中国刀具涂层材料之纳米技术涂层研究

随着纳米技术的发展和涂镀技术的进步,纳米刀具涂层材料也引起的广大研究者的关注。纳米涂层主要有两种:纳米多层结构和纳米复合结构。纳米多层涂层一般由高层数的同种结构材料、化学键和原子半径及点阵常相近的各单层材料组成,可能得到与组成它的各单层涂层的性能差异显著的全新涂层。这是一种人为可控的一维周期结构,交替沉积单层涂层不超过5～15nm。Chu和Barnett认为,纳米多层涂层的高硬度主要是由于层内或层间位错运动困难所致。当涂层非常薄时,两层间的剪切模量不同,如果层间位错能量有较大差异,则层间位错运动困难,即位错运动的能量决定了超点阵涂层的硬度。

纳米多层涂层的结构主要有三种方式:(1)金属氮化物纳米层与金属AlN纳米层交替涂覆；(2)金属AlN纳米层与金属AlCN纳米层交替涂覆；(3)金属氮化物纳米层与金属AlN纳米层及金属AlCN纳米层交替涂覆。涂层过程中均可添加其他金属元素(如钛、铌、铪、钒、钽、锆或铬),以进一步提高涂层的硬度、化学稳定性、韧性和抗氧化性能。研究表明,对于TiN/AlN纳米多涂层,当层厚为2～4nm时,AlN呈现立方NaCl结构,涂层显微硬度达到30～40GPa,其抗氧化温度达到1000℃,采用等离子增强化学气相沉积制得的AlN/TiAlN纳米多层膜具有高硬度、高附着力和高耐磨性。

纳米多层涂层虽然达到了较高的硬度,但研究认为纳米多层涂层的性能与涂层的周期膜厚有很大关系,当在形状复杂的刀具或零件表面沉积纳米多层膜时,很难控制各层的膜厚,同时在高温工作环境下各层间的元素相互扩散也会导致涂层性能下降,而采用单层的纳米复合涂层能解决这些问题。德国材料科学家Veprek等根据Koehler的外延异质结构理论,提出了纳米复合超硬涂层的理论和设计概念,并在由等离子体增强化学气相沉积法制备的Ti-Si-N(nc-TiN/a-Si3N4)系统中被证实,同时nc-W2N/a-Si3N4和nc-VN/a-Si3N4也都表现出了良好的机械性能。以nc-TiN/a-Si3N4为代表的纳米复合超硬材料,以其优异的性能,如超高硬度、高硬高韧性及低的摩擦系数等,引起了人们的极大兴趣。Zhang用离子束沉积了nc-TiN/a-Si3N4纳米复合涂层,并系统的研究了其微观结构、表面形貌和力学性能。结果显示,在Si含量11.4%时复合涂层达到最大值42GPa。Kim等研究了闭合场非平衡磁控反应溅射TiAlSiN涂层,由纳米晶的TiAlN和非晶态的Si3N4组成,显微硬度及弹性模量约为42和490GPa。Nakonechan等用阴极弧PVD制备了(Ti,Si,Al)N涂层,最大硬度38～39GPa。Ribeiro等研究了离子轰击对(Ti,Si,Al)N涂层的影响,发现系统中存在TiAlN和SiNx相,并形成了nc-TiN/a-Si3N4复合纳米结构,增加离子轰击可使硬度从30GPa增大到45GPa。

尽管这些纳米结构的涂层大多是实验室里的结果,但其结果显示出了纳米结构涂层在金属切削中的良好前景。

日本住友公司开发的AC105G,AC110G等牌号的ZX涂层是一种TiN与AlN交替的纳米多层涂层,层数可达2000层,每层厚度约为1nm。这种新涂层与基体结合强度高,涂层硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剥离性强,而且可显著改善刀具表面粗糙度,其寿命是TiN、TiAlN涂层的2～3倍。Balzers公司开发并已被应用的FUTUNANANO和FUTUNATOP是两种TiAlN纳米结构涂层,涂层硬度平均为HV3300,开始氧化温度为900℃。瑞士Platit公司开发纳米多层涂层,以AlN作为主层,TiN-CrN为中间层,两者相互交替形成多层结构。试验表明,当周期为7nm时涂层的硬度达到最高,约45GPa。该公司利用LARC®(LateralRotatingARC-Cathodes)技术开发的新一代nc-TiAlN/(a-Si3N4)纳米复合涂层是在强等离子体作用下,3nm的TiAlN晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4体内,在晶粒之间为1nm厚的Si3N4,这种结构使涂层硬度可达到50GPa,且高温硬度更是十分突出,当温度达到1200℃时,其硬度值仍可保持在30GPa。日立公司最近也开发了采用纳米结晶材料组成TH涂层(TiSiN),实现了耐高温和高硬度性,从预硬钢到淬火钢的高速切削加工,高效加工中有显著的优越性,加工效率提高2倍以上,与常用涂层比较,切削加工时由于耐高温,所以最适合干铣削加工。同时日立公司还开发了纳米结构适用于软钢的加工领域的CS涂层(CrSiN)。三菱综合材料神户工具生产的“IMPACTMIRACLE立铣刀”采用先进的单相纳米结晶(Al,Ti,Si)N涂层,氧化温度达到了1300°,与基材的结合力达100N,在加工HRC60左右的高硬度材料时,可大幅延长刀具的寿命。

Cemecom公司新的纳米结构Supernitrides涂层成分中含有可生成不同氧化物的高含量元素。这类涂层将硬质涂层卓越的抗磨损性能及传统的氧化涂层所具有的化学稳定性完美地结合起来,在应用中表现出极佳的热稳定性及化学稳定性。涂层的形态及构成(例如铝含量、结构、表面光洁程度等)可根据应用的需要进行最佳设计。对多种不同的被加工材料(如CGI、42CrMo4、铸铁、工具钢等)进行钻削、铣削、滚削和车削加工测试的结果证实了Supernitrides涂层的优越性能。

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