刀具PVD涂層技術的發展與應用,(廣東工業大學機電工程學院，廣州510006),摘要物理氣相沉積（physicalvapordeposition,PVD）是利用某種物理過程，如物質的熱蒸發或受到粒子轟擊時物質表面原子的濺射等現象，實現物質原子從源物質到沉積涂層的可控轉移過程，是在分子、原子的尺度上沉積涂層。PVD涂層技術具有沉積溫度低、對基體影響小、能制備多層復合納米涂層結構、綠色環保等特點。本文主要對刀具PVD涂層技術的發展、工作原理以及其應用做一個簡要的概述。關鍵詞PVD刀具涂層濺射納米復合結構,TheDevelopmentAndApplicationOfPVDCoatingTechnologyForTools,Huangjian(InstituteofManufacturingTechnology,GuangdongUniversityOfTechnology,Guangzhou510006),ABSTRACT:Physicalvapordeposition(physicalvapordeposition,PVD)istheuseofaphysicalprocess,suchasthermalevaporationofthematerialorsubjecttothephenomenonofparticlebombardment,thesurfaceatomsofasubstancesuchassputtering,depositingacoatingfromasourcematerialtoacontrollabletransfermaterialatomsprocess,whichisdepositedonthescaleofthemolecules,atomslevel.PVDcoatingtechnologywithlowdepositiontemperature,thesubstratecanbepreparedmultilayernanocompositesstructure,environmentfriendlyandsoon.Inthispaper,abriefoverviewofthePVDcoatingtechnologyfortoolsdevelopment,operatingprinciplesanditsapplication.KeyWord:PVDToolscoatingtechnologyVaporNonocompositestructure,前言,現代加工業的飛速發展對模具、刀具及刃具的綜合性能提出了越來越高的要求，苛刻的服役條件要求以上工具必須具備高的硬度、耐磨性、耐熱性和足夠的韌性和強度。刀具表面涂層技術是應市場需求發展起來的一種優質表面改性技術，它不僅能大幅度提高刀具使用壽命，而且能滿足現代機械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，因此該技術與材料、加工工藝并稱為切削刀具制造的三大關鍵技術。在刀具表面沉積高硬度或低摩擦系數的涂層能改善刀具的耐磨、耐腐蝕等特性，并有效地解決了刀具材料中硬度與強度之間的矛盾。,數控技術的發展離不開高壽命的切削工具刀具自刀具涂層技術從問世以來，刀具的性能得到了很大的改善，對加工技術的進步起著非常重要的作用涂層刀具已經成為現代刀具的標志，西方國家新型數控機床所用切削刀具中有80%左右使用涂層刀具，而且隨著科技的發展，涂層刀具的比例將進一步增加目前在制造業所用硬質合金刀具上采用較多的涂層有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出現的TiCrAlN、CrSiAlN涂層等等，刀具壽命明顯提高另外涂層在鉆頭鉸刀齒輪滾刀絲錐上也都獲得很好的應用效果隨著科技的發展，刀具涂層技術將不斷提高，刀具涂層材料也日新月異。,PVD涂層技術的發展現狀PVD技術的工作原理和主要技術2.1濺射沉積技術原理2.2陰極弧蒸發沉積技術原理刀具PVD涂層技術的應用3.1金剛石薄膜3.2氮化碳涂層3.3TiN,TiC基涂層PVD技術存在的問題4.1技術上存在的問題224.2涂層設備開發制造上存在的問題4.3整體配套性差,應用基礎研究缺乏未來發展方向,PVD涂層技術的發展現狀,物理氣相沉積（PhysicalVapourDeposition-PVD）和化學氣相沉積（ChemicalVapourDepositionCVD）被廣泛應用于刀具涂層。CVD技術是利用氣態的先驅反應物，通過原子、分子間反應生成固態涂層的技術。CVD的涂層材料是由反應氣體通過化學反應而實現的，對反應物和生成物的選擇具有一定的局限性。