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刀具PVD涂层技术的发展

1 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等硬涂层的技术被产业界广泛应用,这些硬涂层一般可使刀具寿命进步4倍以上,极大地改善了刀具的切削性能,进步了切削效率。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。

2 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(或引进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法轻易产生直径达1~15μm的金属液滴(称为宏观粒子),这些宏观粒子埋进生长膜,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往除基体表面的氧化层,这样可进步涂层质量,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,再通过高能离子注进机对衬底进行注进混合,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,正是这一混合层进步了衬底与膜层的结合强度。

3 刀具PVD涂层技术的发展趋势

目前,刀具PVD涂层技术存在两种发展趋势,一是涂层越来越硬;二是涂层越来越软。刀具的硬涂层主要是元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族金属元素与C、N、O等元素的化合物;刀具的软涂层则主要是MoS2、WS2等硫族化合物。

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。假如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,通进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Ti0.75Al0.25N,现在则优先选用Ti0.5Al0.5N,后者可使涂层的氧化温度进步到700>℃,同时Ti0.5Al0.5N>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Ti0.5Al0.5N>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
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Ti0.5Al0.5N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(CNx)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薄膜已由很多研究者合成成功,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以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等以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困难。

假如氮化碳(CNx)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CNx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看的新型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明显进步。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。研究者以为,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,假如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

涂层的高硬度是过往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,如航空航天产业使用的很多高强度铝合金、钛合金或贵金属材料等都不适适用硬涂层刀具加工,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题目。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。
表2 MoS2涂层高速钢端铣刀与硬质合金端铣刀加工Al-Cu-Mg合金的性能比较
切削参数 硬质合金
端铣刀 MoS2涂层高速钢
端铣刀
转速n(r/mm) 2500 1900
进给速度vf(r/mm) 600 1900~2500
吃刀量(mm) 20 22
铣刀直径(mm) 40 40
图2所示为 TiN、TiCN、MoS2>涂层的高速钢刀具,TiCN涂层的硬质合金刀具以及未涂层的高速钢刀具和硬质合金刀具在加工熟铝合金时的切削效率比较。

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
从表2和图2可看出,MoS2涂层的高速钢刀具在加工上述合金材料时切削效率可进步3~4倍以上。此外,MoS2涂层的高速钢刀具在加工Pt-5%Cu合金表壳时同样显示了良好的切削性能,与TiCN、CrN、CrC、TiN和DCL涂层刀具以及不涂层的高速钢刀具和硬质合金刀具相比,生产率可进步20倍以上,刀具寿命可进步7倍以上,而且可获得优良的加工质量。

4 结论

刀具PVD涂层技术的发展对改善刀具切削性能、进步加工质量、降低生产本钱起到了巨大作用。目前TiN、TiC、TiCN及Ti0.5Al0.5N等硬涂层在刀具涂层领域仍占主导地位。同时,CBN、CNx、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远景。

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远景。(end)

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