硬质涂层概况资料
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▪ 真空蒸镀（Evaporation Deposition） ▪ 离子镀(Ion Plating) ▪ 溅射沉积(Sputtering)
直流溅射
溅射电源为直流电源，只适用金属和半导 体材料溅射
射频溅射
溅射电源为射频电源，可溅射导体、半 导体和绝缘体材料
磁控溅射
靶材背后安置强磁体，增强气体电离和电 子对基体轰击可实现低温高速沉积
– 非晶碳层/金刚石涂层
金属基合金涂层硬度值 (<1500Hv)不是很高,不能完 全满足硬质涂层应用的需要!
陶瓷涂层的应用成为研究热点
陶瓷涂层的应用
Al2O3涂层
高硬度（750－2100Hv） 高熔点 化学性质稳定 热不良导体，阻止摩擦热向
基体扩散 抗腐蚀，抗磨损的理想材料 主要沉积技术：CVD 主要应用 刀具等
围窄 涂层应力大,膜基结合能力差 适用于加工有色金属,木材等不含铁成分的材
性能 ▪ 硬度2200 Hv－2700Hv ▪ 摩擦系数 0.4 - 0.9 ▪ 最高使用温度 800℃(>TiN500℃) ▪ 沉积温度300 ℃
TiAlN
TiAlN涂层性能
TiAlN是目前高 速干式切削刀 具最常用的涂
层
TiAlN切削性能
TiN中Al的加入提 高了TiN硬度和抗 氧化能力是TiAlN 性能优于TiN的主
溅射沉积特点
溅射出粒子平均能量比真空蒸镀产生 的粒子大，薄膜与基体结合性好 膜厚较真空蒸镀均匀，材料的溅射特 性差别不如其蒸发特性差别大，易控制 成分 任何材料（导电体、绝缘体、有机、 无机）均能溅射成膜 磁控溅射沉积技术是应用最广泛的气相 沉积技术！磁控溅射仪可以称为万能镀 膜机。
硬质涂层的分类
氮化钛涂层应用
性能
❖ 金黄色 ❖ 硬度 2200Hv ❖ 摩擦系数0.4-0.6 ❖ 磨损率 10-17 m3/Nm
TiN模具
涂层成分正向多样化趋势发展
多元氮化物
TiAlN TiZrN TiHfN TiAlVN TiAlZrN
二元、三元氮化物可明显提高一元氮化 物（如氮化钛）的性能
TiAlN涂层
TiAlN挤型模
TiN/TiAlN 钻头
（4）硬碳涂层
非晶碳层/类金刚石层(DLC) 兼有石墨和金刚石性能,优异的固体润滑 硬膜
金刚石(sp3),石墨(sp2) DLC (sp3+ sp2) 金刚石硬度100Gpa DLC硬度7.4-60Gpa
优点
摩擦系数小0.1, 沉积温度低可 <200℃
精密冲压加工品的电镀 Ni
化学镀 Ni-P
电镀与化学镀的局限性：
沉积的硬质材料有限(Cr,Ni,Ni-P…) 沉积的硬质材料硬度一般偏小
(<1500Hv) 复合沉积的复合均匀性较差,不能应用于
精密部件
化学气相沉积（CVD）特点
最先使用的气相沉积技术 优点 沉积温度高,结合力比物理气相沉积强 缺点 沉积温度过高限制基底的适用范围
金属基合金涂层
铁基 铬基 镍层 钼层 钴基和镍基合金涂
层 其他合金涂层
陶瓷涂层
氧化涂层
– 氧化铝／氧化钽／氧化铬
碳化物涂层
– 碳化钛/碳化钨/碳化铬 – 碳化铪/碳化锆／碳化硅
氮化物涂层
– 氮化钛 – 氮化铪/氮化锆／氮化硅 – 立方氮化硼(CBN)／多元
氮化物
硼化物 硅化物 硬质碳层
碳化物涂层
碳化钛Ti-C （1000Hv－2800Hv） 应用最广的碳化物涂层 碳化钨 W-C（800－2100Hv） 在高温条件下能保持良好的硬度 碳化铬Cr-C 具有碳化钛、碳化钨更强的抗氧化性。 碳化硅SiC 高硬度，高温抗氧化性，抗腐蚀性
• 与氧化物相比具有更高的硬度
• 脆性增加
• 涂层的沉积技术与沉积条件严重影 响涂层性能
氮化物涂层
氮化钛TiN
▪ 研究应用最多的氮化物涂层
氮化铪HfN
▪ 相对氮化钛和碳化钛，提高温度能wenku.baidu.com持较高硬度
立方氮化硼 c-BN（4000Hv）
▪ 曾是金刚石之后发现最硬的材料之一 ▪ 需高温沉积，成本高
与碳化物相比，氮化物具有良好的韧性 涂层沉积技术与沉积条件严重影响涂层性能
