涂层刀具的发展与应用_(NXPowerLite).ppt

涂层刀具的发展与应用 成都工具研究所涂层技术研发部 高见、曾祥才 2008年4月 一　　气相沉积技术概述 1.1 气相沉积技术分类 近年来表面工程学发展迅速，新的表面涂层技术层出不穷，气相沉积技术就是其中发展最快的新技术之一。所谓气相沉积是利用在气相中物理、化学反应过程，在物件表面形成具有特种性能的金属或化合物涂层的方法。气相沉积技术包括：化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）；物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）；等离子体低温化学气相沉积（Plasma Chemical Vapor Deposition，简称PVCD）。图1示出了各种气相沉积技术具体分类情况。 图　1　气相沉积技术分类及工艺方法 1.2 气相沉积技术特点 气相沉积技术之所以在现代工业中发展迅速、应用广泛，是因为它具有非常优异的特点。它不仅可以用来制备各种特殊力学性能和化学性能（如高硬度、高耐热、高热导、高耐蚀、抗氧化等）涂层，不仅可以沉积金属涂层、合金涂层，还可以沉积多种多样的化合物、非金属、半导体、陶瓷和塑料涂层。可以说，目前采用气相沉积技术几乎能在任何基体物件上，按照各种不同性能要求，沉积出任何材料的涂层，以满足实际使用的需要。 不同气相沉积技术，也具有不同的工艺特点。属于热平衡的CVD工艺技术，气体反应源的温度远低于沉积反应温度。所以在沉积工艺中，很容易改变反应源物质组份，获得种类繁多的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物单金属和合金涂层。CVD涂层厚度和质量均匀一致，涂层和基体结合强度高，尤其对形状复杂，面积大的物件更为适合。CVD装备相对要简单一些，适合工业化生产。所以在气相沉积技术中，CVD一直占有重要地位。CVD技术缺点是被涂层基体要加热到1000℃左右高温，超过了钢基体材料的回火温度，再进行热处理，容易产生变形，即使基体为硬质合金材料，也会因高温等因素使基体表面脱碳，形成η相，降低了抗弯强度。另外随着环保要求的提高，处理CVD排放的有害废气，也会增加生产成本。所以，为了解决一般高温CVD的问题，近几年有机金属化合物热分解MTCVD和等离子增强低温CVD技术发展很快。既具有一般高温CVD的优点，又使沉积温度降到600℃以下，取得了很好的效果。 PVD属于非热平衡型。反应源的蒸发温度远高于基体物件的温度，沉积温度一般都在600℃以下，不会改变基体的力学性能和尺寸精度。工艺中基本不产生有害废气。近年来，由于PVD技术和工艺设备水平的发展，加上使用靶材品种和质量的增加，有效提高了涂层和基体的结合强度，扩大了涂层材料的种类，使过去难于使用PVD技术沉积的碳化物、氮化物、氧化物等硬质涂层，现在变成了可能。极大的扩展了PVD技术的应用范围。 表1列出了几种PVD和CVD技术特性比较情况。 表1几种不同PVD和CVD技术特性比较 1.3 气相沉积技术应用概述 材料、能源和信息工程，是现代社会发展的三大支柱产业。气相沉积技术作为促进材料科学发展的新兴技术，承担十分重要的任务。气相沉积技术生产制备的耐磨损、耐热、耐腐蚀硬质涂层；无油润滑涂层；特殊性能的电学、光学功能涂层；装饰装修涂层，广泛用于机械、电子、航天、航空、能源等重要工业领域，有效的提高了物件的使用寿命。减缓了材料损耗速度，提高了器件的重要性能。所以气相沉积技术尽快推广应用具有重大技术经济意义。表2给出了气相沉积技术主要应用范围。 表2 气相沉积技术主要应用范围 二　刀具涂层的发展史 早在1949年西德金属组合有限公司为了提高工具钢的耐磨损性能，就采用CVD技术研究成功了TiC硬质涂层。1962年瑞典Sandvik公司开始研究TiC涂层硬质合金刀片，并于1967年获得成功。1968年瑞典Sandvik公司和西德Widia公司几乎同时在市场上出售了他们生产的TiC涂层硬质合金刀片产品。不久又推出了TiN、TiC-TiN涂层硬质合金刀片。到1973年和1980年又相继研究成功了性能更好的第二代TiC+Al2O3和第三代TiC+Al2O3+TiN等多种复合涂层硬质合金刀片，刀具切削寿命有了进一步的提高。到20世纪末期，CVD技术又有了新的发展，采用高温CVD（HT-CVD）和中温CVD(MT-CVD)相结合新的工艺技术，又开发出了性能更加优异的TiN-MT-TiCN-Al2O3-TiN超级涂层材料。加上金刚石和类金刚石、CBN、C3N4等超硬涂层材料的研究成功，使涂层刀具、模具及其它涂层制品，具有耐磨损、韧度高、化学稳定性能好等优异复合性能。使用寿命分别提高了1-10倍，甚至几十倍，生产效率提高了近20倍，经济效益十分显著。所以硬质涂层材料的发展和应用，被称为材料科学领域中的一场新的革命，世界各国都十分重视，发展迅速。 我国从197