工具涂層技術發(fā)展歷程
真空涂層技術起步時間不長，國際上在上世紀六十年代才出現(xiàn)將CVD(化學氣相沉積)技術應用于硬質(zhì)合金刀具上。由于該技術需在高溫下進行(工藝溫度高于 1000oC)，涂層種類單一，局限性很大，因此，其發(fā)展初期未免差強人意。
到了上世紀七十年代末，開始出現(xiàn) PVD技術，為真空涂層開創(chuàng)了一個充滿燦爛前景的新天地，之后在短短的二、三十年間PVD 涂層技術得到迅猛發(fā)展，究其原因，是因為其在真空密封的腔體內(nèi)成膜，幾乎無任何環(huán)境污染問題，有利于環(huán)保；因為其能得到光亮、華貴的表面，在顏色上，成熟的有七彩色、銀色、透明色、金黃色、黑色、以及由金黃色到黑色之間的任何一種顏色，可謂五彩繽紛，能夠滿足裝飾性的各種需要；又由于 PVD 技術，可以輕松得到其他方法難以獲得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂層、復合涂層，應用在工裝、模具上面，可以使壽命成倍提高，較好地實現(xiàn)了低成本、收益高的效果；此外， PVD 涂層技術具有低溫、高能兩個特點，幾乎可以在任何基材上成膜，因此，應用范圍十分廣闊，其發(fā)展神速也就不足為奇。真空涂層技術發(fā)展到了現(xiàn)在還出現(xiàn)了PCVD(物理化學氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學氣相沉積)等新技術，各種涂層設備、各種涂層工藝層出不窮，如今在這一領域中，已呈現(xiàn)出百花齊放，百家爭鳴的喜人景象。與此同時，我們還應該清醒地看到，真空涂層技術的發(fā)展又是嚴重不平衡的。由于刀具、模具的工作環(huán)境惡劣，對薄膜附著力的要求，遠高于裝飾涂層。因而，盡管裝飾涂層的廠家已遍布各地，但能夠生產(chǎn)工模涂層的廠家并不多。再加上刀具、模具涂層售后服務的欠缺，到目前為止，國內(nèi)大多數(shù)涂層設備廠家都不能提供完整的刀具涂層工藝技術(包括前處理工藝、涂層工藝、涂后處理工藝、檢測技術、涂層刀具和模具的應用技術等)，而且，它還要求工藝技術人員，除了精通涂層的專業(yè)知識以外，還應具有扎實的金屬材料與熱處理知識、工模涂層前表面預處理知識、刀具、模具涂層的合理選擇以及上機使用的技術要求等，如果任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會給使用者產(chǎn)生使用效果不理想這樣的結論。所有這些，都嚴重制約了該技術在刀具、模具上的應用。另一方面，由于該技術是一門介于材料學、物理學、電子、化學等學科的新興邊緣學科，而國內(nèi)將其應用于刀具、模具生產(chǎn)領域內(nèi)的為數(shù)不多的幾個骨干廠家，大多走的也是一條從國外引進先進設備和工藝技術的路子，尚需一個消化、吸收的過程，因此，國內(nèi)目前在該領域內(nèi)的技術力量與其發(fā)展很不相稱，急需奮起直追。
    
 工具涂層發(fā)展狀況
 PVD是英文“Physical Vapor Deposition”的縮寫形式，意思是物理的氣相沉積。我們現(xiàn)在一般地把真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍等都稱為物理的氣相沉積。較為成熟的 PVD 方法主要有多弧鍍與磁控濺射鍍兩種方式。多弧鍍設備結構簡單，容易操作。它的離子蒸發(fā)源靠電焊機電源供電即可工作，其引弧的過程也與電焊類似，具體地說，在一定工藝氣壓下，引弧針與蒸發(fā)離子源短暫接觸，斷開，使氣體放電。