2 刀具PVD涂层方法

3 刀具PVD涂层技术的发展趋势

1. 普通硬涂层
   最早在高速钢刀具上使用的涂层是TiN，它是一种简单的二元涂层，在大多数情况下，这种涂层使切削刀具具有较好的耐磨性。
   刀具的切削性能一方面要求涂层与基体之间有较高的结合强度，另一方面要求涂层材料与基体材料之间具有较低的化学活性。TiN等简单涂层已很难满足这种要求。如果构成涂层的化合物之间有较好的互溶性，由此构成的复杂涂层就可具有最佳的性能，通过溅射或蒸发钛靶，通入不同比例的氮气和乙炔气，可以获得TiN、 TiC等简单涂层和Ti(CN)、Ti(CN)₂、Ti(CN)₃等复杂涂层。表1列出了不同涂层类型和获得该涂层的工作气体组分。

   表1　涂层类型与工作气体成分

   涂层类型	工作气体成分	总压力(Pa)	放电电流(A)	偏压(V)
   Ti(CN)	N2=100% C2H2=25%	1.8×10－1	I1=I2=I3=100	V=-150
   Ti(CN)2	N2=75% C2H2=50%
   Ti(CN)3	N2=50% C2H2=75%
   TiC	N2=25% C2H2=100%

   图1 所示为简单涂层TiN、 TiC与复杂涂层Ti(CN)的持久性比较。由图可见，复杂涂层比简单涂层具有更为优越的持久性。如采用混合多层涂层，则可获得更好的涂层性能。其方法是首先在刀具基体表面沉积一层TiC，使涂层与衬底具有较好的结合强度，然后在其上沉积不同比例C、N的TiCN涂层，最后沉积一层TiN或TiCN，以产生漂亮的色彩。除TiN、TiC、TiCN等涂层外，较常用的涂层还有氮化铝钛涂层，该涂层首先在欧洲开发和使用，初期选用成分为Ti_0.75Al_0.25N，现在则优先选用Ti_0.5Al_0.5N，后者可使涂层的氧化温度提高到700>℃，同时Ti_0.5Al_0.5N>在空气中加热会在涂层表面产生一层非晶态氧化铝(Al₂O₃)薄膜，从而可对涂层起到保护作用。在一些高速切削场合，由于该保护层的作用，使Ti_0.5Al_0.5N>涂层刀具的工作性能优于TiN或TiCN涂层刀具。

