PVD涂層技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

1、刀具PVD涂層技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)摘要 物理氣相沉積（physical vapor deposition, PVD）是利用 某種物理過(guò)程，如物質(zhì)的熱蒸發(fā)或受到粒子轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子的濺射等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)原子從源物質(zhì)到沉積涂層的可控轉(zhuǎn)移過(guò)程，是在分子、原子的尺度上沉積涂層。PVD涂層技術(shù)具有沉積溫度低、對(duì)基體影響小、能制備多層復(fù)合納米涂層結(jié)構(gòu)、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。本文主要對(duì)刀具PVD涂層技術(shù)的發(fā)展、工作原理以及其應(yīng)用做一個(gè)簡(jiǎn)要的概述。關(guān)鍵詞 PVD 刀具涂層 濺射 納米復(fù)合結(jié)構(gòu)The Development And Application Of PVD

2、Coating Technology For ToolsHuangjian(Institute of Manufacturing Technology, Guangdong University Of Technology, Guangzhou 510006)ABSTRACT: Physical vapor deposition (physical vapor deposition, PVD) is the use of a physical process, such as thermal evaporation of the material or subject to the pheno

3、menon of particle bombardment, the surface atoms of a substance such as sputtering, depositing a coating from a source material to a controllable transfer material atoms process, which is deposited on the scale of the molecules, atoms level. PVD coating technology with low deposition temperature, th

4、e substrate can be prepared multilayer nanocomposites structure, environment friendly and so on . In this paper, a brief overview of the PVD coating technology for tools development, operating principles and its application.Key Word: PVD Tools coating technology Vapor Nonocomposite structure前 言 現(xiàn)代加工

5、業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)模具、刀具及刃具的綜合性能提出了越來(lái)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(qiáng)度。刀具表面涂層技術(shù)是應(yīng)市場(chǎng)需求發(fā)展起來(lái)的一種優(yōu)質(zhì)表面改性技術(shù)，它不僅能大幅度提高刀具使用壽命，而且能滿足現(xiàn)代機(jī)械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，因此該技術(shù)與材料、加工工藝并稱為切削刀具制造的三大關(guān)鍵技術(shù)。在刀具表面沉積高硬度或低摩擦系數(shù)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(qiáng)度之間的矛盾。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展離不開高壽命的切削工具刀具自刀具涂層技術(shù)從問(wèn)世以來(lái)，刀具的性能得到了很大的改善，對(duì)加工技術(shù)的進(jìn)步起著非常重要的作用涂層刀具

6、已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志，西方國(guó)家新型數(shù)控機(jī)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(fā)展，涂層刀具的比例將進(jìn)一步增加目前在制造業(yè)所用硬質(zhì)合金刀具上采用較多的涂層有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出現(xiàn)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(yīng)用效果隨著科技的發(fā)展，刀具涂層技術(shù)將不斷提高，刀具涂層材料也日新月異 。PVD涂層技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀PVD技術(shù)的工作原理和主要技術(shù) 2.1 濺射沉積技術(shù)原理 2.2 陰極弧蒸發(fā)沉積技術(shù)原理刀具PVD涂層技術(shù)的應(yīng)用 3.1 金剛石薄膜 3.2 氮化碳涂層 3.3 TiN,TiC

7、基涂層PVD技術(shù)存在的問(wèn)題 4.1 技術(shù)上存在的問(wèn)題22 4.2 涂層設(shè)備開發(fā)制造上存在的問(wèn)題 4.3 整體配套性差, 應(yīng)用基礎(chǔ)研究缺乏未來(lái)發(fā)展方向PVD涂層技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 物理氣相沉積（PhysicalVapourDeposition-PVD）和化 學(xué) 氣 相 沉 積 （ C h e m i c a l VapourDepositionCVD）被廣泛應(yīng)用于刀具涂層。 CVD技術(shù)是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物，通過(guò)原子、分子間反應(yīng)生成固態(tài)涂層的技術(shù)。CVD的涂層材料是由反應(yīng)氣體通過(guò)化學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的，對(duì)反應(yīng)物和生成物的選擇具有一定的局限性。CVD和熱生長(zhǎng)過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)需要通過(guò)熱效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而涂層制備

8、過(guò)程中基體所處的環(huán)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(duì)于刀具材料來(lái)說(shuō)，CVD涂層目前只適用于硬質(zhì)合金刀具，且因?yàn)槠涓叩某练e溫度導(dǎo)致涂層沉積后硬質(zhì)合金的強(qiáng)度、韌性出現(xiàn)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(shí)際應(yīng)用中的涂層一般僅限于上述涂層的組合。PVD涂層優(yōu)越性：沉積溫度低，在500以下對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度沒有影響；薄膜內(nèi)部為壓應(yīng)力，更適合于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜類刀具的涂層；PVD工藝對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響，符合目前綠色工業(yè)的發(fā)展方向。PVD技術(shù)有以下幾種類型: 1.陰極電弧法(CathodeArcDeposition) 2.

