1、第 19卷第 1期 V ol . 19 N o . 1硬質(zhì)合金C EM E N TE D CA R BI DE 2002年 3月 M ar . 2002材料科學(xué) 切削刀具 PVD 涂層技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用謝宏 X(株洲硬質(zhì)合金廠 , 株洲 , 412000摘 要 P VD 涂層 是利用蒸 發(fā)、 輝光 放電等物 理過程 , 在基 材表面 沉積出 所需要的 涂 層的 技術(shù) , 通常采用的 P VD 技術(shù)有蒸發(fā)鍍膜、 離子鍍膜和濺射鍍膜三 大類 , 其中 離子鍍 和濺 射鍍適合于對切削刀具進(jìn)行超硬材料涂層。本文著重介 紹了濺射鍍技術(shù)及 采用該 技 術(shù)生產(chǎn)的幾種重 要的涂層 , 結(jié)合實(shí) 例介紹了它 們的使

2、用性 能 , 并 對 PV D 涂層切 削刀 具技 術(shù)的研究進(jìn)展 , 工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。 關(guān)鍵 詞 P V D 涂層磁控濺射鍍膜切削 刀具使用性能1前言超硬材料表面沉積技術(shù)自問世以來得到迅速發(fā) 展 , 各種氣相沉積技術(shù)層出不窮 , 切削刀具、 模具和耐磨損零件涂層處理后 , 能有效的提高產(chǎn)品的表面 硬度和復(fù)合韌性 , 提高其耐磨損性和抗高溫化學(xué)穩(wěn) 定性能 , 從而大幅度地提高涂層產(chǎn)品的使用壽命 , 因 此其在現(xiàn)代機(jī)械加工工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。超硬涂層的種類很多 , 鈦等第族元素與 B 、 C 等第族元素化合都能形成高硬化合物。 超硬涂層首先是采用 CVD 技術(shù)于 1968年在硬質(zhì)

3、 合金 刀具上沉 積 T iC 層 實(shí)現(xiàn)的 , 自 60年代 以來 , CVD 技術(shù)已日益成熟 , 目前約有 80%的硬質(zhì)合金 刀具采用 CVD 技術(shù)進(jìn)行超硬材料涂層 , 但 CVD 的 缺點(diǎn)首先是沉積溫度高達(dá) 10001100 , 超過了許 多材料的熱處理溫度 , 即使采用硬質(zhì)合金作為涂層 基體也會產(chǎn)生 G 相等缺陷 , 其次 CVD 涂層材料的種 類 較少 , 應(yīng) 用 于切 削刀 具 的 基本 上 僅 T iC 、 TiN 、 TiCN 、 Al 2O 3等幾種。雖然在 80年代后 , 發(fā)展了中 溫 CVD 涂層技術(shù) , 但中溫 CVD 技術(shù)的涂層溫度仍高達(dá) 800-900 , 且涂層材料

4、基本只限于 TiCN,這對于涂層的應(yīng)用范圍等仍然造成了阻礙。 與 CVD 涂層技術(shù)相比較而言 , PV D 涂層技術(shù)有以下幾個優(yōu)點(diǎn) :1、 PVD 技術(shù)的沉積溫度低 , , 可以在 500左 右沉積 TiN 等超硬涂層 , 因此不會降低基體材料原 有抗彎強(qiáng)度 , 涂層和基體間也不會產(chǎn)生 G 相 , 所以基 體不需采用特殊的硬質(zhì)合金材料 , 擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。2、 涂層 具有微細(xì)結(jié)構(gòu) , 在涂層內(nèi) 部產(chǎn)生壓 應(yīng) 力 , 抗裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng) ;3、 涂層表面光滑 , 比 CVD 更能有效地阻止前 刀面上的橫裂紋擴(kuò)展 , 同時可以降低摩擦系數(shù) ; 4、 可以使用刃口鋒利的刀具作基體 , 這一點(diǎn)對 于高速

