刀具pvd涂层技术的发展

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1、刀具PVD涂层技术的发展1引言本世纪六十年代末，用化学气相沉积(CVD)法在硬质合金刀具表面沉积TiN和TiC等硬涂层的技术被工业界广泛应用，这些硬涂层一般可使刀具寿命提高4倍以上，极大地改善了刀具的切削性能，提高了切削效率。但由于CVD法的涂覆温度在1000℃以上，因此不适宜用于高速钢刀具的涂层。八十年代初，用物理气相沉积(PVD)法成功地实现了对高速钢刀具和硬质合金刀具的涂层。此后，各种新的涂层方法和涂层材料不断出现，目前刀具涂层技术的研究和开发正方兴未艾。2刀具PVD涂层方法目前常用的刀具PVD涂层方法主要有以下六种：低压电子束蒸发(LVEE)法、阴极电弧沉积(CAD)法、三极管高压电子

2、束蒸发(THVEE)法、非平衡磁控溅射(UMS)法、离子束协助沉积(IAD)法和动力学离子束混合(DIM)法。这几种涂层方法的原理有相似之处，都是通过气相反应过程，使蒸发或溅射出的金属原子(或引入反应室的气体原子或离子)发生气相反应，从而在刀具表面沉积出所要求的化合物。这几种涂层方法的主要差别在于沉积材料的气化方法不同(或通过蒸发或通过溅射)，以及产生等离子体的方法不同(导致等离子体中的离子数、电子数、中子数不同)，致使成膜速度和膜层质量存在差异。LVEE法能有效地离化蒸发的原子，离化率可达50%。CAD法利用电弧产生的火花从靶面蒸发材料，且能有效离化蒸发原子和反应气体，离化率高达90%。高离

3、化率可促进气相反应，形成与基底附着力强的致密涂层。但CVD法容易产生直径达1～15µm的金属液滴(称为宏观粒子)，这些宏观粒子埋入生长膜，会损害涂层的表面光洁度。采用电弧过滤可获得较高的沉积速度，但由于高压电子束的离化截面小，因而离化效率较低，THVEE法则可克服这一缺点，且离化率可通过改变其它工艺参数加以控制。UMS法的沉积速度很快，能产生非常致密且附着力强的膜层，但由于多元溅射靶各组元的饱和蒸发气压不同，致使膜层的成分较难控制。多靶磁控溅射系统可以同时溅射几种不同的靶源材料，从而可有效控制膜层的化学成分。磁控溅射可保持衬底温度在200℃以下。IAD法是应用较为广泛的刀具涂层方法，可有效地沉

4、积各种硬涂层。在沉积之前，需对衬底进行溅射以去除基体表面的氧化层，这样可提高涂层质量，使膜层与衬底的结合更为牢固。DIM法利用低能溅射源对靶源材料进行轰击、溅射和沉积，再通过高能离子注入机对衬底进行注入混合，从而可获得较其它涂层方法具有更高膜-基结合强度的涂层。对膜层的AES研究表明，在衬底与膜层之间有一混合层，正是这一混合层提高了衬底与膜层的结合强度。3刀具PVD涂层技术的发展趋势目前，刀具PVD涂层技术存在两种发展趋势，一是涂层越来越硬；二是涂层越来越软。刀具的硬涂层主要是元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族金属元素与C、N、O等元素的化合物；刀具的软涂层则主要是MoS2、WS2等硫族化合物。

5、1.普通硬涂层最早在高速钢刀具上使用的涂层是TiN，它是一种简单的二元涂层，在大多数情况下，这种涂层使切削刀具具有较好的耐磨性。刀具的切削性能一方面要求涂层与基体之间有较高的结合强度，另一方面要求涂层材料与基体材料之间具有较低的化学活性。TiN等简单涂层已很难满足这种要求。如果构成涂层的化合物之间有较好的互溶性，由此构成的复杂涂层就可具有最佳的性能，通过溅射或蒸发钛靶，通入不同比例的氮气和乙炔气，可以获得TiN、TiC等简单涂层和Ti(CN)、Ti(CN)2、Ti(CN)3等复杂涂层。表1列出了不同涂层类型和获得该涂层的工作气体组分。表1　涂层类型与工作气体成分涂层类型工作气体成分总压力(Pa

6、)放电电流(A)偏压(V)Ti(CN)N2=100%C2H2=25%1.8×10－1I1=I2=I3=100V=-150Ti(CN)2N2=75%C2H2=50%Ti(CN)3N2=50%C2H2=75%TiCN2=25%C2H2=100%图1所示为简单涂层TiN、TiC与复杂涂层Ti(CN)的持久性比较。由图可见，复杂涂层比简单涂层具有更为优越的持久性。如采用混合多层涂层，则可获得更好的涂层性能。其方法是首先在刀具基体表面沉积一层TiC，使涂层与衬底具有较好的结合强度，然后在其上沉积不同比例C、N的TiCN涂层，最后沉积一层TiN或TiCN，以产生漂亮的色彩。除TiN、TiC、TiCN等涂层

7、外，较常用的涂层还有氮化铝钛涂层，该涂层首先在欧洲开发和使用，初期选用成分为Ti0.75Al0.25N，现在则优先选用Ti0.5Al0.5N，后者可使涂层的氧化温度提高到700>℃，同时Ti0.5Al0.5N>在空气中加热会在涂层表面产生一层非晶态氧化铝(Al2O3)薄膜，从而可对涂层起到保护作用。在一些高速切削场合，由于该保护层的作用，使Ti0.5Al0.5N>涂层刀具的工作性能优于TiN或Ti