1.工具涂层技术发展历程

 

真空涂层技术起步时间不长，国际上在上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。由于该技术需在高温下进行(工艺温度高于 1000?C)，涂层种类单一，局限性很大，因此，其发展初期未免差强人意。

 

到了上世纪七十年代末，开始出现 PVD(物理气相沉积) 技术，为真空涂层开创了新天地，之后在短短的二、三十年间PVD 涂层技术得到迅猛发展。究其原因，是因为其在真空密封的腔体内成膜，几乎无任何环境污染问题，有利于环保；因为其能得到光亮、华贵的表面，在颜色上，成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色，可谓五彩缤纷，能够满足装饰性的各种需要；又由于 PVD 技术，可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层，应用在工装、模具上面，可以使寿命成倍提高，较好地实现了低成本、高收益的效果。

 

此外， PVD 涂层技术具有低温、高能两个特点，几乎可以在任何基材上成膜，因此，应用范围十分广阔，其发展神速也就不足为奇。真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术，各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷，如今在这一领域中，已呈现出百花齐放，百家争鸣的喜人景象。

 

与此同时，我们还应该清醒地看到，真空涂层技术的发展又是严重不平衡的。由于刀具、模具的工作环境极其恶劣，对薄膜附着力的要求，远高于装饰涂层。因而，尽管装饰涂层的厂家已遍布各地，但能够生产工模涂层的厂家并不多。

 

再加上刀具、模具涂层售后服务的欠缺，到目前为止，国内大多数涂层设备厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具和模具的应用技术等)，而且，它还要求工艺技术人员，除了精通涂层的专业知识以外，还应具有扎实的金属材料与热处理知识、工模涂层前表面预处理知识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术要求等，如果任一环节出现问题，都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。

 

这些都严重制约了该技术在刀具、模具上的应用。另一方面，由于该技术是一门介于材料学、物理学、电子、化学等学科的新兴边缘学科，而国内将其应用于刀具、模具生产领域内的为数不多的几个骨干厂家，大多走的也是一条从国外引进先进设备和工艺技术的路子，尚需一个消化、吸收的过程，因此，国内目前在该领域内的技术力量与其发展很不相称，急需奋起直追。

 

2.工具涂层发展状况

 

PVD是英文“Physical Vapor Deposition”的缩写形式，意思是物理气相沉积。我们现在一般地把真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等都称为物理气相沉积。较为成熟的 PVD 方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。多弧镀设备结构简单，容易操作。它的离子蒸发源靠电焊机电源供电即可工作，其引弧的过程也与电焊类似，具体地说，在一定工艺气压下，引弧针与蒸发离子源短暂接触，断开，使气体放电。由于多弧镀的成因主要是借助于不断移动的弧斑，在蒸发源表面上连续形成熔池，使金属蒸发后，沉积在基体上而得到薄膜层的，与磁控溅射相比，它不但有靶材利用率高，更具有金属离子离化率高，薄膜与基体之间结合力强的优点。此外，多弧镀涂层颜色较为稳定，尤其是在做 TiN 涂层时，每一批次均容易得到相同稳定的金黄色，令磁控溅射法望尘莫及。多弧镀的不足之处是，在用传统的 DC 电源做低温涂层条件下，当涂层厚度达到0.3μm 时，沉积率与反射率接近，成膜变得非常困难。而且，薄膜表面开始变朦。多弧镀另一个不足之处是，由于金属是熔后蒸发，因此沉积颗粒较大，致密度低，耐磨性比磁控溅射法成膜差。可见，多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣，为了尽可能地发挥它们各自的优越性，实现互补，将多弧技术与磁控技术合而为一的涂层机应运而生。在工艺上出现了多弧镀打底，然后利用磁控溅射法增厚涂层，最后再利用多弧镀达到最终稳定的表面涂层颜色的新方法。大约在八十年代中后期，出现了热阴极电子枪蒸发离子镀、热阴极弧磁控等离子镀膜机，应用效果很好，使TiN 涂层刀具很快得到普及性应用。其中热阴极电子枪蒸发离子镀，利用铜坩埚加热融化被镀金属材料，利用钽灯丝给工件加热、除气，利用电子枪增强离化率，不但可以得到厚度 3~5μm的TiN 涂层，而且其结合力、耐磨性均有不俗表现，甚至用打磨的方法都难以除去。但是这些设备都只适合于 TiN涂层，或纯金属薄膜。对于多元涂层或复合涂层，则力不从心，难以适应高硬度材料高速切削以及模具应用多样性的要求。目前，一些发达国家(如德国 CemeCon、英国 ART-TEER )在传统的磁控溅射原理基础上，用非平衡磁场代替原先的平衡磁场、50KHz 的中频电源代替原来的直流电源、脉冲电源取代以往的直流偏压，采用辅助阳极技术等，使磁控溅射技术逐步成熟，已大批量应用在工模涂层上，现在已稳定生产的涂层主要有 TiAlN、AlTiN、TiB2、DLC、CrN等等，我国广东、江苏、贵州、株洲等地也已陆续引进此种设备，大有星火燎原之势。