CVD和熱生長過程中，化學反應需要通過熱效應來實現，因而涂層制備過程中基體所處的環境溫度一般較高，這在很大程度上限制了基體材料的選取。對于刀具材料來說，CVD涂層目前只適用于硬質合金刀具，且因為其高的沉積溫度導致涂層沉積后硬質合金的強度、韌性出現一定程度的下降。,CVD刀具涂層最常用的四種材料：TiN、TiC、TiCN（中溫或高溫）、Al2O3，實際應用中的涂層一般僅限于上述涂層的組合。PVD涂層優越性：沉積溫度低，在500以下對刀具材料的抗彎強度沒有影響；薄膜內部為壓應力，更適合于硬質合金精密復雜類刀具的涂層；PVD工藝對環境無不良影響，符合目前綠色工業的發展方向。,PVD技術有以下幾種類型:1.陰極電弧法(CathodeArcDeposition),2.熱陰極法(HotCathodePlating),3.磁控濺射法(MagnetronSputterPlating),4.磁控濺射附加陰極電弧法目前國內已較多采用的技術,可用于多種薄膜的制備。5.空心陰極附加磁控濺射及陰極電弧法空心陰極在國內是一項傳統技術,其應用市場仍舊存在。為了充分發揮此技術的特點,國內的研究者將空心陰極與磁控濺射技術、陰極電弧技術結合在一起,用于多元薄膜的制備,且這種全新的嘗試已對市場產生了影響。,PVD技術的工作原理和主要技術,在刀具涂層中，最常用的物理涂層為濺射沉積和陰極弧蒸發沉積，后者屬于蒸發法。圖2-1為濺射沉積和陰極弧蒸發沉積過程的示意圖，兩種沉積過程都是由低壓放電氣體組成的等離子體環境中完成。圖2-1濺射和陰極弧蒸發沉積示意圖,2.1濺射沉積技術原理,濺射沉積是在由低壓放電氣體組成的等離子體環境中完成，它利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動能的特點，將離子引向欲被濺射的靶電極。在離子能量足夠的情況下，靶表面的原子在入射離子的轟擊下被濺射出來。這些被濺射的原子帶有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向基體，從而實現在基體上薄膜的沉積。圖-濺射沉積示意圖,圖2-2為濺射沉積薄膜示意圖，靶材是需要濺射的材料，作為陰極。陽極可以接地，也可以是處于浮動電位或是處于一定的正、負電位。在對系統預抽真空以后，充入適當壓力的惰性氣體，一般選用Ar作為氣體放電的載體，濺射氣體壓力一般處于0.110Pa的范圍內。Ar原子在正、負電極高壓的作用下電離為Ar+和可以獨立運動的電子，其中電子飛向陽極，帶正電的Ar+離子在高壓電場的加速作用下高速飛向作為陰極的靶材，并在與靶材的轟擊過程中釋放其能量。靶材原子在Ar+離子高速轟擊下獲得足夠的能量脫離靶材的束縛而飛向基體形成薄膜，其次，離子與靶材的碰撞還會引起陰極輻射二次電子、離子、光子等。在濺射過程中，由于在高速離子的轟擊作用下離開靶材的濺射原子的無方向性，導致很多濺射原子不能沉積在基體形成薄膜，降低了沉積效率和沉積速率；另外，低的氣體離化率影響了薄膜沉積粒子的能量，沉積粒子的表面擴散能力有限而不能得到致密的薄膜結構，與此同時，低的氣體離化率也導致了低的靶材濺射率而降低了薄膜的沉積速率。,2.2陰極弧蒸發沉積技術原理,圖2-3陰極弧沉積的示意圖陰極弧蒸發是利用弧蒸發電極材料作為沉積源的PVD沉積手段弧是由低電壓、高電流經過電極材料的氣體或蒸汽而產生，其特點是電弧源產生高度離化和較高能量的等離子體。該方法使用低電壓，高電流在陰極局部放電，全部電流集中于陰極表面上一個或多個小的發亮斑點，其電流密度非常高；電壓僅僅需要接近被蒸發材料的氣體或蒸汽的離化電勢。當高的電流密度、低電壓的電子束經過高真空環境下的近距離的電極時形成弧，并在表面形成蒸發材料而組成等離子體。通常為了點燃弧，兩電極會在起弧的瞬間接觸。陰極上的接觸點,稱之為“陰極點”，陰極點的電流密度達到10A/cm2，高的電流密度引起弧侵蝕并完成蒸發材料的離化。靶材侵蝕過程中，參與放電的導電介質由高度離化的陰極材料所組成，這是由陰極斑點中強烈的金屬蒸氣發射所產生。陰極材料的蒸發是由于陰極表面局部的高溫所造成。非常高的功率密度形成小的熔池。每個陰極斑點產生高速的陰極材料噴射，離子流相當于總弧電流的7%10%。如果沒有額外裝置的控制，產生的弧將會隨機地在陰極表面隨即漂移，靶材的浸蝕也將是隨機不可控，這樣將會減少靶材的利用率。為了使靶材的侵蝕過程處于可控狀態，通常在陰極背后加一磁控系統來控制弧在靶材表面的運動（類似于磁控濺射控制電子的運動），用以控制靶材的侵蝕。,圖2-4Ti-Al-N薄膜的表面形貌：（a）陰極弧蒸發沉積，（b）磁控濺射圖2-4為采用非平衡磁控濺射和陰極弧濺射沉積技術沉積Ti-Al-N薄膜的表面狀況對比。圖2-4a為陰極弧蒸發沉積的Ti-Al-N薄膜，表面的白色降落物便為沉積過程中的“液滴”，此種缺陷不但存在于沉積薄膜的表面，還存在薄膜之中，影響薄膜的微觀結構與性能。