刀具PVD涂层技术的发展

1 刀具PVD涂层技术的发展

本世纪六十年代末，用化学气相沉积(CVD)法在硬质合金刀具表面沉积TiN和TiC等硬涂层的技术被产业界广泛应用，这些硬涂层一般可使刀具寿命进步4倍以上，极大地改善了刀具的切削性能，进步了切削效率。但由于CVD法的涂覆温度在1000℃以上，因此不适宜用于高速钢刀具的涂层。八十年代初，用物理气相沉积(PVD)法成功地实现了对高速钢刀具和硬质合金刀具的涂层。此后，各种新的涂层方法和涂层材料不断出现，目前刀具涂层技术的研究和开发正方兴未艾。

2 刀具PVD涂层方法

目前常用的刀具PVD涂层方法主要有以下六种：低压电子束蒸发(LVEE)法、阴极电弧沉积(CAD)法、三极管高压电子束蒸发(THVEE)法、非平衡磁控溅射(UMS)法、离子束协助沉积(IAD)法和动力学离子束混合(DIM)法。这几种涂层方法的原理有相似之处，都是通过气相反应过程，使蒸发或溅射出的金属原子(或引进反应室的气体原子或离子)发生气相反应，从而在刀具表面沉积出所要求的化合物。这几种涂层方法的主要差别在于沉积材料的气化方法不同(或通过蒸发或通过溅射)，以及产生等离子体的方法不同(导致等离子体中的离子数、电子数、中子数不同)，致使成膜速度和膜层质量存在差异。LVEE法能有效地离化蒸发的原子，离化率可达50%。CAD法利用电弧产生的火花从靶面蒸发材料，且能有效离化蒸发原子和反应气体，离化率高达90%。高离化率可促进气相反应，形成与基底附着力强的致密涂层。但CVD法轻易产生直径达1～15μm的金属液滴(称为宏观粒子)，这些宏观粒子埋进生长膜，会损害涂层的表面光洁度。采用电弧过滤可获得较高的沉积速度，但由于高压电子束的离化截面小，因而离化效率较低，THVEE法则可克服这一缺点，且离化率可通过改变其它工艺参数加以控制。UMS法的沉积速度很快，能产生非常致密且附着力强的膜层，但由于多元溅射靶各组元的饱和蒸发气压不同，致使膜层的成分较难控制。多靶磁控溅射系统可以同时溅射几种不同的靶源材料，从而可有效控制膜层的化学成分。磁控溅射可保持衬底温度在200℃以下。IAD法是应用较为广泛的刀具涂层方法，可有效地沉积各种硬涂层。在沉积之前，需对衬底进行溅射以往除基体表面的氧化层，这样可进步涂层质量，使膜层与衬底的结合更为牢固。DIM法利用低能溅射源对靶源材料进行轰击、溅射和沉积，再通过高能离子注进机对衬底进行注进混合，从而可获得较其它涂层方法具有更高膜-基结合强度的涂层。对膜层的AES研究表明，在衬底与膜层之间有一混合层，正是这一混合层进步了衬底与膜层的结合强度。

3 刀具PVD涂层技术的发展趋势

目前，刀具PVD涂层技术存在两种发展趋势，一是涂层越来越硬；二是涂层越来越软。刀具的硬涂层主要是元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族金属元素与C、N、O等元素的化合物；刀具的软涂层则主要是MoS2、WS2等硫族化合物。