切削刀具(涂層硬質(zhì)合金和涂層高速鋼刀具)表面涂層技術(shù)是近幾十年來應(yīng)巿場需求發(fā)展起來的材料表面改性技術(shù)触擎。采用涂層技術(shù)可有效延長切削刀具的使用壽命,賦予刀具優(yōu)良的綜合機(jī)械性能,從而大幅提高機(jī)械加工效率讲仰。也正因?yàn)榇?涂層技術(shù)與切削材料檐什、切削加工工藝一起并稱為切削刀具制造領(lǐng)域的三大關(guān)鍵技術(shù)牵祟。

切削刀具涂層是指在機(jī)械切削刀具的表面上涂覆一層硬度和耐磨性很高的物質(zhì)深夯。為滿足現(xiàn)代機(jī)械加工對高效率、高精度诺苹、高可靠性的要求,世界各國制造業(yè)對涂層技術(shù)的發(fā)展及其在刀具制造中的應(yīng)用日益重視,在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的工廠中,實(shí)施了涂層的刀具在總體中的占比近60%咕晋。

目前涂層技術(shù)方法主要有氣相沉積法、溶膠-凝膠法收奔、熱噴涂法等掌呜。其中,氣相沉積法的應(yīng)用較多,且制備涂層的質(zhì)量較高滓玖。氣相沉積技術(shù)通常可分為物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)和化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)质蕉。

通過氣相沉積法制備切削刀具表面涂層的方法主要包括以下幾種:磁控濺射沉積涂層呢撞、電弧離子鍍沉積涂層、高溫化學(xué)氣相沉積涂層饰剥、中溫化學(xué)氣相沉積涂層殊霞、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積涂層。這當(dāng)中最常用的為高溫化學(xué)氣相沉積寺癌、磁控濺射沉積和電弧離子鍍,下文將結(jié)合各類涂層技術(shù)的不同機(jī)理,闡述其優(yōu)缺點(diǎn)雌褥。

磁控濺射沉積技術(shù)

磁控濺射沉積涂層(magnetron sputtering)技術(shù)屬于輝光放電范疇,利用陰極濺射原理進(jìn)行鍍膜。膜層粒子來源于輝光放電中氬離子對陰極靶材產(chǎn)生的陰極濺射作用绅荒。氬離子將靶材原子濺射下來后,沉積到工件上形成所需膜層知祠。因?yàn)樵跒R射裝置的靶材部分引入磁場,磁力線將電子約束在靶材表面附近,延長其在等離子體中的運(yùn)動軌跡,從而提高其在參與氣體分子碰撞和電離過程的程度。

磁控濺射沉積具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)沉積速率高肝羊、維持放電所需靶電壓低成甫；(2)電子對于襯底的轟擊能量小子特；(3)膜層組織細(xì)密,由于磁控濺射沉積涂層是靠陰極濺射方式得到的原子態(tài)粒子,攜帶著從靶面獲得的較高能量到達(dá)工件,利于形成細(xì)小核心著正、長成非常細(xì)密的膜層組織；(4)磁控濺射沉積涂層能夠獲得大面積薄膜,可獲得廣泛應(yīng)用挨伯。

但是這一方法也存在以下一些問題:(1)靶材刻蝕不均勻侥镀。由于磁場強(qiáng)度分布不均勻,使靶材利用率低。這可以通過合理設(shè)計(jì)靶材結(jié)構(gòu)履绎、配加電磁場來促成靶面磁場強(qiáng)度的變化,實(shí)現(xiàn)放電掃描,從而有效提高靶材利用率皇可。(2)金屬離化率低。針對此,可按要求加大(或減少)靶中心的磁體體積,造成部分磁力線發(fā)散至距靶較遠(yuǎn)的襯底附近,達(dá)成非平衡磁控濺射(unbalanced magnetron sputtering)缠俺。

值得一提的是,磁控濺射方法也可用于制備多層膜和納米膜,而隨著高新技術(shù)和新興加工業(yè)的迅速發(fā)展,沉積具有更高性能的多層膜和納米膜的需求日漸增多显晶。因此,磁控濺射技術(shù)值得進(jìn)一步的深入研究和發(fā)展,其應(yīng)用前景優(yōu)越。