5、切削非常重要。由于 PVD 涂層技術(shù)所具有的優(yōu)異特性 , 自 70年代以來在世界范圍展開了用 PVD 技術(shù)沉積超硬 涂層的研究 , 各先進(jìn)工業(yè)國 迅速推出了大 量 PVD 鍍膜技術(shù)和鍍膜生產(chǎn)廠家 , 但受 PVD 涂 層技術(shù)繞 射性差 , 涂層與基體粘結(jié)強(qiáng)度低 , 工藝設(shè)備技術(shù)復(fù)雜 等因素的影響 , 直到近幾年 , 在較好的解決了以上問 題后 , 世界各主要切削刀具制造商紛紛推出了 PVD 涂層牌號的切削工具。, ,2 PV D 涂層技術(shù)的進(jìn)展物理氣相沉積主要分為蒸發(fā)鍍膜、 離子鍍膜和 濺射鍍膜三大類。真空蒸發(fā)鍍膜是發(fā)展較早 , 應(yīng)用也最廣的一種 PVD 技術(shù) , 目前仍占有世界 40%左右的

6、市場 , 但用 途范圍正在縮小。真空蒸發(fā)鍍膜是在真空條件下采 用電阻、 電子束等加熱鍍膜材料 , 使其熔化蒸發(fā)再沉 積在基體表面形成鍍膜。 此種技術(shù)設(shè)備簡單 , 生產(chǎn)成 本較低 , 涂層精細(xì)、 光滑、 不含顆粒、 雜質(zhì)等 , 適合大 規(guī)模生產(chǎn) , 常用于光學(xué)鍍膜、 模具制造等 , 但沉積過 程中通常只使用一種材料的靶材 , 繞射性很差 , 較難 滿足超硬材料鍍膜的需要。離子鍍是一種應(yīng)用較多的超硬材料鍍膜技術(shù) , 它于 1963年由 D . M . M attox 發(fā)明。它是在高真空 條件下通入 Ar 氣等 , 利用輝光放電使氣體和鍍膜 材料部分離化 , 并使離子轟擊靶 , 打出靶上的材料離 子

7、 , 使其沉積在工件上。離子鍍的鍍層繞射性較好 , 工件處于電場中 , 使得鍍膜材料的離子能夠達(dá)到工 件的所有表面 , 鍍膜粘結(jié)性好 , 組織致密。常用的離 子鍍有直流二極離子鍍、 直流三極離子鍍、 空心陰極 離子鍍、 活化反應(yīng)離子鍍、 多弧離子鍍等。離子鍍在切削工具超硬材料鍍膜中應(yīng)用較為成 功的技術(shù)是多弧離子鍍 , 有代表性的制造廠家如美 國的 M ulti -Arc Inc . 。 多弧離子鍍采用真空電弧放 電的方法在鍍膜材料制作的陰極靶上直接蒸發(fā)出鍍 膜材料 , 有以下特點(diǎn) :(1 金屬離化率高。有利于涂 層的均勻性和提高附著力 , 是實(shí)現(xiàn)離子鍍膜、 反應(yīng)鍍 膜的比較好的工藝 ; (2

8、不足之處是降低工件的表面 光潔度。陰極發(fā)射的蒸汽微粒不均勻 , 有“ 液滴” 現(xiàn) 象 , 有的微粒達(dá) L m 級 , 細(xì)化蒸汽微粒是提高涂層質(zhì) 量的關(guān)鍵 , 可采用偏轉(zhuǎn)電場 , 使“ 液滴” 在中途就在電 場的作用下粘附在偏轉(zhuǎn)電場上 , 不會沉積到工件上 ; (3 較經(jīng)濟(jì) , 可同時使用數(shù)種材質(zhì)的燒結(jié)靶材。 濺射鍍膜是在真空室中 , 利用荷能離子轟擊靶 材表面 , 通過粒子的動量傳遞轟擊出靶材中的原子 及其它粒子 , 并使其沉積在基體上形成鍍膜的技術(shù)。 濺射鍍膜能實(shí)現(xiàn)大面積快速沉積 , 凡是能夠制成靶 的金屬化合物、 介質(zhì)均可做鍍膜材料 , 鍍膜密度好 , 附著性好 , 因而近年來發(fā)展很快 ,