由于多弧鍍的成因主要是借助于不斷移動的弧斑，在蒸發(fā)源表面上連續(xù)形成熔池，使金屬蒸發(fā)后，沉積在基體上而得到薄膜層的，與磁控濺射相比，它不但有靶材利用率高，更具有金屬離子離化率高，薄膜與基體之間結合力強的優(yōu)點。此外，多弧鍍涂層顏色較為穩(wěn)定，尤其是在做 TiN 涂層時，每一批次均容易得到相同穩(wěn)定的金黃色，令磁控濺射法望塵莫及。多弧鍍的不足之處是，在用傳統(tǒng)的 DC 電源做低溫涂層條件下，當涂層厚度達到0.3μm 時，沉積率與反射率接近，成膜變得非常困難。而且，薄膜表面開始變朦。多弧鍍另一個不足之處是，由于金屬是熔后蒸發(fā)，因此沉積顆粒較大，致密度低，耐磨性比磁控濺射法成膜差。可見，多弧鍍膜與磁控濺射法鍍膜各有優(yōu)劣，為了盡可能地發(fā)揮它們各自的優(yōu)越性，實現(xiàn)互補，將多弧技術與磁控技術合而為一的涂層機應運而生。在工藝上出現(xiàn)了多弧鍍打底，然后利用磁控濺射法增厚涂層，再利用多弧鍍達到穩(wěn)定的表面涂層顏色的新方法。大約在八十年代中后期，出現(xiàn)了熱陰電子槍蒸發(fā)離子鍍、熱陰弧磁控等離子鍍膜機，應用效果很好，使TiN 涂層刀具很快得到普及性應用。其中熱陰電子槍蒸發(fā)離子鍍，利用銅坩堝加熱融化被鍍金屬材料，利用鉭燈絲給工件加熱、除氣，利用電子槍增強離化率，不但可以得到厚度 3~5μm的TiN 涂層，而且其結合力、耐磨性均有不俗表現(xiàn)，甚至用打磨的方法都難以除去。但是這些設備都只適合于 TiN涂層，或純金屬薄膜。對于多元涂層或復合涂層，則力不從心，難以適應高硬度材料高速切削以及模具應用多樣性的要求。目前，一些發(fā)達國家(如德國 CemeCon、英國 ART-TEER )在傳統(tǒng)的磁控濺射原理基礎上，用非平衡磁場代替原先的平衡磁場、50KHz 的中頻電源代替原來的直流電源、脈沖電源取代以往的直流偏壓，采用輔助的陽技術等，使磁控濺射技術逐步成熟，已大批量應用在工模涂層上，現(xiàn)在已穩(wěn)定生產(chǎn)的涂層主要有 TiAlN、AlTiN、TiB2、DLC、CrN等等，我國廣東、江蘇、貴州、株洲等地也已陸續(xù)引進此種設備，大有星火燎原之勢。


工具涂層設備基本構件
現(xiàn)代涂層設備(均勻加熱技術、溫度測量技術、非平衡磁控濺射技術、中頻電源、脈沖技術) 現(xiàn)代涂層設備主要由真空室、真空獲得部分、真空測量部分、電源供給部分、工藝氣體輸入系統(tǒng)、機械傳動部分、加熱及測溫部件、離子蒸發(fā)或濺射源、水冷系統(tǒng)等部分組成。
  1 真空室
  涂層設備主要有連續(xù)涂層生產(chǎn)線及單室涂層機兩種形式，由于工模涂層對加熱及機械傳動部分有較高要求，而且工模形狀、尺寸千差萬別，連續(xù)涂層生產(chǎn)線通常難以滿足要求，須采用單室涂層機。
  2 真空獲得部分
  在真空技術中，真空獲得部分是重要組成部分。由于工模件涂層高附著力的要求，其涂層工藝要求良好的本底真空，合理選擇真空獲得設備，實現(xiàn)高真空度至關重要。就目前來說，還沒有一種泵能從大氣壓一直工作到接近高真空。因此，真空的獲得不是一種真空設備和方法所能達到的，將幾種泵聯(lián)合使用，如機械泵、分子泵系統(tǒng)等。
  3 真空測量部分
  真空系統(tǒng)的真空測量部分，就是要對真空室內(nèi)的壓強進行測量。像真空泵一樣，沒有一種真空計能測量整個真空范圍，人們于是按不同的原理和要求制成了許多種類的真空計。
  4 電源供給部分
  靶電源主要有直流電源(如 MDX)、中頻電源(如美國 AE公司的 PE、PEII、PINACAL)；工件本身通常需加直流電源(如 MDX)、脈沖電源(如美國AE公司生產(chǎn)的 PINACAL+)、或射頻電源(RF)。

  5 工藝氣體輸入系統(tǒng)