9、熱陰極法(Hot CathodePlating)3.磁控濺射法(MagnetronSputter Plating)4.磁控濺射附加陰極電弧法 目前國(guó)內(nèi)已較多采用的技術(shù), 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(guó)內(nèi)是一項(xiàng)傳統(tǒng)技術(shù), 其應(yīng)用市場(chǎng)仍舊存在。為了充分發(fā)揮此技術(shù)的特點(diǎn), 國(guó)內(nèi)的研究者將空心陰極與磁控濺射技術(shù)、陰極電弧技術(shù)結(jié)合在一起, 用于多元薄膜的制備, 且這種全新的嘗試已對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生了影響。PVD技術(shù)的工作原理和主要技術(shù) 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(fā)沉積，后者屬于蒸發(fā)法。圖2-1為濺射沉積和陰極弧蒸發(fā)沉積過(guò)程的示意圖，兩種沉積過(guò)程都

10、是由低壓放電氣體組成的等離子體環(huán)境中完成。圖2-1濺射和陰極弧蒸發(fā)沉積示意圖2.1 2.1 濺射沉積技術(shù)原理濺射沉積是在由低壓放電氣體組成的等離子體環(huán)境中完成，它利用帶有電荷的離子在電場(chǎng)中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，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(lái)。這些被濺射的原子帶有一定的動(dòng)能，并且會(huì)沿著一定的方向射向基體，從而實(shí)現(xiàn)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(yáng)極可以接地，也可以是處于浮動(dòng)電位或是處于一定的正、負(fù)電位。在對(duì)系統(tǒng)預(yù)抽真空以后，充入適當(dāng)壓力的惰性氣體，一般選用Ar

11、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(nèi)。Ar原子在正、負(fù)電極高壓的作用下電離為Ar+和可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的電子，其中電子飛向陽(yáng)極，帶正電的Ar+離子在高壓電場(chǎng)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(guò)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(huì)引起陰極輻射二次電子、離子、光子等。在濺射過(guò)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(wú)方向性，導(dǎo)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(kuò)散能力有限而不能

12、得到致密的薄膜結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)，低的氣體離化率也導(dǎo)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(fā)沉積技術(shù)原理圖2-3陰極弧沉積的示意圖 陰極弧蒸發(fā)是利用弧蒸發(fā)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(jīng)過(guò)電極材料的氣體或蒸汽而產(chǎn)生，其特點(diǎn)是電弧源產(chǎn)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(gè)或多個(gè)小的發(fā)亮斑點(diǎn)，其電流密度非常高；電壓僅僅需要接近被蒸發(fā)材料的氣體或蒸汽的離化電勢(shì)。當(dāng)高的電流密度、低電壓的電子束經(jīng)過(guò)高真空環(huán)境下的近距離的電極時(shí)形成弧，并在表面形成蒸發(fā)材料而組成等離子體。通常為了點(diǎn)燃弧，兩電極會(huì)在起弧的瞬

13、間接觸。陰極上的接觸點(diǎn) 稱之為“陰極點(diǎn)”，陰極點(diǎn)的電流密度達(dá)到10A/cm2，高的電流密度引起弧侵蝕并完成蒸發(fā)材料的離化。靶材侵蝕過(guò)程中，參與放電的導(dǎo)電介質(zhì)由高度離化的陰極材料所組成，這是由陰極斑點(diǎn)中強(qiáng)烈的金屬蒸氣發(fā)射所產(chǎn)生。陰極材料的蒸發(fā)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(gè)陰極斑點(diǎn)產(chǎn)生高速的陰極材料噴射，離子流相當(dāng)于總弧電流的7%10%。如果沒有額外裝置的控制，產(chǎn)生的弧將會(huì)隨機(jī)地在陰極表面隨即漂移，靶材的浸蝕也將是隨機(jī)不可控，這樣將會(huì)減少靶材的利用率。為了使靶材的侵蝕過(guò)程處于可控狀態(tài)，通常在陰極背后加一磁控系統(tǒng)來(lái)控制弧在靶材表面的運(yùn)動(dòng)（類似于磁控濺射控制電子的運(yùn)