9、 隨著相應(yīng)的技術(shù)的 不斷完善和發(fā)展 , 其應(yīng)用范圍也將越來越廣泛。 濺射 濺射、 射頻濺射、 反應(yīng)濺射等。磁控濺射又稱高速低溫濺射 , 其沉積速率高 , 工 作氣壓低 , 鍍膜質(zhì)量高 , 工藝穩(wěn)定 , 便于大規(guī)模生產(chǎn) , 其發(fā)展引起了鍍膜工藝的深刻變化 , 特別是近幾年 來在切削工具上的涂層應(yīng)用取得了巨大的發(fā)展 , 如 株洲硬質(zhì)合金廠的 PVD 設(shè)備即采用平面磁控濺射 源。 磁控使離子密度更高 , 因此使用的 Ar 氣可以更 少 , 從而使得工作壓力可以更低 , 即涂層 質(zhì)量會更 好。目前 , 濺射鍍膜技術(shù)有代表性的制造廠家如德 國的 CemeCon 公司 , 其 PVD 系統(tǒng)采用非平衡磁控

10、管濺射涂層技術(shù)。該技術(shù)采用全自動的 RF (射頻 清洗工藝以及新的離子密度控制 , 可以進(jìn)行 Al 、 T i 、 Cr 、 Si 、 Pt 、 Cu 等 金屬 ; T iAl6V4、 M CrAlY 等合金 ; T iN 、 T iC 、 T iCN 、 CrN 等 硬 質(zhì) 合 金 ; T iAlN 、 T iAlOX 、 T iB 2、 SiC 等超硬 材料 ; Al 2O 3、 ZrO 2等 非 電導(dǎo)性材料的涂層 , 而且所有材料都可進(jìn)行單層、 多 層或納米級涂層。當(dāng)需要最佳性能的切削刀具或機(jī)器部件時 , 合 成材料不失為一種較好的解決方式。復(fù) 合或多層 PVD 涂層已經(jīng)被證明較眾所周知

11、的 TiN 涂層具有 更好的性能 , 但普通的電子束蒸發(fā)或多弧離子鍍等 PVD 技術(shù)在處理這些復(fù)合材料和涂層時已變得越 來越困難 , 這些方法的工藝都沒有什么問題 , 只是它 們歷來在處理三維部件時不太成功 , 原因可能在于 低沉積速率、 低離子密度及涂層的低附著強(qiáng)度而使 開放式柱狀結(jié)構(gòu)的某些涂層材料的微觀硬度降低 , 從而使構(gòu)件更粗糙。在兩種對切削刀具最重要的鍍 膜技術(shù)中 , 電弧法只能使用合金靶 , 濺射既可以使用 合金靶 , 也可以使用機(jī)械靶 (鑲樣靶 , 即可以實(shí)現(xiàn)任 意靶材的組合 , 對濺射法而言 , 機(jī)械靶比合金靶 (對 產(chǎn)品質(zhì)量而言 更好 , 對用戶而言 , 機(jī)械靶可任意調(diào) 節(jié)成

12、分比 , 而合金靶只能外購。目前的發(fā)展趨勢是擴(kuò)大離子濺射涂層工藝的應(yīng) 用范圍 , 因?yàn)殡x子濺射具有靈活性及低沉積溫度兼 容性的優(yōu)勢 , 而非平衡磁控管濺射涂層工藝則是濺 射鍍膜領(lǐng)域極具潛力的方法。3 PVD 涂層切削刀具的制造和 應(yīng)用機(jī)械加工行業(yè) 20年前流行“ 萬能” 的涂層工具 , 即適應(yīng)各種加工場合 , 現(xiàn)在流行專用工具 , 即針對具 15第 1期 謝宏 :切削刀具 PVD 涂層技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用削刀具材料的要求將會圍繞硬、 干、 快來進(jìn)行。對此 我們可以采用多層超硬涂層以達(dá)到最佳的熱防護(hù) , 采用較快的進(jìn)給速率 , 以改善刀具壽命和控制切削 熱 , 加上軟涂層以對付積屑瘤并提高刀具壽命。

