本世紀(jì)六十年代末，用化學(xué)氣相沉積(CVD)法在硬質(zhì)合金刀具表面沉積TiN和TiC等硬涂層的技術(shù)被工業(yè)界廣泛應(yīng)用，這些硬涂層一般可使刀具壽命提高4倍以上，極大地改善了刀具的切削性能，提高了切削效率。但由于CVD法的涂覆溫度在1000℃以上，因此不適宜用于高速鋼刀具的涂層。八十年代初，用物理氣相沉積(PVD)法成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具的涂層。此后，各種新的涂層方法和涂層材料不斷出現(xiàn)，目前刀具涂層技術(shù)的研究和開發(fā)正方興未艾。

2 刀具PVD涂層方法

目前常用的刀具PVD涂層方法主要有以下六種：低壓電子束蒸發(fā)(LVEE)法、陰極電弧沉積(CAD)法、三極管高壓電子束蒸發(fā)(THVEE)法、非平衡磁控濺射(UMS)法、離子束協(xié)助沉積(IAD)法和動(dòng)力學(xué)離子束混合(DIM)法。這幾種涂層方法的原理有相似之處，都是通過氣相反應(yīng)過程，使蒸發(fā)或?yàn)R射出的金屬原子(或引入反應(yīng)室的氣體原子或離子)發(fā)生氣相反應(yīng)，從而在刀具表面沉積出所要求的化合物。這幾種涂層方法的主要差別在于沉積材料的氣化方法不同(或通過蒸發(fā)或通過濺射)，以及產(chǎn)生等離子體的方法不同(導(dǎo)致等離子體中的離子數(shù)、電子數(shù)、中子數(shù)不同)，致使成膜速度和膜層質(zhì)量存在差異。LVEE法能有效地離化蒸發(fā)的原子，離化率可達(dá)50%。CAD法利用電弧產(chǎn)生的火花從靶面蒸發(fā)材料，且能有效離化蒸發(fā)原子和反應(yīng)氣體，離化率高達(dá)90%。高離化率可促進(jìn)氣相反應(yīng)，形成與基底附著力強(qiáng)的致密涂層。但CVD法容易產(chǎn)生直徑達(dá)1～15µm的金屬液滴(稱為宏觀粒子)，這些宏觀粒子埋入生長膜，會(huì)損害涂層的表面光潔度。采用電弧過濾可獲得較高的沉積速度，但由于高壓電子束的離化截面小，因而離化效率較低，THVEE法則可克服這一缺點(diǎn)，且離化率可通過改變其它工藝參數(shù)加以控制。UMS法的沉積速度很快，能產(chǎn)生非常致密且附著力強(qiáng)的膜層，但由于多元濺射靶各組元的飽和蒸發(fā)氣壓不同，致使膜層的成分較難控制。多靶磁控濺射系統(tǒng)可以同時(shí)濺射幾種不同的靶源材料，從而可有效控制膜層的化學(xué)成分。磁控濺射可保持襯底溫度在200℃以下。IAD法是應(yīng)用較為廣泛的刀具涂層方法，可有效地沉積各種硬涂層。在沉積之前，需對(duì)襯底進(jìn)行濺射以去除基體表面的氧化層，這樣可提高涂層質(zhì)量，使膜層與襯底的結(jié)合更為牢固。DIM法利用低能濺射源對(duì)靶源材料進(jìn)行轟擊、濺射和沉積，再通過高能離子注入機(jī)對(duì)襯底進(jìn)行注入混合，從而可獲得較其它涂層方法具有更高膜-基結(jié)合強(qiáng)度的涂層。對(duì)膜層的AES研究表明，在襯底與膜層之間有一混合層，正是這一混合層提高了襯底與膜層的結(jié)合強(qiáng)度。

3 刀具PVD涂層技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，刀具PVD涂層技術(shù)存在兩種發(fā)展趨勢(shì)，一是涂層越來越硬；二是涂層越來越軟。刀具的硬涂層主要是元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族金屬元素與C、N、O等元素的化合物；刀具的軟涂層則主要是MoS₂、WS₂等硫族化合物。

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(shù)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(jié)合強(qiáng)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(xué)活性。TiN等簡單涂層已很難滿足這種要求。如果構(gòu)成涂層的化合物之間有較好的互溶性，由此構(gòu)成的復(fù)雜涂層就可具有*佳的性能，通過濺射或蒸發(fā)鈦靶，通入不同比例的氮?dú)夂鸵胰矚�，可以獲得TiN、TiC等簡單涂層和Ti(CN)、Ti(CN)₂、Ti(CN)₃等復(fù)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%

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圖1所示為簡單涂層TiN、 TiC與復(fù)雜涂層Ti(CN)的持久性比較。由圖可見，復(fù)雜涂層比簡單涂層具有更為優(yōu)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(jié)合強(qiáng)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(chǎn)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(fā)和使用，初期選用成分為Ti_0.75Al_0.25N，現(xiàn)在則優(yōu)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(shí)Ti_0.5Al_0.5N>在空氣中加熱會(huì)在涂層表面產(chǎn)生一層非晶態(tài)氧化鋁(Al₂O₃)薄膜，從而可對(duì)涂層起到保護(hù)作用。在一些高速切削場合，由于該保護(hù)層的作用，使Ti_0.5Al_0.5N>涂層刀具的工作性能優(yōu)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(shù)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(yīng)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(jīng)開始在歐洲使用，但目前還處試驗(yàn)階段。在可以預(yù)見的將來，TiN、 TiCN和Ti_0.5Al_0.5N在 PVD刀具涂層領(lǐng)域仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。