14、動(dòng)），用以控制靶材的侵蝕。圖2-4 Ti-Al-N薄膜的表面形貌：（a）陰極弧蒸發(fā)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(shù)沉積Ti-Al-N薄膜的表面狀況對(duì)比。圖2-4a 為陰極弧蒸發(fā)沉積的Ti-Al-N薄膜，表面的白色降落物便為沉積過(guò)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(jié)構(gòu)與性能。刀具PVD涂層技術(shù)的應(yīng)用 3.1 金剛石薄膜 金剛石薄膜的應(yīng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)，這使得在刀片的前面呈顯微粗糙的表面這種粗糙的

15、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(huì)導(dǎo)致工件加工表面光潔度變差當(dāng)今，汽車工業(yè)在加工硅 鋁 合 金( 特 別 是系列) 零件時(shí)，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(fù)合材料碳-碳復(fù)合材料和木材加工業(yè)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。3.2 氮化碳涂層 近年來(lái)，氮化碳(C3N4 ) 作為一種新型的超硬材料，已成為有實(shí)用價(jià)值的刀具涂層材料對(duì)于高速鋼刀具，經(jīng)過(guò)C3N4涂層，對(duì)刀具耐磨性的提高極為顯著，其 效 果 超 過(guò) 了 TiN涂 層; 高 速 鋼 麻 花 鉆，經(jīng) 過(guò)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(zhì)合金刀片( 刀具) ，經(jīng)過(guò)

16、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(guó)物理學(xué)家A.M.Liu和M.L.Cohen 首先用分子工程理論，設(shè)計(jì)出超硬無(wú)機(jī)化合物氮化碳，根據(jù)體彈性模量的計(jì)算，可能達(dá)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(shù)高導(dǎo)熱性能很好的化學(xué)穩(wěn)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(yīng)用前景。3.3 TiN、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(yīng)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(rùn)濕性能好，在空氣中抗氧化能力比TiC好，但

17、由于它的耐高溫抗氧化性能不高限制了它的更廣泛的應(yīng)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(diǎn)。 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(lái)制備，在切削過(guò)程中 Al氧化而形成 ，從而起到抗氧化和抗擴(kuò)散磨損的作用，在 高 速 切 削 時(shí)，涂層刀具的切削效果優(yōu)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(jié)能力高，尤其是由于 TiAlN 涂層刀具具有很高的高溫

18、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(dá)4000HV ，涂層數(shù)為 400層( 總厚度5m) 最近又開發(fā)了納米涂層技術(shù)，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(zhì)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

19、 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(fù)合涂層每調(diào)制周期由兩種材料組合而成，厚度僅為幾納米，根 據(jù) 切 削 需要，可相互疊加涂覆上百層，總厚度可達(dá)25m。設(shè)計(jì)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(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤(rùn)滑性能，十分適合于干切削涂層的多層化及其相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使涂層既可提高與基體的結(jié)合強(qiáng)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(fā)展前景的一類涂層材料。PVD技術(shù)存在的問(wèn)題 4.1 技術(shù)上存在的問(wèn)題其主要存在的問(wèn)題如下:1.

20、盡管國(guó)內(nèi)的TiN涂層工藝工業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)較好, 但在高速切削加工領(lǐng)域及硬質(zhì)合金刀具涂層方面卻無(wú)法滿足市場(chǎng)要求，與國(guó)外TiAlN涂層相比, 涂層刀具壽命相差100%200%；2.國(guó)內(nèi)的TiAlN涂層技術(shù)在成分、薄膜結(jié)構(gòu)、致密性、結(jié)合強(qiáng)度以及均勻性等方面尚不成熟, 在常規(guī)切削加工中, 所表現(xiàn)出的性能與TiN相比并未顯現(xiàn)出其優(yōu)越性；3.在現(xiàn)代先進(jìn)切削加工制造中，精密成型加工的要求越來(lái)越高，通過(guò)合理的薄膜制備技術(shù)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(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)與根本。但是，與90年代不同，國(guó)內(nèi)已淡化了薄膜制備技術(shù)的基礎(chǔ)研究工作。4.盡管國(guó)內(nèi)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(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 比如含硅、硼等納米多層膜, 但就商業(yè)應(yīng)用而言, 其與市場(chǎng)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(diǎn)僅在于超硬膜致硬機(jī)理的探索,而缺乏制備技術(shù)的基礎(chǔ)研究；受條件所限,