（0.85～0.97），以防游离碳沉积，使TiC覆盖层无法形成。
3）沉积速率通常为每小时几微米，总的沉积时间为8～13h（包括加热时间和冷却时间）。沉积时间由所需镀层厚度决定，沉积时间越长，所得TiC层越厚；反之镀层越薄。沉积TiC的最佳厚度为3～10μm，沉积TiN的最佳厚度为5～15μm，太薄不耐磨，太厚结合力差。
4）化学气相沉积的反应温度高，在基体与涂层之间易形成扩散层，因此结合力好，而且容易实现设备的大型化，可以大量处理。但是在高温下进行处理，模具变形较大，高温时的组织变化必然导致基体力学性能降低，所以化学气相沉积处理后必须重新进行热处理。
5）为了扩大化学气相沉积的应用范围，减小模具变形，简化后续热处理工艺，通常采取降低沉积温度的方法，如等离子化学气相沉积（PECVD）、中温化学气相沉积等，这些方法可使反应温度降到500℃以下。
（3）工艺过程
化学气相沉积TiC的工艺过程示意图如图9-28所示。
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图9-28 化学气相沉积TiC的工艺过程示意图
1—甲烷（或其他反应气体） 2—反应室 3—感应炉 4—高频（或中频）转换器 5—混合室 6—流量计 7—卤化物（TiCl4） 8—干燥器 9—催化剂 10—氢气 11—工件
1）工件11置于氢气保护下，加热到1000～1050℃，然后以氢气10作载气把卤化物7（TiCl4）和CH4气1带入炉内反应室2中，使TiCl4中的钛与CH4中的碳（以及钢表面的碳）化合，形成碳化钛。反应的副产品被气流带出室外。
2）沉积不同的涂层，将选择不同的化学反应。三种超硬涂层沉积时的化学反应如下。沉积TiC：
沉积TiN：
沉积Ti（C，N）：
其中TiCl4为供Ti气体，CH4、NH3（N2）分别为供C、N气体，H2为载气和稀释剂。
3）注意事项：
① 选用气体纯度要高，如氯气纯度要求在99.9%以上，而且在通入反应室前必须经过净化，以去除其中的氧化性成分。
② 沉积过程的温度控制要适当。若沉积温度过高，则会使TiC层厚度增加，晶粒变粗，性能较差；若温度过低，由TiCl4还原出来的钛沉积速率大于碳化物的形成速率，沉积物是多孔性的，而且与基体结合不牢。
③ 在沉积过程中还必须严格控制气体的流量以及含碳气体与金属卤化物的比例，以防游离碳沉积，使TiC覆盖层无法生成。
④ 沉积时间应由所需镀层厚度决定。沉积时间越长，所得TiC层越厚，反之镀层越薄。
⑤ 工件在镀前应进行清洗和脱脂，为了尽可能减少变形，还应对工件进行预先淬火、回火处理。
⑥ 为了提高镀层的结合力，在钢或硬质合金上镀层的成分应从TiC到TiN逐渐过渡。开始时镀TiC与基体材料中碳化物有较好的结合力，随后增加N含量，减少了碳含量，使表面形成TiN镀层。
⑦ 钢铁材料经化学气相沉积后，虽然镀层的硬度很高，但基体材料被退火软化，在外载下易于塌陷，因此，必须进行最终淬火、回火。防止热处理变形非常重要，其在一定程度上限制了化学气相沉积在模具中的应用。