PVD涂层技术的发展与应用剖析

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。
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
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 （ Chemical VapourDeposition—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。
The Development And Application Of PVD Coating Technology For Tools
Huangjian (Institute of Manufacturing Technology, Guangdong University Of Technology, Guangzhou 510006)
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。
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
3.3 TiN、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。
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（physical vapor deposition, 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
前 言
数控技术的发展离不开高寿命的切 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 削工具刀具自刀具涂层技术从问世以来， 要求，苛刻的服役条件要求以上工具必 刀具的性能得到了很大的改善，对加工 须具备高的硬度、耐磨性、耐热性和足 技术的进步起着非常重要的作用涂层刀 够的韧性和强度。刀具表面涂层技术是 具已经成为现代刀具的标志，西方国家 应市场需求发展起来的一种优质表面改 新型数控机床所用切削刀具中有80%左右 性技术，它不仅能大幅度提高刀具使用 使用涂层刀具，而且随着科技的发展， 寿命，而且能满足现代机械加工高效率、 涂层刀具的比例将进一步增加目前在制 高精度、高可靠性的要求，因此该技术 造业所用硬质合金刀具上采用较多的涂 与材料、加工工艺并称为切削刀具制造 层有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出现 的三大关键技术。在刀具表面沉积高硬 的 TiCrAlN 、 CrSiAlN 涂层等等，刀具寿 度或低摩擦系数的涂层能改善刀具的耐 命明显提高另外涂层在钻头铰刀齿轮滚 磨、耐腐蚀等特性，并有效地解决了刀 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， 具材料中硬度与强度之间的矛盾。 刀具涂层材料也日新月异 。
3.刀具PVD涂层技术的应用
3.1 金刚石来自百度文库膜
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。
PVD技术有以下几种类型:
1.阴极电弧法(CathodeArcDeposition)
2.热阴极法(Hot CathodePlating)
3.磁控溅射法(MagnetronSputter Plating) 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。
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。
图2-4 Ti-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。
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 phenomenon 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, the 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
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 3.3 TiN,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
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。