  工藝氣體，如氬氣(Ar)、氪氣(Kr)、氮氣(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氫氣(H2)、氧氣(O2)等，一般均由氣瓶供應，經(jīng)氣體減壓閥、氣體截止閥、管路、氣體流量計、電磁閥、壓電閥，然后通入真空室。這種氣體輸入系統(tǒng)的優(yōu)點是，管路簡捷、明快，維修或更換氣瓶容易。各涂層機之間互不影響。也有多臺涂層機共用一組氣瓶的情況，這種情況在一些規(guī)模較大的涂層車間可能有機會看到。它的好處是，減少氣瓶占用量，統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一布局。缺點是，由于接頭增多，使漏氣機會增加。而且，各涂層機之間會互相干擾，一臺涂層機的管路漏氣，有可能會影響到其他涂層機的產(chǎn)品質(zhì)量。此外，更換氣瓶時，保證所有主機都處于非用氣狀態(tài)。
  6 機械傳動部分
刀具涂層要求周邊厚度均勻一致，因此，在涂層過程中須有三個轉(zhuǎn)動量才能滿足要求。即在要求大工件臺轉(zhuǎn)動(I)的同時，小的工件承載臺也轉(zhuǎn)動( II),并且工件本身還能同時自轉(zhuǎn)(III)。在機械設計上，一般是在大工件轉(zhuǎn)盤底部為一大的主動齒輪，周圍是一些小的星行輪與之嚙合，再用撥叉撥動工件自轉(zhuǎn)。當然，在做模具涂層時，一般有兩個轉(zhuǎn)動量就足夠了，但是齒輪可承載量增強。
  7 加熱及測溫部分
  做工模涂層的時候，如何保證被鍍工件均勻加熱比裝飾涂層加熱要重要得多。工模涂層設備一般均有前后兩個加熱器，用熱電偶測控溫度。但是，由于熱電偶裝夾的為置不同，因而，溫度讀數(shù)不可能是工件的真實溫度。要想測得工件的真實溫度，有很多方法，這里介紹一種簡便易行的表面溫度法 (Surface Thermomeer)。該溫度計的工作原理是，當溫度計受熱，底部的彈簧將受熱膨脹，使指針推動定位指針旋轉(zhuǎn)，直到高溫度。降溫的時候，彈簧收縮，指針反向旋轉(zhuǎn)，但定位指針維持在高溫度位置不動，開門后，讀取定位指針指示的溫度，即為真空室內(nèi)加熱時，表面溫度計放置位置所曾達到的高溫度值。
  8 離子蒸發(fā)及濺射源
  多弧鍍的蒸發(fā)源一般為圓餅形，俗稱圓餅靶，近幾年也出現(xiàn)了長方形的多弧靶，但未見有明顯效果。圓餅靶裝在銅靶座(陰座)上面，兩者為螺紋連接。靶座中裝有磁鐵，通過前后移動磁鐵，改變磁場強度，可調(diào)整弧斑移動速度及軌跡。為了降低靶及靶座的溫度，要給靶座不斷通入冷卻水。為了保證靶與靶座之間的高導電、導熱性，還可以在靶與靶座之間加錫(Sn)墊片。磁控濺射鍍膜一般采用長方形或圓柱形靶材，
   9 水冷系統(tǒng)
  因為工模涂層時，為了提高金屬原子的離化率，各個陰靶座都盡可能地采用大的功率輸出，需要充分冷卻；而且，工模涂層中的許多種涂層，加熱溫度為 400~500oC，因此，對真空室壁、對各個密封面的冷卻也很重要，所以冷卻水采用18~20oC 左右的冷水機供水。為了防止開門后，低溫的真空室壁、陰靶與熱的空氣接觸析出水珠，在開門前的 10 分鐘左右，水冷系統(tǒng)應有能力切換到供熱水狀態(tài)，熱水溫度約為 40~45oC。

工具涂層技術發(fā)展趨勢
1、涂層成分將趨于多元化、復合化