新型硬涂層
近年來，在刀具 PVD涂層領(lǐng)域出現(xiàn)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(diǎn)陣涂層和氧化鋁(Al₂O₃)涂層。
CBN涂層的硬度達(dá)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(guān)鍵是采用了IAD技術(shù)。目前研究者提出兩種理論來解釋CBN膜生長時(shí)離子轟擊的重要性：Kester和 Missier認(rèn)為離子轟擊的動(dòng)能傳遞給生長膜，從而促使氮化硼形成立方結(jié)構(gòu)；而Mckenzie等認(rèn)為是離子轟擊在膜中引起的應(yīng)力促使氮化硼形成立方結(jié)構(gòu)。但是，一旦CBN膜的厚度超過2000，膜中的應(yīng)力就會(huì)使膜出現(xiàn)分層，正是這些應(yīng)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(gè)難題。
如果氮化碳(CN_x)涂層能夠形成b-C₃N₄結(jié)構(gòu)，則理論上可以計(jì)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(bào)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(tài)的氮化碳，獲得的CN_x中的含氮量在0.1≤X≤1范圍內(nèi)。透射電鏡研究表明，大塊的氮化碳膜是非晶態(tài)，而在非晶態(tài)的基體中存在納米晶區(qū)，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(shù)加以證實(shí)。這些非晶態(tài)膜的硬度范圍為1500～ 7000kgf/mm²，而硬度值集中出現(xiàn)在1500～ 2500kgf/mm²之間。
氮化物超點(diǎn)陣涂層是一種非常有希望的新型PVD刀具涂層。當(dāng)多層超點(diǎn)陣中*小雙層點(diǎn)陣的重復(fù)周期在5～ 10nm時(shí)，涂層的硬度和強(qiáng)度將顯著提高。初期的研究工作表明，單晶氮化物超點(diǎn)陣TiN/VN涂層的*大硬度可達(dá)5600kgf/mm²，而TiN/NbN涂層的硬度可達(dá)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(diǎn)陣涂層在科學(xué)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(diǎn)陣涂層是多晶體的。多晶TiN/NbN和TiN/VN超點(diǎn)陣涂層的硬度分別為5200kgf/mm²和5600kgf/mm²。多晶超點(diǎn)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(rèn)為，多晶超點(diǎn)陣涂層的高硬度主要是由于層內(nèi)或?qū)娱g位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難所致。當(dāng)涂層非常薄時(shí)，如果層間位錯(cuò)能量有較大差異(位錯(cuò)能量差異代表兩種材料切變模量的差異)，則層間位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)困難，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的能量決定了超點(diǎn)陣涂層的硬度。超點(diǎn)陣涂層存在一個(gè)*佳周期，這一*佳周期使涂層具有*大硬度，對(duì)于TiN/NbN和TiN/VN涂層，這一*佳周期值在4～ 8nm范圍內(nèi)。 [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(dǎo)電材料并阻止在靶上產(chǎn)生弧光放電。由于Al₂O₃的沉積速度很低且涂層為非晶態(tài)，因此這種涂層不能用于刀具涂層。目前已有沉積晶態(tài)g-Al₂O₃的報(bào)道，在襯底溫度400℃、襯底偏壓－140V的條件下，用等離子體協(xié)助ECR過程可獲得這種晶態(tài)沉積膜。晶態(tài)Al₂O₃將可作為性能穩(wěn)定的刀具涂層。
軟涂層
涂層的高硬度是過去涂層技術(shù)研究與開發(fā)中追求的主要目標(biāo)。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(yè)使用的許多高強(qiáng)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(zhì)合金刀具加工。刀具軟涂層的開發(fā)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(qiáng)度鋁合金、鈦合金方面顯示出了優(yōu)異性能，且能獲得優(yōu)良的加工表面粗糙度。表2為粘結(jié)硬質(zhì)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(shí)的性能比較。

表2 MoS₂涂層高速鋼端銑刀與硬質(zhì)合金端銑刀加工Al-Cu-Mg合金的性能比較
切削參數(shù)	硬質(zhì)合金端銑刀	MoS₂涂層高速鋼端銑刀
轉(zhuǎn)速n(r/mm)	2500	1900
進(jìn)給速度v_f(r/mm)	600	1900～2500
吃刀量(mm)	20	22
銑刀直徑(mm)	40	40

圖2所示為 TiN、TiCN、MoS₂>涂層的高速鋼刀具，TiCN涂層的硬質(zhì)合金刀具以及未涂層的高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具在加工熟鋁合金時(shí)的切削效率比較。

從表2和圖2可看出，MoS₂涂層的高速鋼刀具在加工上述合金材料時(shí)切削效率可提高3～4倍以上。此外，MoS₂涂層的高速鋼刀具在加工Pt-5%Cu合金表殼時(shí)同樣顯示了良好的切削性能，與TiCN、CrN、CrC、TiN和DCL涂層刀具以及不涂層的高速鋼刀具和硬質(zhì)合金刀具相比，生產(chǎn)率可提高20倍以上，刀具壽命可提高7倍以上，而且可獲得優(yōu)良的加工質(zhì)量。

4 結(jié)論

刀具PVD涂層技術(shù)的發(fā)展對(duì)改善刀具切削性能、提高加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)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(lǐng)域仍占主導(dǎo)地位。同時(shí)，CBN、CN_x、Al₃O₂和多晶氮化物超點(diǎn)陣等新型超硬涂層正在研究開發(fā)之中，并顯示出良好的發(fā)展前景。
在發(fā)展硬涂層的同時(shí)，MoS₂、WS₂等硫族元素軟涂層的開發(fā)也取得了長足進(jìn)展，研究表明，這些軟涂層在加工高強(qiáng)度鋁合金及貴金屬方面顯示出令人鼓舞的應(yīng)用前景。