,刀具PVD涂層技術的應用,3.1金剛石薄膜金剛石薄膜的應用在許多方面取得突破，金剛石涂層工具能加工非鐵合金如合金陶瓷纖維增強塑料和木材等，具有巨大的前景金剛石涂層具有一種高度小平面形的組織結構，這使得在刀片的前面呈顯微粗糙的表面這種粗糙的金剛石小平面的作用可比喻為顯微斷屑器，而在刀片的后面，這種小平面會導致工件加工表面光潔度變差當今，汽車工業在加工硅鋁合金(特別是系列)零件時，主要是使用金剛石涂層刀具，金剛石涂層刀具還有望在加工金屬基復合材料碳-碳復合材料和木材加工業等領域獲得應用。,3.2氮化碳涂層,近年來，氮化碳(C3N4)作為一種新型的超硬材料，已成為有實用價值的刀具涂層材料對于高速鋼刀具，經過C3N4涂層，對刀具耐磨性的提高極為顯著，其效果超過了TiN涂層;高速鋼麻花鉆，經過C3N4涂層，能使其耐用度大為提高，可取代常用的TiN涂層麻花鉆;硬質合金刀片(刀具)，經過C3N4涂層，亦能提高刀片(刀具)的耐用度，但提高幅度不如高速鋼刀具那樣大。美國物理學家A.M.Liu和M.L.Cohen首先用分子工程理論，設計出超硬無機化合物氮化碳，根據體彈性模量的計算，可能達到金剛石的硬度氮化碳作為一種超硬薄膜材料，除了具有高硬度外，還有低摩擦系數高導熱性能很好的化學穩定性和抗氧化性能，能切削加工鐵族元素，作為刀具涂層材料具有廣闊的應用前景。,3.3TiN、TiC基涂層,TiC是一種高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨損和抗月牙洼磨損能力。TiN涂層材料是目前應用最廣的一種薄膜材料，它的硬度稍低，但它與金屬的親和力和潤濕性能好，在空氣中抗氧化能力比TiC好，但由于它的耐高溫抗氧化性能不高限制了它的更廣泛的應用為改善單層薄膜的性能，涂層的多元化(加入其它合金元素)和多層化成為了研究的熱點。多元化薄膜如TiCN具有了TiC和TiN的綜合能力，其硬度高于TiC和TiN，因此是一種較為理想的刀具涂層材料。TiAlN是含有抗氧化能力良好的的一種涂層，通常采用PVD(物理氣相沉積)方法來制備，在切削過程中Al氧化而形成，從而起到抗氧化和抗擴散磨損的作用，在高速切削時，涂層刀具的切削效果優于TiC和TiN涂層刀具，主要原因是TiAlN涂層刀具的硬度抗氧化和抗粘結能力高，尤其是由于TiAlN涂層刀具具有很高的高溫硬度。,多層化薄膜如TiAlN/Al2O3多層PVD涂層等目前研究也較多，其涂層硬度達4000HV，涂層數為400層(總厚度5m)最近又開發了納米涂層技術，這種方法可采用多種涂層材料的不同組合滿足不同功能和性能要求，特別適合于高速干切削硬質合金刀具的多層納米涂層可分為5大類:1)氮化物/氮化物:TiN/VN，56GPa;TiN/NbN，51GPa;2)氮化物/碳化物:CNx，45-55Gpa;ZrN/CNx，40-45GPa;3)碳化物/碳化物:TiC/VC，52GPa;TiC/NbC，45-55GPa;4)氮化物或碳化物/金屬:TiN/Nb，52GPa;TiAlN/Mo，51GPa;5)氮化物氧化物:TiAlN/Al2O3，此外還有加入TiB2、BN的體系等。這些復合涂層每調制周期由兩種材料組合而成，厚度僅為幾納米，根據切削需要，可相互疊加涂覆上百層，總厚度可達25m。設計合理的納米涂層可使刀具的硬度和韌性顯著增加，使其具有優異的抗摩擦磨損及自潤滑性能，十分適合于干切削涂層的多層化及其相關技術的出現，使涂層既可提高與基體的結合強度又能提高其耐腐蝕性能抗氧化性能等綜合性能，是最有發展前景的一類涂層材料。,PVD技術存在的問題,4.1技術上存在的問題,其主要存在的問題如下:1.盡管國內的TiN涂層工藝工業應用基礎較好,但在高速切削加工領域及硬質合金刀具涂層方面卻無法滿足市場要求，與國外TiAlN涂層相比,涂層刀具壽命相差100%200%；2.國內的TiAlN涂層技術在成分、薄膜結構、致密性、結合強度以及均勻性等方面尚不成熟,在常規切削加工中,所表現出的性能與TiN相比并未顯現出其優越性；,3.在現代先進切削加工制造中，精密成型加工的要求越來越高，通過合理的薄膜制備技術獲取致密的薄膜組織及光整的表面形貌乃是高水平刀具涂層技術發展的基礎與根本。但是，與90年代不同，國內已淡化了薄膜制備技術的基礎研究工作。4.盡管國內許多院校正在開展多種超硬薄膜材料的研究工作,也獲得了極具價值的實驗數據,比如含硅、硼等納米多層膜,但就商業應用而言,其與市場要求仍存在較大差距。究其原因可歸納為幾方面:目前研究的重點僅在于超硬膜致硬機理的探索,而缺乏制備技術的基礎研究；受條件所限,國內超硬膜的制備仍以普通磁控濺射技術為主,對于