     PVD涂層主要以TiN為主，在此基礎上，又發(fā)展了TiC、 TiCN、ZrN、CrN、WC等多種單一金屬涂層。伴隨PVD沉積技術的進一步發(fā)展，鋁元素技加人涂層中，含鋁的多元金屬合金涂層如TiAIN、TiAICN等相繼問世，其耐磨性及紅硬性比單一金屬涂層提高了很多，可以用于較高的切削速度，如滾切，可達到150m/min。后來，人們考慮將多種不同種類涂層分層沉積到刀具上以發(fā)揮不同涂層的優(yōu)勢又成為一種趨勢，如TiN+TiCN+TiN，TiN+TiALN，TiAIN+WC/C等。近年來， PVD涂層技術又向前邁進了一步，國外多家涂層公司已開發(fā)出了脈沖涂層技術并開始應用，如瑞士Balzers公司的P3E(Pulse Enhanced Electron Emission脈沖增強電子發(fā)射)技術，德國Cemecon公司的H.I.P_(High Ion Pulse，高能粒子脈沖)技術。由于該工藝可在氧氣氛圍中運行，所以， 理論上講，用這種工藝幾乎可以沉積任何金屬氧化物(如A12O3，ZrO2，Cr2O3，Ta2O5等)及其化合物涂層。目前，Al2O3涂層已進人實用試驗階段，相信在不久的將來就會廣泛應用。

     2.涂層的應用開發(fā)更具針對性
     為滿足不同的應用要求，涂層的開發(fā)設計越來越具有針對性。針對不同的應用領域如鉆削、銑削、干式滾切、沖壓、拉深等的特點和特性要求，開發(fā)在這方面具有相對優(yōu)勢的涂層。經(jīng)過不斷努力和嘗試，在某些領域已獲得了成功，如高鋁含量約TiX(Al：Ti一2：1)涂層應用在銑削上，不含Ti的涂層AICrN應用高速干式滾切上，復合涂層CrN+TISIN應用在鉆削上，復合涂層TIN+TCX應用在深拉模具上，壽命都明顯優(yōu)于其他涂層。另外如針對抗腐蝕(Crx涂層)、“自潤滑(WC/C涂層)、軟材料加工(MoS2涂層)、高硬材料加工(CBN、Dimond涂層)的各種有針對性的涂層等都早已獲得了廣泛應用。雖然這些涂層在各自領域應用非常成功，但隨著PVD涂層技術的不斷發(fā)展，新的更具針對性的涂層也會繼續(xù)不斷地開發(fā)以替代這些現(xiàn)有涂層。
     3.涂層的沉積顆粒趨于納米化
     隨著納米技術的發(fā)展和涂層技術的進步，納米刀具涂層也引起了廣大研究者和PVD涂層服務公司的關注。涂層沉積顆粒的納米化，可以增強涂層與基體以及各層間的結合強度，同時可以降低涂層表面粗糙度。目前，大多數(shù)涂層的沉積顆粒仍然較大，雖然有稱為納米級的涂層，但在涂層的表面上仍然可以發(fā)現(xiàn)較大的顆粒，涂層表面仍然較粗糙。減小涂層沉積顆粒的大小并保持工藝穩(wěn)定以避免較大異常顆粒的出現(xiàn)，將成為涂層發(fā)展的又一個方向，尤其是在鏡面上的應用、雖然有限公司已經(jīng)開發(fā)出鏡面涂層，但質(zhì)量和穩(wěn)定性較差，另外，工藝也較 復雜。在未來的涂層研發(fā)中，涂層顆粒的納米化以及涂層層間厚度的納米化將是 主要發(fā)展方向這對于提高涂層的綜合性能，降低層間應力具有重要的意義，同時會提高鏡面的光潔度進一步擴展涂層在成型行業(yè)的廣泛應用。
4、涂層的工藝溫度越來越低
     從一般CVD涂層1000℃左右的沉積溫度到PVD和PECVD涂層500℃左右的沉積溫度，涂層的沉積溫度已降低了，因此，涂層的應用范圍也擴大了，但是，500℃左右的沉積溫度仍然會對涂層工件產(chǎn)生不良影響，如變形、基體硬度降低等。因此，需要對涂層工件的前期熱處理提出特殊要求，如工件的回火溫度不得低于涂層溫度。更低溫度的涂層，如涂層溫度在200℃以下，將消除這些限制， 使得可用于涂層的材料種類更多，前期熱處理的選擇更加靈活，不同的表面改性技術的綜合應用將更加可行。同時，低溫涂層的應用，也會降低涂層設備的能耗，在節(jié)約能源方面具有一定的環(huán)保作用。另外，涂層溫度的降低，使得加熱和冷卻時間減少也會縮短涂層的交貨周期，效率更高，所以，低溫涂層將會促進涂層的應用、普及，必將成為PVD涂層發(fā)展的，一個重要方向。




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