   图1 用Kalotester装置测定的TiN，TiC与Ti(CN)涂层的持久性指数比较

   图2 不同涂层刀具及未涂层刀具加工熟铝合金的切削效率比较

   在刀具硬涂层中， ZrN，TiZrN类金刚石膜涂层(DLC)和金属 -碳膜涂层也有各自的适用范围，且其应用围正在不断拓展。DLC主要用于有色合金的加工，作为刀具涂层材料，TiZrN已部分取代TiN。金属 -碳膜涂层已经开始在欧洲使用，但目前还处试验阶段。在可以预见的将来，TiN、 TiCN和Ti_0.5Al_0.5N在 PVD刀具涂层领域仍将占据主导地位。
2. 新型硬涂层
   近年来，在刀具 PVD涂层领域出现了四种硬度更高的新型涂层，即立方氮化硼(CBN)涂层、氮化碳(CN_x)涂层、多晶氮化物超点阵涂层和氧化铝(Al₂O₃)涂层。
   CBN涂层的硬度达5200kgf/mm²，仅次于金刚石，因此CBN涂层刀具可有效地切削淬火钢和其它难加工合金。CBN薄膜已由许多研究者合成成功，成功的关键是采用了IAD技术。目前研究者提出两种理论来解释CBN膜生长时离子轰击的重要性：Kester和 Missier认为离子轰击的动能传递给生长膜，从而促使氮化硼形成立方结构；而Mckenzie等认为是离子轰击在膜中引起的应力促使氮化硼形成立方结构。但是，一旦CBN膜的厚度超过2000，膜中的应力就会使膜出现分层，正是这些应力限制了CBN膜的厚度。如何合成出厚度超过2000的CBN膜是今后需要解决的一个难题。
   如果氮化碳(CN_x)涂层能够形成b-C₃N₄结构，则理论上可以计算出它的硬度将比金刚石还要高。目前虽已有合成氮化碳的报道，但还未能成功地沉积出b-C₃N₄膜，通常获得的氮化碳晶体氮原子不足或只能获得非晶态的氮化碳，获得的CN_x中的含氮量在0.1≤X≤1范围内。透射电镜研究表明，大块的氮化碳膜是非晶态，而在非晶态的基体中存在纳米晶区，这些纳米晶体有可能是所要求的C₃N₄化合物，但还需要用分析技术加以证实。这些非晶态膜的硬度范围为1500～ 7000kgf/mm²，而硬度值集中出现在1500～ 2500kgf/mm²之间。
   氮化物超点阵涂层是一种非常有希望的新型PVD刀具涂层。当多层超点阵中最小双层点阵的重复周期在5～ 10nm时，涂层的硬度和强度将显著提高。初期的研究工作表明，单晶氮化物超点阵TiN/VN涂层的最大硬度可达5600kgf/mm²，而TiN/NbN涂层的硬度可达5100kgf/mm²，比均匀的单晶涂层TiN， VN和NbN的硬度(1700～ 2300kgf/mm²)高得多。尽管单晶超点阵涂层在科学上具有重要意义，但在刀具(例如M2高速钢刀具)上获得的超点阵涂层是多晶体的。多晶TiN/NbN和TiN/VN超点阵涂层的硬度分别为5200kgf/mm²和5600kgf/mm²。多晶超点阵涂层的高硬度表明它们能很好地适用于磨削加工。研究者认为，多晶超点阵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，如果层间位错能量有较大差异(位错能量差异代表两种材料切变模量的差异)，则层间位错运动相当困难，即位错运动的能量决定了超点阵涂层的硬度。超点阵涂层存在一个最佳周期，这一最佳周期使涂层具有最大硬度，对于TiN/NbN和TiN/VN涂层，这一最佳周期值在4～ 8nm范围内。
   氧化铝(Al₁O₃)PVD涂层主要是采用射频(r.f)二极管溅射Al₂O₃靶或在Ar/ O气氛中溅射Al靶的方法沉积而成。r.f功率源可以溅射非导电材料并阻止在靶上产生弧光放电。由于Al₂O₃的沉积速度很低且涂层为非晶态，因此这种涂层不能用于刀具涂层。目前已有沉积晶态g-Al₂O₃的报道，在衬底温度400℃、衬底偏压－140V的条件下，用等离子体协助ECR过程可获得这种晶态沉积膜。晶态Al₂O₃将可作为性能稳定的刀具涂层。
3. 软涂层
   涂层的高硬度是过去涂层技术研究与开发中追求的主要目标。然而，并非所有材料都适于采用硬涂层刀具加工，如航空航天工业使用的许多高强度铝合金、钛合金或贵金属材料等都不适合用硬涂层刀具加工，目前此类材料仍主要使用无涂层的高速钢或硬质合金刀具加工。刀具软涂层的开发则可较好地解决此类材料的加工问题。刀具软涂层的主要成分为硫族化合物(如MoS₂、WS₂等)。采用MoS₂涂层的高速钢刀具在加工高强度铝合金、钛合金方面显示出了优异性能，且能获得优良的加工表面粗糙度。表2为粘结硬质合金端面铣刀与MoS₂涂层的高速钢端面铣刀加工Al-Cu-Mg合金时的性能比较。

4 结论

1. 刀具PVD涂层技术的发展对改善刀具切削性能、提高加工质量、降低生产成本起到了巨大作用。目前TiN、TiC、TiCN及Ti_0.5Al_0.5N等硬涂层在刀具涂层领域仍占主导地位。同时，CBN、CN_x、Al₃O₂和多晶氮化物超点阵等新型超硬涂层正在研究开发之中，并显示出良好的发展前景。
2. 在发展硬涂层的同时，MoS₂、WS₂等硫族元素软涂层的开发也取得了长足进展，研究表明，这些软涂层在加工高强度铝合金及贵金属方面显示出令人鼓舞的应用前景。