PVD涂层技术的发展与应用

刀具PVD涂层技术的发展与应用(广东工业大学机电工程学院，广州510006)摘要物理气相沉积（physicalvapordeposition,PVD）是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到沉积涂层的可控转移过程，是在分子、原子的尺度上沉积涂层。PVD涂层技术具有沉积温度低、对基体影响小、能制备多层复合纳米涂层结构、绿色环保等特点。本文主要对刀具PVD涂层技术的发展、工作原理以及其应用做一个简要的概述。关键词PVD刀具涂层溅射纳米复合结构TheDevelopmentAndApplicationOfPVDCoatingTechnologyForToolsHuangjian(InstituteofManufacturingTechnology,GuangdongUniversityOfTechnology,Guangzhou510006)ABSTRACT:Physicalvapordeposition(physicalvapordeposition,PVD)istheuseofaphysicalprocess,suchasthermalevaporationofthematerialorsubjecttothephenomenonofparticlebombardment,thesurfaceatomsofasubstancesuchassputtering,depositingacoatingfromasourcematerialtoacontrollabletransfermaterialatomsprocess,whichisdepositedonthescaleofthemolecules,atomslevel.PVDcoatingtechnologywithlowdepositiontemperature,thesubstratecanbepreparedmultilayernanocompositesstructure,environmentfriendlyandsoon.Inthispaper,abriefoverviewofthePVDcoatingtechnologyfortoolsdevelopment,operatingprinciplesanditsapplication.KeyWord:PVDToolscoatingtechnologyVaporNonocompositestructure前言现代加工业的飞速发展对模具、刀具及刃具的综合性能提出了越来越高的要求，苛刻的服役条件要求以上工具必须具备高的硬度、耐磨性、耐热性和足够的韧性和强度。刀具表面涂层技术是应市场需求发展起来的一种优质表面改性技术，它不仅能大幅度提高刀具使用寿命，而且能满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，因此该技术与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。在刀具表面沉积高硬度或低摩擦系数的涂层能改善刀具的耐磨、耐腐蚀等特性，并有效地解决了刀具材料中硬度与强度之间的矛盾。数控技术的发展离不开高寿命的切削工具刀具自刀具涂层技术从问世以来，刀具的性能得到了很大的改善，对加工技术的进步起着非常重要的作用涂层刀具已经成为现代刀具的标志，西方国家新型数控机床所用切削刀具中有80%左右使用涂层刀具，而且随着科技的发展，涂层刀具的比例将进一步增加目前在制造业所用硬质合金刀具上采用较多的涂层有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出现的TiCrAlN、CrSiAlN涂层等等，刀具寿命明显提高另外涂层在钻头铰刀齿轮滚刀丝锥上也都获得很好的应用效果随着科技的发展，刀具涂层技术将不断提高，刀具涂层材料也日新月异。1.PVD涂层技术的发展现状2.PVD技术的工作原理和主要技术2.1溅射沉积技术原理2.2阴极弧蒸发沉积技术原理3.