刀具PVD涂层技术的发展

一、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。

二、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。

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