2 刀具PVD涂層方法

3 刀具PVD涂層技術的發展趨勢

1. 普通硬涂層
   *早在高速鋼刀具上使用的涂層是TiN，它是一種簡單的二元涂層，在大多數情況下，這種涂層使切削刀具具有較好的耐磨性。
   刀具的切削性能一方面要求涂層與基體之間有較高的結合強度，另一方面要求涂層材料與基體材料之間具有較低的化學活性。TiN等簡單涂層已很難滿足這種要求。如果構成涂層的化合物之間有較好的互溶性，由此構成的復雜涂層就可具有*佳的性能，通過濺射或蒸發鈦靶，通入不同比例的氮氣和乙炔氣，可以獲得TiN、TiC等簡單涂層和Ti(CN)、Ti(CN)₂、Ti(CN)₃等復雜涂層。表1列出了不同涂層類型和獲得該涂層的工作氣體組分。

   表1　涂層類型與工作氣體成分

   涂層類型	工作氣體成分	總壓力(Pa)	放電電流(A)	偏壓(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%

   [Page]
   圖1所示為簡單涂層TiN、 TiC與復雜涂層Ti(CN)的持久性比較。由圖可見，復雜涂層比簡單涂層具有更為優越的持久性。如采用混合多層涂層，則可獲得更好的涂層性能。其方法是首先在刀具基體表面沉積一層TiC，使涂層與襯底具有較好的結合強度，然后在其上沉積不同比例C、N的TiCN涂層，*后沉積一層TiN或TiCN，以產生漂亮的色彩。除TiN、TiC、TiCN等涂層外，較常用的涂層還有氮化鋁鈦涂層，該涂層首先在歐洲開發和使用，初期選用成分為Ti_0.75Al_0.25N，現在則優先選用Ti_0.5Al_0.5N，后者可使涂層的氧化溫度提高到700>℃，同時Ti_0.5Al_0.5N>在空氣中加熱會在涂層表面產生一層非晶態氧化鋁(Al₂O₃)薄膜，從而可對涂層起到保護作用。在一些高速切削場合，由于該保護層的作用，使Ti_0.5Al_0.5N>涂層刀具的工作性能優于TiN或TiCN涂層刀具。