 

3.工具涂层设备基本构件

 

现代涂层设备(均匀加热技术、温度测量技术、非平衡磁控溅射技术、辅助阳极技术、中频电源、脉冲技术) 现代涂层设备主要由真空室、真空获得部分、真空测量部分、电源供给部分、工艺气体输入系统、机械传动部分、加热及测温部件、离子蒸发或溅射源、水冷系统等部分组成。

 

1 ）真空室

 

涂层设备主要有连续涂层生产线及单室涂层机两种形式，由于工模涂层对加热及机械传动部分有较高要求，而且工模形状、尺寸千差万别，连续涂层生产线通常难以满足要求，须采用单室涂层机。

 

2 ）真空获得部分

 

在真空技术中，真空获得部分是重要组成部分。由于工模件涂层高附着力的要求，其涂层工艺要求良好的本底真空，合理选择真空获得设备，实现高真空度至关重要。就目前来说，还没有一种泵能从大气压一直工作到接近超高真空。因此，真空的获得不是一种真空设备和方法所能达到的，必须将几种泵联合使用，如机械泵、分子泵系统等。

 

3 ）真空测量部分

 

真空系统的真空测量部分，就是要对真空室内的压强进行测量。像真空泵一样，没有一种真空计能测量整个真空范围，人们于是按不同的原理和要求制成了许多种类的真空计。

 

4） 电源供给部分

 

靶电源主要有直流电源(如 MDX)、中频电源(如美国 AE公司的 PE、PEII、PINACAL)；工件本身通常需加直流电源(如 MDX)、脉冲电源(如美国AE公司生产的 PINACAL+)、或射频电源(RF)。

 

5 ）工艺气体输入系统

 

工艺气体，如氩气(Ar)、氪气(Kr)、氮气(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氢气(H2)、氧气(O2)等，一般均由气瓶供应，经气体减压阀、气体截止阀、管路、气体流量计、电磁阀、压电阀，然后通入真空室。这种气体输入系统的优点是，管路简捷、明快，维修或更换气瓶容易。各涂层机之间互不影响。也有多台涂层机共用一组气瓶的情况，这种情况在一些规模较大的涂层车间可能有机会看到。它的好处是，减少气瓶占用量，统一规划、统一布局。缺点是，由于接头增多，使漏气机会增加。而且，各涂层机之间会互相干扰，一台涂层机的管路漏气，有可能会影响到其他涂层机的产品质量。此外，更换气瓶时，必须保证所有主机都处于非用气状态。

 

6 ）机械传动部分

 

刀具涂层要求周边必须厚度均匀一致，因此，在涂层过程中须有三个转动量才能满足要求。即在要求大工件台转动(I)的同时，小的工件承载台也转动( II),并且工件本身还能同时自转(III)。在机械设计上，一般是在大工件转盘底部中央为一大的主动齿轮，周围是一些小的星行轮与之啮合，再用拨叉拨动工件自转。当然，在做模具涂层时，一般有两个转动量就足够了，但是齿轮可承载量必须大大增强。

 

7 ）加热及测温部分

 

做工模涂层的时候，如何保证被镀工件均匀加热比装饰涂层加热要重要得多。工模涂层设备一般均有前后两个加热器，用热电偶测控温度。但是，由于热电偶装夹的为置不同，因而，温度读数不可能是工件的真实温度。要想测得工件的真实温度，有很多方法，这里介绍一种简便易行的表面温度法 (Surface Thermomeer)。该温度计的工作原理是，当温度计受热，底部的弹簧将受热膨胀，使指针推动定位指针旋转，直到最高温度。降温的时候，弹簧收缩，指针反向旋转，但定位指针维持在最高温度位置不动，开门后，读取定位指针指示的温度，即为真空室内加热时，表面温度计放置位置所曾达到的最高温度值。

 

8 ）离子蒸发及溅射源

 

多弧镀的蒸发源一般为圆饼形，俗称圆饼靶，近几年也出现了长方形的多弧靶，但未见有明显效果。圆饼靶装在铜靶座(阴极座)上面，两者为螺纹连接。靶座中装有磁铁，通过前后移动磁铁，改变磁场强度，可调整弧斑移动速度及轨迹。为了降低靶及靶座的温度，要给靶座不断通入冷却水。为了保证靶与靶座之间的高导电、导热性，还可以在靶与靶座之间加锡(Sn)垫片。磁控溅射镀膜一般采用长方形或圆柱形靶材，

 

9 ）水冷系统

 