13、 在銑削、 鉆削等領(lǐng)域 , PVD 涂層刀片比 CVD 涂 層刀片具有更好的適用性 , 由于 CVD 涂層所固有 的缺陷 , 在實(shí)際使用中 , 通常 CVD 涂層銑刀的使用 終結(jié) , 并不是由于涂層的磨損 , 而是由于刀片的破損 造成使用壽命縮短。而采用濺射鍍膜技術(shù)可以較好 地解決這個問題。表 1是株洲硬質(zhì)合金廠采用非平衡磁控管濺射 涂層技術(shù)生產(chǎn)的切削刀具涂層牌號。表 1株洲硬質(zhì)合金廠的切削 刀具涂層牌號牌號 SU PERT IN T I NA L O X A L U SPEED AL O X CCplusC T iCN 涂層材料 T iN T iA lN T iB 2T iAlN T iA

14、lN +C T iCN 外觀顏色 黃色 灰蘭色 亮灰色 蘭黑 灰色 黃色 顯微硬度 HV 0. 0527003600280037008003000涂層溫度 ( 450450450450450450抗氧化溫度 ( 450850700850850600涂層厚度 (L m 242424682424摩擦系數(shù) (對鋼材而言 0. 60. 70. 550. 70. 20. 45粘結(jié)強(qiáng)度 (壓痕法 , N 906060606060在精確控制下的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中 , 每批次 所有功能表面的 涂層厚度分布都 能控制在±1L m 的范圍 , 即使在涂層系統(tǒng)處于高負(fù)荷的情況下 , 其顯 微結(jié)構(gòu)也具有非常

15、高的密度。 另外 , 因?yàn)橥繉雍穸妊?整個切削刃的分布沒有變化 , 所以切削刃一直保持 鋒利。隨著干式切削加工的逐步推廣 , 近年來發(fā)展了 許多具有自潤滑性的軟涂層 , 通常軟涂層和硬涂層 作復(fù)合涂層使用時 , 能發(fā)揮最大的潛力。 CCplusC 結(jié) 合了 T iAlN 超硬涂層的抗磨損性能與碳軟涂層的 低 摩 擦性 能 , TiAlN 內(nèi)硬 涂 層起 抗 磨 損作 用 , 而 CNx 外軟涂層均勻地控制切削形成 , 降低切削流出 時的摩擦 , 特別是在干式鉆削加工時 , 切削刃產(chǎn)生的 超高溫不能及時排除時使得刀具極易磨損或崩刀 , 并容 易形成積 屑瘤 , 而 采用 CCplusC 則充分

16、利用 TiAlN 的高硬度、 熱穩(wěn)定性和 CNx 的滑動性能相結(jié) 合的優(yōu)點(diǎn) , 在不采用不利于環(huán)保的冷卻液時還能可 靠地工作。目前世界上有 400多種碳類涂層 , 但與 CCplusC 相近的只有兩家。 碳涂層不能有氫的存在 , 如果涂層中含有氫 , 就會有吸潮的現(xiàn)象 , 將導(dǎo)致涂層 損 壞、 破碎 , 而 CCplusC 使 用純 碳 靶 , 不通 H 2或 CH 4、 C 2H 2等含有氫的氣體 , 因此不存在產(chǎn)品含有 氫的問題。 只有濺射鍍膜技術(shù)才能使用碳靶 , 生產(chǎn)無 氫的碳涂層。, 料可能占主要地位 , 加工鋁是高速切削的理想應(yīng)用 場合 , 因?yàn)檐浗饘俨划a(chǎn)生太多的熱量 , 在非常高的

17、切 削速度下 , 切削刃必須盡量保持鋒利 , 以免鈍化的刃 口形成巨大的阻力負(fù)荷。 ALSPEED(TiB 2 涂層特 別應(yīng)用于 Al 和 Al 合金的高性能切 削 , TiB 2與 Al 具 有 很 低 的 親 和 性 , 可 降 低 積 屑 瘤 的 產(chǎn) 生。 ALSPEED 涂 層 與 金剛 石 涂 層 都 可 以 加 工 AlSi (12% Cu(3% 合金 , 金剛石刀具性能更好 , 但價格 也更高 , 這兩者之間 , 應(yīng)由用戶自行選擇 ; 對夜間無 人看護(hù)不能中途換刀的用戶 , 可以選擇金剛石涂層 刀 具 , 而 要 求 工 具 成 本 低 的 用 戶 , 可 選 擇 ALSPEED