刀具PVD涂层技术的应用3.1金刚石薄膜3.2氮化碳涂层3.3TiN,TiC基涂层4.PVD技术存在的问题4.1技术上存在的问题[22]4.2涂层设备开发制造上存在的问题4.3整体配套性差,应用基础研究缺乏5.未来发展方向1.PVD涂层技术的发展现状物理气相沉积（PhysicalVapourDeposition--PVD）和化学气相沉积（ChemicalVapourDeposition—CVD）被广泛应用于刀具涂层。CVD技术是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间反应生成固态涂层的技术。CVD的涂层材料是由反应气体通过化学反应而实现的，对反应物和生成物的选择具有一定的局限性。CVD和热生长过程中，化学反应需要通过热效应来实现，因而涂层制备过程中基体所处的环境温度一般较高，这在很大程度上限制了基体材料的选取。对于刀具材料来说，CVD涂层目前只适用于硬质合金刀具，且因为其高的沉积温度导致涂层沉积后硬质合金的强度、韧性出现一定程度的下降。CVD刀具涂层最常用的四种材料：TiN、TiC、TiCN（中温或高温）、Al2O3，实际应用中的涂层一般仅限于上述涂层的组合。PVD涂层优越性：沉积温度低，在500℃以下对刀具材料的抗弯强度没有影响；薄膜内部为压应力，更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层；PVD工艺对环境无不良影响，符合目前绿色工业的发展方向。PVD技术有以下几种类型:1.阴极电弧法(CathodeArcDeposition)2.热阴极法(HotCathodePlating)3.磁控溅射法(MagnetronSputterPlating)4.磁控溅射附加阴极电弧法目前国内已较多采用的技术,可用于多种薄膜的制备。5.空心阴极附加磁控溅射及阴极电弧法空心阴极在国内是一项传统技术,其应用市场仍旧存在。为了充分发挥此技术的特点,国内的研究者将空心阴极与磁控溅射技术、阴极电弧技术结合在一起,用于多元薄膜的制备,且这种全新的尝试已对市场产生了影响。2.PVD技术的工作原理和主要技术在刀具涂层中，最常用的物理涂层为溅射沉积和阴极弧蒸发沉积，后者属于蒸发法。图2-1为溅射沉积和阴极弧蒸发沉积过程的示意图，两种沉积过程都是由低压放电气体组成的等离子体环境中完成。图2-1溅射和阴极弧蒸发沉积示意图2.1溅射沉积技术原理溅射沉积是在由低压放电气体组成的等离子体环境中完成，它利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点，将离子引向欲被溅射的靶电极。在离子能量足够的情况下，靶表面的原子在入射离子的轰击下被溅射出来。这些被溅射的原子带有一定的动能，并且会沿着一定的方向射向基体，从而实现在基体上薄膜的沉积。图２-２溅射沉积示意图图2-2为溅射沉积薄膜示意图，靶材是需要溅射的材料，作为阴极。阳极可以接地，也可以是处于浮动电位或是处于一定的正、负电位。在对系统预抽真空以后，充入适当压力的惰性气体，一般选用Ar作为气体放电的载体，溅射气体压力一般处于0.1~10Pa的范围内。Ar原子在正、负电极高压的作用下电离为Ar+和可以独立运动的电子，其中电子飞向阳极，带正电的Ar+离子在高压电场的加速作用下高速飞向作为阴极的靶材，并在与靶材的轰击过程中释放其能量。靶材原子在Ar+离子高速轰击下获得足够的能量脱离靶材的束缚而飞向基体形成薄膜，其次，离子与靶材的碰撞还会引起阴极辐射二次电子、离子、光子等。在溅射过程中，由于在高速离子的轰击作用下离开靶材的溅射原子的无方向性，导致很多溅射原子不能沉积在基体形成薄膜，降低了沉积效率和沉积速率；另外，低的气体离化率影响了薄膜沉积粒子的能量，沉积粒子的表面扩散能力有限而不能得到致密的薄膜结构，与此同时，低的气体离化率也导致了低的靶材溅射率而降低了薄膜的沉积速率。2.2阴极弧蒸发沉积技术原理图2-3阴极弧沉积的示意图阴极弧蒸发是利用弧蒸发电极材料作为沉积源的PVD沉积手段弧是由低电压、高电流经过电极材料的气体或蒸汽而产生，其特点是电弧源产生高度离化和较高能量的等离子体。