   圖1 用Kalotester裝置測定的TiN，TiC與Ti(CN)涂層的持久性指數比較

   圖2 不同涂層刀具及未涂層刀具加工熟鋁合金的切削效率比較

   在刀具硬涂層中， ZrN，TiZrN類金剛石膜涂層(DLC)和金屬 -碳膜涂層也有各自的適用范圍，且其應用圍正在不斷拓展。DLC主要用于有色合金的加工，作為刀具涂層材料，TiZrN已部分取代TiN。金屬 -碳膜涂層已經開始在歐洲使用，但目前還處試驗階段。在可以預見的將來，TiN、 TiCN和Ti_0.5Al_0.5N在 PVD刀具涂層領域仍將占據主導地位。
2. 新型硬涂層
   近年來，在刀具 PVD涂層領域出現了四種硬度更高的新型涂層，即立方氮化硼(CBN)涂層、氮化碳(CN_x)涂層、多晶氮化物超點陣涂層和氧化鋁(Al₂O₃)涂層。
   CBN涂層的硬度達5200kgf/mm²，僅次于金剛石，因此CBN涂層刀具可有效地切削淬火鋼和其它難加工合金。CBN薄膜已由許多研究者合成成功，成功的關鍵是采用了IAD技術。目前研究者提出兩種理論來解釋CBN膜生長時離子轟擊的重要性：Kester和 Missier認為離子轟擊的動能傳遞給生長膜，從而促使氮化硼形成立方結構；而Mckenzie等認為是離子轟擊在膜中引起的應力促使氮化硼形成立方結構。但是，一旦CBN膜的厚度超過2000，膜中的應力就會使膜出現分層，正是這些應力限制了CBN膜的厚度。如何合成出厚度超過2000的CBN膜是今后需要解決的一個難題。
   如果氮化碳(CN_x)涂層能夠形成b-C₃N₄結構，則理論上可以計算出它的硬度將比金剛石還要高。目前雖已有合成氮化碳的報道，但還未能成功地沉積出b-C₃N₄膜，通常獲得的氮化碳晶體氮原子不足或只能獲得非晶態的氮化碳，獲得的CN_x中的含氮量在0.1≤X≤1范圍內。透射電鏡研究表明，大塊的氮化碳膜是非晶態，而在非晶態的基體中存在納米晶區，這些納米晶體有可能是所要求的C₃N₄化合物，但還需要用分析技術加以證實。這些非晶態膜的硬度范圍為1500～ 7000kgf/mm²，而硬度值集中出現在1500～ 2500kgf/mm²之間。
   氮化物超點陣涂層是一種非常有希望的新型PVD刀具涂層。當多層超點陣中*小雙層點陣的重復周期在5～ 10nm時，涂層的硬度和強度將顯著提高。初期的研究工作表明，單晶氮化物超點陣TiN/VN涂層的*大硬度可達5600kgf/mm²，而TiN/NbN涂層的硬度可達5100kgf/mm²，比均勻的單晶涂層TiN， VN和NbN的硬度(1700～ 2300kgf/mm²)高得多。盡管單晶超點陣涂層在科學上具有重要意義，但在刀具(例如M2高速鋼刀具)上獲得的超點陣涂層是多晶體的。多晶TiN/NbN和TiN/VN超點陣涂層的硬度分別為5200kgf/mm²和5600kgf/mm²。多晶超點陣涂層的高硬度表明它們能很好地適用于磨削加工。研究者認為，多晶超點陣涂層的高硬度主要是由于層內或層間位錯運動困難所致。當涂層非常薄時，如果層間位錯能量有較大差異(位錯能量差異代表兩種材料切變模量的差異)，則層間位錯運動相當困難，即位錯運動的能量決定了超點陣涂層的硬度。超點陣涂層存在一個*佳周期，這一*佳周期使涂層具有*大硬度，對于TiN/NbN和TiN/VN涂層，這一*佳周期值在4～ 8nm范圍內。 [Page]
   氧化鋁(Al₁O₃)PVD涂層主要是采用射頻(r.f)二極管濺射Al₂O₃靶或在Ar/ O氣氛中濺射Al靶的方法沉積而成。r.f功率源可以濺射非導電材料并阻止在靶上產生弧光放電。由于Al₂O₃的沉積速度很低且涂層為非晶態，因此這種涂層不能用于刀具涂層。目前已有沉積晶態g-Al₂O₃的報道，在襯底溫度400℃、襯底偏壓－140V的條件下，用等離子體協助ECR過程可獲得這種晶態沉積膜。晶態Al₂O₃將可作為性能穩定的刀具涂層。
3. 軟涂層
   涂層的高硬度是過去涂層技術研究與開發中追求的主要目標。然而，并非所有材料都適于采用硬涂層刀具加工，如航空航天工業使用的許多高強度鋁合金、鈦合金或貴金屬材料等都不適合用硬涂層刀具加工，目前此類材料仍主要使用無涂層的高速鋼或硬質合金刀具加工。刀具軟涂層的開發則可較好地解決此類材料的加工問題。刀具軟涂層的主要成分為硫族化合物(如MoS₂、WS₂等)。采用MoS₂涂層的高速鋼刀具在加工高強度鋁合金、鈦合金方面顯示出了優異性能，且能獲得優良的加工表面粗糙度。表2為粘結硬質合金端面銑刀與MoS₂涂層的高速鋼端面銑刀加工Al-Cu-Mg合金時的性能比較。

4 結論

1. 刀具PVD涂層技術的發展對改善刀具切削性能、提高加工質量、降低生產成本起到了巨大作用。目前TiN、TiC、TiCN及Ti_0.5Al_0.5N等硬涂層在刀具涂層領域仍占主導地位。同時，CBN、CN_x、Al₃O₂和多晶氮化物超點陣等新型超硬涂層正在研究開發之中，并顯示出良好的發展前景。
2. 在發展硬涂層的同時，MoS₂、WS₂等硫族元素軟涂層的開發也取得了長足進展，研究表明，這些軟涂層在加工高強度鋁合金及貴金屬方面顯示出令人鼓舞的應用前景。