因为工模涂层时，为了提高金属原子的离化率，各个阴极靶座都尽可能地采用大的功率输出，需要充分冷却；而且，工模涂层中的许多种涂层，加热温度为 400~500?C，因此，对真空室壁、对各个密封面的冷却也很重要，所以冷却水最好采用18~20?C 左右的冷水机供水。为了防止开门后，低温的真空室壁、阴极靶与热的空气接触析出水珠，在开门前 10 分钟左右，水冷系统应有能力切换到供热水状态，热水温度约为 40~45?C。

 

4.工具涂层技术发展趋势

 

1）涂层成分将趋于多元化、复合化

 

第一代PVD涂层主要以TiN为主，在此基础上，又发展了TiC、 TiCN、ZrN、CrN、WC等多种单一金属涂层。伴随PVD沉积技术的进一步发展，铝元素技加人涂层中，含铝的多元金属合金涂层如TiAIN、TiAICN等相继问世，其耐磨性及红硬性比单一金属涂层提高了很多，可以用于较高的切削速度，如滚切，可达到150m/min。后来，人们考虑将多种不同种类涂层分层沉积到刀具上以发挥不同涂层的优势又成为一种趋势，如TiN+TiCN+TiN，TiN+TiALN，TiAIN+WC/C等。近年来， PVD涂层技术又向前迈进了一步，国外多家涂层公司已开发出了脉冲涂层技术并开始应用，如瑞士Balzers公司的P3E(Pulse Enhanced Electron Emission脉冲增强电子发射)技术，德国Cemecon公司的H.I.P_(High Ion Pulse，高能粒子脉冲)技术。这两种新技术都是利用脉冲电子激活电弧蒸发靶材，由于该工艺可在氧气氛围中运行，所以， 理论上讲，用这种工艺几乎可以沉积任何金属氧化物(如A12O3，ZrO2，Cr2O3，Ta2O5等)及其化合物涂层。目前，Al2O3涂层已进人实用试验阶段，相信在不久的将来就会广泛应用。

 

2）涂层的应用开发更具针对性

 

为满足不同的应用要求，涂层的开发设计越来越具有针对性。针对不同的应用领域如钻削、铣削、干式滚切、冲压、拉深等的特点和特性要求，开发在这方面具有相对优势的涂层。经过不断努力和尝试，在某些领域已获得了成功，如高铝含量约TiX(Al：Ti一2：1)涂层应用在铣削上，不含Ti的涂层AICrN应用高速干式滚切上，复合涂层CrN+TISIN应用在钻削上，复合涂层TIN+TCX应用在深拉模具上，寿命都明显优于其他涂层。另外如针对抗腐蚀(Crx涂层)、“自润滑(WC/C涂层)、软材料加工(MoS2涂层)、高硬材料加工(CBN、Dimond涂层)的各种有针对性的涂层等都早已获得了广泛应用。虽然这些涂层在各自领域应用非常成功，但随着PVD涂层技术的不断发展，新的更具针对性的涂层也会继续不断地开发以替代这些现有涂层。

 

3）涂层的沉积颗粒趋于纳米化

 

随着纳米技术的发展和涂层技术的进步，纳米刀具涂层也引起了广大研究者和PVD涂层服务公司的关注。涂层沉积颗粒的纳米化，可以增强涂层与基体以及各层间的结合强度，同时可以降低涂层表面粗糙度。目前，大多数涂层的沉积颗粒仍然较大，虽然有称为纳米级的涂层，但在涂层的最后表面上仍然可以发现较大的颗粒，涂层表面仍然较粗糙。减小涂层沉积颗粒的大小并保持工艺稳定以避免较大异常颗粒的出现，将成为涂层发展的又一个方向，尤其是在镜面上的应用、虽然有限公司已经开发出镜面涂层，但质量和稳定性较差，另外，工艺也较 复杂。在未来的涂层研发中，涂层颗粒的纳米化以及涂层层间厚度的纳米化将是 主要发展方向这对于提高涂层的综合性能，降低层间应力具有重要的意义，同时会提高镜面的光洁度进一步扩展涂层在精密成型行业的广泛应用。

 

4）涂层的工艺温度越来越低

 

从一般CVD涂层1000℃左右的沉积温度到PVD和PECVD涂层500℃左右的沉积温度，涂层的沉积温度已降低了，因此，涂层的应用范围也扩大了，但是，500℃左右的沉积温度仍然会对涂层工件产生不良影响，如变形、基体硬度降低等。因此，需要对涂层工件的前期热处理提出特殊要求，如工件的回火温度不得低于涂层温度。更低温度的涂层，如涂层温度在200℃以下，将消除这些限制， 使得可用于涂层的材料种类更多，前期热处理的选择更加灵活，不同的表面改性技术的综合应用将更加可行。同时，低温涂层的应用，也会降低涂层设备的能耗，在节约能源方面具有一定的环保作用。另外，涂层温度的降低，使得加热和冷却时间减少也会缩短涂层的交货周期，效率更高，所以，低温涂层将会极大地促进涂层的应用、普及，必将成为PVD涂层发展的，一个重要方向。