该方法使用低电压，高电流在阴极局部放电，全部电流集中于阴极表面上一个或多个小的发亮斑点，其电流密度非常高；电压仅仅需要接近被蒸发材料的气体或蒸汽的离化电势。当高的电流密度、低电压的电子束经过高真空环境下的近距离的电极时形成弧，并在表面形成蒸发材料而组成等离子体。通常为了点燃弧，两电极会在起弧的瞬间接触。阴极上的接触点称之为“阴极点”，阴极点的电流密度达到10A/cm2，高的电流密度引起弧侵蚀并完成蒸发材料的离化。靶材侵蚀过程中，参与放电的导电介质由高度离化的阴极材料所组成，这是由阴极斑点中强烈的金属蒸气发射所产生。阴极材料的蒸发是由于阴极表面局部的高温所造成。非常高的功率密度形成小的熔池。每个阴极斑点产生高速的阴极材料喷射，离子流相当于总弧电流的7%~10%。如果没有额外装置的控制，产生的弧将会随机地在阴极表面随即漂移，靶材的浸蚀也将是随机不可控，这样将会减少靶材的利用率。为了使靶材的侵蚀过程处于可控状态，通常在阴极背后加一磁控系统来控制弧在靶材表面的运动（类似于磁控溅射控制电子的运动），用以控制靶材的侵蚀。图2-4Ti-Al-N薄膜的表面形貌：（a）阴极弧蒸发沉积，（b）磁控溅射图2-4为采用非平衡磁控溅射和阴极弧溅射沉积技术沉积Ti-Al-N薄膜的表面状况对比。图2-4a为阴极弧蒸发沉积的Ti-Al-N薄膜，表面的白色降落物便为沉积过程中的“液滴”，此种缺陷不但存在于沉积薄膜的表面，还存在薄膜之中，影响薄膜的微观结构与性能。3.刀具PVD涂层技术的应用3.1金刚石薄膜金刚石薄膜的应用在许多方面取得突破，金刚石涂层工具能加工非铁合金如合金陶瓷纤维增强塑料和木材等，具有巨大的前景金刚石涂层具有一种高度小平面形的组织结构，这使得在刀片的前面呈显微粗糙的表面这种粗糙的金刚石小平面的作用可比喻为显微断屑器，而在刀片的后面，这种小平面会导致工件加工表面光洁度变差当今，汽车工业在加工硅铝合金(特别是系列)零件时，主要是使用金刚石涂层刀具，金刚石涂层刀具还有望在加工金属基复合材料碳-碳复合材料和木材加工业等领域获得应用。3.2氮化碳涂层近年来，氮化碳(C3N4)作为一种新型的超硬材料，已成为有实用价值的刀具涂层材料对于高速钢刀具，经过C3N4涂层，对刀具耐磨性的提高极为显著，其效果超过了TiN涂层;高速钢麻花钻，经过C3N4涂层，能使其耐用度大为提高，可取代常用的TiN涂层麻花钻;硬质合金刀片(刀具)，经过C3N4涂层，亦能提高刀片(刀具)的耐用度，但提高幅度不如高速钢刀具那样大。美国物理学家A.M.Liu和M.L.Cohen首先用分子工程理论，设计出超硬无机化合物氮化碳，根据体弹性模量的计算，可能达到金刚石的硬度氮化碳作为一种超硬薄膜材料，除了具有高硬度外，还有低摩擦系数高导热性能很好的化学稳定性和抗氧化性能，能切削加工铁族元素，作为刀具涂层材料具有广阔的应用前景。3.3TiN、TiC基涂层TiC是一种高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力。TiN涂层材料是目前应用最广的一种薄膜材料，它的硬度稍低，但它与金属的亲和力和润湿性能好，在空气中抗氧化能力比TiC好，但由于它的耐高温抗氧化性能不高限制了它的更广泛的应用为改善单层薄膜的性能，涂层的多元化(加入其它合金元素)和多层化成为了研究的热点。多元化薄膜如TiCN具有了TiC和TiN的综合能力，其硬度高于TiC和TiN，因此是一种较为理想的刀具涂层材料。TiAlN是含有抗氧化能力良好的的一种涂层，通常采用PVD(物理气相沉积)方法来制备，在切削过程中Al氧化而形成，从而起到抗氧化和抗扩散磨损的作用，在高速切削时，涂层刀具的切削效果优于TiC和TiN涂层刀具，主要原因是TiAlN涂层刀具的硬度抗氧化和抗粘结能力高，尤其是由于TiAlN涂层刀具具有很高的高温硬度。多层化薄膜如TiAlN/Al2O3多层PVD涂层等目前研究也较多，其涂层硬度达4000HV，涂层数为400层(总厚度5μm)最近又开发了纳米涂层技术，这种方法可采用多种涂层材料的不同组合满足不同功能和性能要求，特别适合于高速干切削硬质合金刀具的多层纳米涂层可分为5大类:1)氮化