电化学沉积（电镀）与化学镀
电镀 化学镀
电镀
化学镀
➢需要基体导电
➢不需要基体导电
➢受电力线变化影响，均匀性和致密度差 ➢镀层均匀,致密,抗腐蚀性更好
➢仿形性差
➢仿形性好,可对复杂部件施镀
➢可沉积材料相对较少
➢除Pb、Cd、Sn、Bi，大多数金属可沉积
➢成本相对低
➢成本相对更高
➢沉积速度相对较快
➢沉积速度相对较慢
硬质涂层发展概况
江苏大学 邵红红
一、硬质涂层沉积技术
印刷用滚筒等离子陶瓷热喷涂（耐磨损） 等离子陶瓷热喷涂泵部件(耐磨损）
电极轴（铜）隔离部等离子陶瓷热喷涂 拉线机械用引导滚筒等离子陶瓷热喷涂
（耐磨损）
（耐磨损）
热喷涂存在的问题：
涂层厚,均匀性相对其他沉积方法差,难以 应用于精密部件 喷涂材料受限制,必须在熔融条件下不发 生分解、蒸发、升华、离解 沉积表面需要机械或化学粗化，基体不能 太薄
要原因
TiAlN涂层性能
TiAlN钻孔试验
TiAlN涂层应用
noncoating
TiN
TiAlN.
Typical photographs of tool wear according to coating type in the case of cutting speed 200 m/min and feed per tooth 0.03 mm/rev; (a) noncoating; (b) TiN; (c) TiAlN.
– 沉积温度600℃-1200℃ – 基底适用范围(硬质合金\陶瓷部件) – 热变形大，应用于非精密部件
反应气体会污染环境
PVD与CVD的 区别导致不同 领域的应用
物理气相沉积（PVD）优点：
▪ 沉积温度低,应用范围广 ▪ 热变形小,可应用于精密部件(刀具、模
具) ▪ 没有废气排放，绿色环保
物理气相沉积（PVD）类型
缺点
适用于加工有色金属,木材等不含铁 成分的材料
使用温度低<450℃,涂层应力大
PureDLCcoating
DLC Slidingparts,molds,inserts
DLC切割刀片
硬碳层
金刚石涂层 优点 具有很高的硬度,耐磨性能,摩擦系数低 缺点 采用CVD沉积技术,沉积温度高,基底材料范
直流溅射
溅射电源为直流电源，只适用金属和半导 体材料溅射
射频溅射
溅射电源为射频电源，可溅射导体、半 导体和绝缘体材料
磁控溅射
靶材背后安置强磁体，增强气体电离和电 子对基体轰击可实现低温高速沉积
– 非晶碳层/金刚石涂层
金属基合金涂层硬度值 (<1500Hv)不是很高,不能完 全满足硬质涂层应用的需要!
陶瓷涂层的应用成为研究热点
陶瓷涂层的应用
Al2O3涂层
高硬度（750－2100Hv） 高熔点 化学性质稳定 热不良导体，阻止摩擦热向
基体扩散 抗腐蚀，抗磨损的理想材料 主要沉积技术：CVD 主要应用 刀具等
围窄 涂层应力大,膜基结合能力差 适用于加工有色金属,木材等不含铁成分的材
性能 ▪ 硬度2200 Hv－2700Hv ▪ 摩擦系数 0.4 - 0.9 ▪ 最高使用温度 800℃(>TiN500℃) ▪ 沉积温度300 ℃
TiAlN
TiAlN涂层性能
TiAlN是目前高 速干式切削刀 具最常用的涂
层
TiAlN切削性能
TiN中Al的加入提 高了TiN硬度和抗 氧化能力是TiAlN 性能优于TiN的主
溅射沉积特点
溅射出粒子平均能量比真空蒸镀产生 的粒子大，薄膜与基体结合性好 膜厚较真空蒸镀均匀，材料的溅射特 性差别不如其蒸发特性差别大，易控制 成分 任何材料（导电体、绝缘体、有机、 无机）均能溅射成膜 磁控溅射沉积技术是应用最广泛的气相 沉积技术！磁控溅射仪可以称为万能镀 膜机。
硬质涂层的分类
氮化钛涂层应用
性能
❖ 金黄色 ❖ 硬度 2200Hv ❖ 摩擦系数0.4-0.6 ❖ 磨损率 10-17 m3/Nm
TiN模具
涂层成分正向多样化趋势发展
多元氮化物
TiAlN TiZrN TiHfN TiAlVN TiAlZrN
二元、三元氮化物可明显提高一元氮化 物（如氮化钛）的性能
TiAlN涂层
TiAlN挤型模