電弧離子鍍沉積技術(shù)

離子鍍(ion plating, IP)是在真空蒸發(fā)鍍的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù),它將各種氣體放電方式引入氣相沉積領(lǐng)域,使得整個氣相沉積過程都在等離子體中進(jìn)行壹士。其中,電弧離子鍍(arc ion plating, AIP)屬于冷場致弧光放電范疇,是一種沒有固定熔池的固態(tài)蒸發(fā)源,多采用圓形陰極電弧源作為蒸發(fā)源磷雇。

AIP的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)金屬離化率高,高達(dá)60%～90%；(2)電弧離子鍍的沉積速率高墓卦；(3)沉積涂層的膜基結(jié)合力好倦春；(4)容易獲得氮化鈦等化合物涂層,在200℃以下可以進(jìn)行批量生產(chǎn)户敬。<br>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;AIP的不足之處是:(1)膜層中粗大熔滴的存在增大了表面粗糙度,增加了光線的漫反射,因而降低了飾品的表面亮度落剪；(2)粗大熔滴在切削時(shí)容易剝落,造成涂層表面的缺陷。<br>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;電弧離子鍍制備涂層的種類非常多,涉及領(lǐng)域也極為廣泛,可用于硬質(zhì)防護(hù)涂層的沉積,涂層涵蓋了各種金屬氧化物尿庐、碳化物忠怖、氮化物和某些金屬及合金材料呢堰。其也可用于多層結(jié)構(gòu)涂層和納米多層結(jié)構(gòu)涂層的制備,具有電弧離子鍍操作簡單、鍍膜室空間利用率大凡泣、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn),近年來已經(jīng)發(fā)展成為沉積硬質(zhì)涂層的重要技術(shù),在國內(nèi)外都得到了迅猛發(fā)展枉疼。

近年來一種新的涂層制備系統(tǒng)采用了復(fù)合涂層技術(shù),其結(jié)合電弧離子鍍和磁控濺射沉積兩種技術(shù),系統(tǒng)配置有幾個電弧和磁控濺射陰極,電弧層可作為過渡層或?yàn)檎麄€涂層提供必需的耐磨性,與此同時(shí),磁控濺射層則提供高溫和化學(xué)穩(wěn)定性。這一復(fù)合涂層技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是沉積過程易于控制谭扑、穩(wěn)定性好窟句、重復(fù)性佳,其沉積速度(≧0.5μm/h)足以滿足工業(yè)化生產(chǎn)中對節(jié)省處理時(shí)間的實(shí)際要求。

高溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)

高溫化學(xué)氣相沉積涂層(high temperature chemical vapor deposition,HTCVD,一般簡稱為CVD)技術(shù)是指在一定溫度條件下,涂層材料的混合氣體在硬質(zhì)合金表面相互作用,使混合氣體中的一些成份分解,并在刀具表面形成金屬或化合物的硬質(zhì)涂層优诵。

此方法成功實(shí)施的關(guān)鍵在于:(1)作為涂層材料的混合氣體與硬質(zhì)合金表面的相互作用吟筷、也即涂層材料的混合氣體之間在硬質(zhì)合金表面上反應(yīng)來產(chǎn)生沉積,或是通過涂層材料的混合氣體的一個組分與硬質(zhì)合金表面反應(yīng)來產(chǎn)生沉積；(2)該沉積反應(yīng)必須在一定的能量激活條件下進(jìn)行药阔。

高溫化學(xué)氣相沉積涂層具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)其所需涂層源的制備相對容易冲驶；(2)可以沉積金屬碳化物、氮化物译教、氧化物等單層及多元層復(fù)合涂層杖扫；(3)涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度高；(4)涂層具有良好的耐磨性能拖揩。

不可否認(rèn)的是,這種方法存在著先天性的缺陷煎喘。主要有以下幾點(diǎn):(1)涂層溫度高。即涂層沉積溫度高于900℃,使涂層與基體之間容易產(chǎn)生一層脆性的脫碳層(η相),從而導(dǎo)致硬質(zhì)合金材料的脆性破裂,抗彎強(qiáng)度下降丽示；(2)涂層內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài),使用時(shí)容易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生略荡；(3)在涂層過程中排放的廢氣、廢液會造成工業(yè)污染,對環(huán)境的影響較大歉胶。也正因?yàn)榇?在20世紀(jì)90年代中后期該方法的發(fā)展受到了一定制約汛兜。

中溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)

中溫化學(xué)氣相沉積涂層(moderate temperature chemical vapor deposition,MTCVD)技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理是以含C-N原子團(tuán)的有機(jī)化合物如三甲基氨、甲基亞胺等為主要反應(yīng)原料氣體,與TiCl4通今、N2粥谬、H2等氣體在700℃～900℃溫度下,產(chǎn)生分解、化合反應(yīng),生成TiCN等涂層辫塌。

MTCVD的優(yōu)點(diǎn)是:(1)沉積速度快漏策、沉積溫度較低；(2)涂層較厚臼氨；(3)對于形體復(fù)雜的工件涂層均勻掺喻；(4)涂層附著力高；(5)涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力小储矩。鑒于此,這種方法易于工業(yè)化,是一種優(yōu)于高溫化學(xué)氣相沉積涂層的涂層方法感耙。

MTCVD也有缺點(diǎn):(1)涂層內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài),使用時(shí)容易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生；(2)在涂層過程中排放的廢氣、廢液會造成工業(yè)污染,對環(huán)境不友好即硼。上述原因在某種程度上也制約了這種技術(shù)方法的發(fā)展粟五。

采用MTCVD技術(shù)可獲得致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)的涂層,涂層厚度可達(dá)8～10μm。這種涂層結(jié)構(gòu)具有極高的耐磨性圣谴、抗熱震性及韌性,適于在高速条焙、高溫、大負(fù)荷母赶、干式切削條件下使用,從刀片壽命來看,相比普通涂層刀片的壽命可提高一倍左右漂熙。

等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)

等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積涂層(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)技術(shù)是指通過電極放電產(chǎn)生高能電子使氣體電離成為等離子體,或者將高頻微波導(dǎo)入含碳化合物氣體產(chǎn)生高頻高能等離子、由其中的活性碳原子或含碳基團(tuán)在硬質(zhì)合金的表面沉積涂層的方法万杉。

PECVD的優(yōu)點(diǎn):(1)它利用等離子體促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),可將涂層溫度降至600℃以下张庄；(2)由于涂層溫度低,在硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會發(fā)生擴(kuò)散、相變或交換反應(yīng),因而基體可以保持原有的強(qiáng)韌性窍蚤。

PECVD的缺點(diǎn):(1)設(shè)備投資大拢杠、成本高,對氣體的純度要求高；(2)涂層過程中產(chǎn)生的劇烈噪音夏植、強(qiáng)光輻射舰断、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對人體有害砸捏；(3)對小孔孔徑內(nèi)表面難以涂層等谬运。

PECVD工藝的處理溫度已降至450～650℃,這有效抑制了η相,可用于螺紋刀具、銑刀垦藏、模具的TiN梆暖、TiCN、TiC等涂層應(yīng)用,但是迄今為止,該工藝在刀具涂層領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛掂骏。

結(jié)語

(1)切削刀具涂層技術(shù)方法仍然以氣相沉積技術(shù)為主流,溶膠-凝膠法轰驳、熱噴涂法需要進(jìn)一步的研究發(fā)展。
(2)物理氣相沉積具有溫度低弟灼、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn),因此近年來得到迅速的發(fā)展,其中以磁控濺射沉積级解、電弧離子鍍沉積技術(shù)最為顯著。
(3)物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積兩種技術(shù)工藝在切削刀具涂層中仍然將并存和相互補(bǔ)充,并因其自身的優(yōu)點(diǎn)在涂層比例中占有各自的份額田绑。一般說來,高速鋼等鋼制工具勤哗、鋒利的硬質(zhì)合金精切刀片和硬質(zhì)合金整體多刃刀具(如立銑刀、麻花鉆等)采用PVD工藝涂層較理想掩驱；其余大部分硬質(zhì)合金刀片均可采用CVD工藝涂層芒划。
(4)物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積這兩種方法仍然存在自身的缺點(diǎn),因此改進(jìn)沉積工藝條件、發(fā)展新的沉積方法依然是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)欧穴。

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