新型纳米涂层及其设备

在高性能刀具涂层中,(Ti,Al)N类涂层的市场份额约占25%～55%。这是由于(Ti,Al)N类涂层的优良性能,包括很高的硬度(25～38GPa)和较低的内应力(-3～5GPa),并且在800℃时硬度只降低30%～40%；此外,还显示出很高的抗氧化能力,在800℃时,氧化速度约为15～20μm/cm,这相当于TiCN涂层在400℃时或TiN涂层在550℃时的氧化速率；最后,这种涂层的导热率低,与TiN涂层相比,其导入的热量低30%。

目前,涂层行业还在做大量的工作,以进一步改进(Ti,Al)N类涂层的优良性能,例如:

把多弧工艺和溅射工艺组合起来；

对多弧工艺中产生的大的液滴进行过滤；

优化工艺参数(如弧流、偏压、N2的分压等)；

优化涂层的结构(如避免柱状结构以提高抗腐蚀能力)；

开发多层涂层以提高韧性和厚度；

添加其它合金元素如铬、钇(进一步提高氧化能力)、锆、钒、硼、铪(进一步提高韧性)以及硅(进一步提高硬度和化学稳定性)。

这些优化(Ti,Al)N类涂层工作的主要任务是,开发纳米多层涂层和提高Al的含量。

开发纳米多层涂层和提高涂层的含Al量

把现有的多层涂层工艺精细化就可以实现纳米多层。在由TiNCrN层与AlN层交替涂覆形成的纳米多层涂层中,层间的距离(交替的周期)对硬度的影响表现为硬度随着周期的减小而提高,其原因是构成多层的材料具有不同的弹性模量；当层距变得更小时,硬度又会下降,这是因为各层之间的界面变得不清晰所致,如果界面清晰,不会现出硬度降低的现象。关于涂层的结构,有研究指出,AlN在层距大于10nm时为六方结构,在10nm以下为立方结构。

涂覆纳米涂层必须对阴极靶的控制与工件(刀具)的转动实现精确的同步,因此,适用于对同一种工件的批量处理,如果处理的是不同尺寸的工件,那么层距就会变化,一把涂有层距变化的纳米涂层刀具,其耐用度会由于切削温度的变化而降低。要想在一次装炉中在不同的工件上涂出不变的层距,涂层的成本会很高。

与此同时,世界上著名的涂层公司都在研究提高(Ti,Al)N类涂层的Al含量,目的是提高硬度(主要是高温硬度)、耐磨性、抗氧化能力,以改进刀具的切削性能。为了与通常的TiAlN涂层有所区别,目前把Al含量超过50%的涂层称为AlTiN。于是有了含Al量67%、75%,甚至80%的涂层,但Al的含量是有限变的,超过这个限度,涂层的性能反而变坏。实践证明,一方面要尽量提高有效的铝含量,同时又要保持不变的层距,这很难做到。因此,只有用新的原理才能有新的突破,下面介绍的纳米复合物(Nanocomposite)涂层就可满足上述要求。

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