TiN/TiAlN 钻头
（4）硬碳涂层
非晶碳层/类金刚石层(DLC) 兼有石墨和金刚石性能,优异的固体润滑 硬膜
金刚石(sp3),石墨(sp2) DLC (sp3+ sp2) 金刚石硬度100Gpa DLC硬度7.4-60Gpa
优点
摩擦系数小0.1, 沉积温度低可 <200℃
精密冲压加工品的电镀 Ni
化学镀 Ni-P
电镀与化学镀的局限性：
沉积的硬质材料有限(Cr,Ni,Ni-P…) 沉积的硬质材料硬度一般偏小
(<1500Hv) 复合沉积的复合均匀性较差,不能应用于
精密部件
化学气相沉积（CVD）特点
最先使用的气相沉积技术 优点 沉积温度高,结合力比物理气相沉积强 缺点 沉积温度过高限制基底的适用范围
金属基合金涂层
铁基 铬基 镍层 钼层 钴基和镍基合金涂
层 其他合金涂层
陶瓷涂层
氧化涂层
– 氧化铝／氧化钽／氧化铬
碳化物涂层
– 碳化钛/碳化钨/碳化铬 – 碳化铪/碳化锆／碳化硅
氮化物涂层
– 氮化钛 – 氮化铪/氮化锆／氮化硅 – 立方氮化硼(CBN)／多元
氮化物
硼化物 硅化物 硬质碳层
碳化物涂层
碳化钛Ti-C （1000Hv－2800Hv） 应用最广的碳化物涂层 碳化钨 W-C（800－2100Hv） 在高温条件下能保持良好的硬度 碳化铬Cr-C 具有碳化钛、碳化钨更强的抗氧化性。 碳化硅SiC 高硬度，高温抗氧化性，抗腐蚀性
• 与氧化物相比具有更高的硬度
• 脆性增加
• 涂层的沉积技术与沉积条件严重影 响涂层性能
氮化物涂层
氮化钛TiN
▪ 研究应用最多的氮化物涂层
氮化铪HfN
▪ 相对氮化钛和碳化钛，提高温度能wenku.baidu.com持较高硬度
立方氮化硼 c-BN（4000Hv）
▪ 曾是金刚石之后发现最硬的材料之一 ▪ 需高温沉积，成本高
与碳化物相比，氮化物具有良好的韧性 涂层沉积技术与沉积条件严重影响涂层性能
电化学沉积（电镀）与化学镀
电镀 化学镀
电镀
化学镀
➢需要基体导电
➢不需要基体导电
➢受电力线变化影响，均匀性和致密度差 ➢镀层均匀,致密,抗腐蚀性更好
➢仿形性差
➢仿形性好,可对复杂部件施镀
➢可沉积材料相对较少
➢除Pb、Cd、Sn、Bi，大多数金属可沉积
➢成本相对低
➢成本相对更高
➢沉积速度相对较快
➢沉积速度相对较慢
硬质涂层发展概况
江苏大学 邵红红
一、硬质涂层沉积技术
印刷用滚筒等离子陶瓷热喷涂（耐磨损） 等离子陶瓷热喷涂泵部件(耐磨损）
电极轴（铜）隔离部等离子陶瓷热喷涂 拉线机械用引导滚筒等离子陶瓷热喷涂
（耐磨损）
（耐磨损）
热喷涂存在的问题：
涂层厚,均匀性相对其他沉积方法差,难以 应用于精密部件 喷涂材料受限制,必须在熔融条件下不发 生分解、蒸发、升华、离解 沉积表面需要机械或化学粗化，基体不能 太薄
要原因
TiAlN涂层性能
TiAlN钻孔试验
TiAlN涂层应用
noncoating
TiN
TiAlN.
Typical photographs of tool wear according to coating type in the case of cutting speed 200 m/min and feed per tooth 0.03 mm/rev; (a) noncoating; (b) TiN; (c) TiAlN.
– 沉积温度600℃-1200℃ – 基底适用范围(硬质合金\陶瓷部件) – 热变形大，应用于非精密部件
反应气体会污染环境
PVD与CVD的 区别导致不同 领域的应用
物理气相沉积（PVD）优点：
▪ 沉积温度低,应用范围广 ▪ 热变形小,可应用于精密部件(刀具、模
具) ▪ 没有废气排放，绿色环保
物理气相沉积（PVD）类型
缺点
适用于加工有色金属,木材等不含铁 成分的材料
使用温度低<450℃,涂层应力大
PureDLCcoating
DLC Slidingparts,molds,inserts
DLC切割刀片
硬碳层
金刚石涂层 优点 具有很高的硬度,耐磨性能,摩擦系数低 缺点 采用CVD沉积技术,沉积温度高,基底材料范