18、 。為了適應(yīng)高 速度切削 的需要 , PVD 法生產(chǎn) 的 T iAlN 涂層切 削工具 得到 了迅速 的發(fā)展 和推廣。 PVD 法將 Al 原子植入 T iN 的晶格間 , 使其形成完 整的、 無間隙的晶體組合 , 新型的 TiAlN 涂層將鋁 含量提高到 50%以上 , 這時 T iAlN 涂層具有了完全 嶄新的特性。當(dāng)鋁含量大于 50%以上時 , 在涂層的 頂端可生成一層致密的 Al 2O 3薄層 , 并且能在表面 的 Al 2O 3磨損后 , 通過 TiAlN 層中 Al 的氧化形成新 的 Al 2O 3層 , 這樣即使在切削速度很高、 冷卻困難等 惡劣的加工條件下 , T iAlN 涂

19、層都能保持良好的使 用性能 , 是切削刀具涂層技術(shù)中最具有發(fā)展前景的 涂層之一。16 硬質(zhì)合金 第 19卷的摩擦系數(shù) , 可減少切削熱、 切削力 , 降低積屑瘤的 形成 , CVD 和 PVD 法都能進(jìn)行生產(chǎn)。 SUPERT IN 是采用 PVD 技術(shù)生產(chǎn)的納米級 TiN 涂層 , 因此可以得到極 光滑和無 刃口堆 積的膜 層 , 具 有比普 通 T iN 涂層更好更廣的使用性能。各種 PVD 涂層材料的切削應(yīng)用范圍見表 2。表 2各種 P V D 涂層材料的切削 應(yīng)用范圍被切削材料涂層SU PER T INT I NA L O X A L U SPEEDAL O X CCplusC 高合金鋼

20、 低合金鋼 鋁、 鋁合金 不銹鋼 鑄鐵 塑料等注 :良好的適應(yīng)性 , 干式切削 , 高速度切削 , 高 負(fù)荷切削。4充分發(fā)揮 PV D 涂層刀具的使用性能為了充分發(fā)揮 PVD 涂層 刀具的使用性能 , 必 須優(yōu)化生產(chǎn)和使用過程中的各種條件?；w表面的清理 , 對所有表面制備方法來說都 是必須的 , 表面的狀態(tài)對涂層的粘結(jié)至關(guān)重要。顯 然 , 表面上的氧化物和其它外界物質(zhì)都必須全部除 掉。通常采用清洗和噴砂來去除表面粘附的各種油 污、 粉塵、 銹斑等 , 采用噴砂法處理表面時應(yīng)特別注 意表面不應(yīng)有油 , 否則此時吹砂不但不能除油 , 反而 會使油污侵入工件內(nèi)部。在實(shí)際使用中需注意兩方面因素 :一

21、是刀具本 身 , 從牌號、 幾何結(jié)構(gòu)、 精度、 刃口質(zhì)量等方面進(jìn)行選 擇 ; 二是機(jī)床狀況、 工件狀況、 切削參數(shù)等幾個方面。 刀具使用時應(yīng)遵從“ 牌號、 型號匹配” 原則 , 各種超硬 涂層材料都有其最佳的使用范圍 , 如 T iB 2涂層適合于切削鋁硅合金 , TiAlN +C 復(fù)合涂層適合于干式 鉆削領(lǐng)域 , T iAlN 涂層適合于高速度切削。刀具的切削槽型和切削刃對于使用性能也非常重要。隨著 PVD 涂層技 術(shù)的不斷發(fā)展 , 必將對 機(jī)械 加工行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 參考文獻(xiàn)1徐濱士 , 劉世參等 . 表面工程 . 2000年 2王福貞 , 聞立時 . 表面沉積技術(shù) . 1989年3 Esser. S Hig h A lumina PV D -T iA IN for M etal Cutting O perat ion 1996年4 L eyendecker T T iAlN -A l 2O 3P V D -M ultilay er for M etal Cutt ing O per ation 1997年5葉 偉昌 , 葉毅 . 涂層硬質(zhì)合 金刀具的發(fā) 展與應(yīng) 用 . 硬質(zhì)合 金 , 1998年 6新 世紀(jì) 工具 技術(shù) 發(fā)展 趨勢 . 工 具 技術(shù) , 2000年 8月(收稿日期 2002 03 0