模具PVD涂层技术发展趋势

    目前，刀具模具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。

    在加工过程中，切削刀具将承受几方面的损伤，如切削热，高压，磨损和热振荡。刃口的温度将超过1000oC。这种极真个热量将破坏刀具材料各成分的结协力及其它成分，还有可能导致刀具和被加工材料间发生有害的化学反应。磨损是切削过程中始终发生的过程：刀具和被加工材料间的接触面将承受大于140bar（2000Psi）的压力。热振荡：刀具的快速加热和冷却是加工过程中非常普遍的情况；在切削过程中，刀片被加热，当刀片离开切削面时，刀片被冷却。机械振荡在加工断续表面时经常发生。根据具体操纵和被加工工件的情况，机械振荡有时扮演着车削加工的角色。粘连磨损经常发生在被加工材料粘连在刀具表面的情况下（形成积屑瘤）。

    2 AlTiN涂层

    为了解决上述这些在切削过程中不利因素的影响，很多切削刀具都通过在PVD设备内的电弧沉积技术沉积了一层AlTiN涂层。AlTiN类的涂层主要应用在干式高速切削加工中，并具有很好很多的优点，如高硬度（Hv＞30GPa），很好的耐磨损性能，很好的耐高温氧化性（850oC），以及低的热传导性。

    3 氧化铝Al2O3涂层

    在一些应用上需要特殊的涂层，如氧化铝涂层。比如硬质合金刀片上的氧化铝涂层具有抗月牙洼和抗热裂化的优点。氧化铝涂层的刀片通常是CVD（化学气相沉积）方法沉积的，但是有一些缺点：由于是在高温下的沉积（1000oC），硬质合金变脆将影响刀片在金属切削方面的应用，尤其是在铣削方面。氧化铝的PVD涂层由于其较低的沉积温度范围（一般在350oC到600oC之间）带来了很多优点。特别是高温稳定性，化学稳定性和低导热导电性能是其优于其它涂层的特点。在不锈钢的铣削或者是难切削材料的切削方面，PVD的氧化铝涂层与传统PVD涂层相比显示了更好的性能。

    通过分析AlTiN涂层和氧化铝涂层的界面显微结构，氧化铝涂层与面心立方晶格AlTiN非常好地结合。结构分析显示氧化铝涂层是以γ相存在的非晶铬结构。晶粒尺寸大概是在5～10nm。最初的切削试验是使用标准SP12刀片，用来干式铣削加工CrMo4钢。

    4 混合涂层设备

    使用混合涂层技术的模具PVD涂层设备：阴极电弧蒸发技术和磁控溅射技术在一个工艺过程中混合使用。混合技术结合了PVD硬膜的优点，出色的耐磨损性能，低摩擦系数和低化学活动性。电弧涂层作为结合层，给整个涂层提供必要的抗磨损能力；氧化铝涂层具有温度和化学稳定性。

    沉积前，被加工工件被加热到工艺温度，系统被抽至基压。随后工件被氩离子或金属离子蚀刻。然后开始沉积电弧层，在其顶部氧化铝涂层通过溅射方法，在金属靶材和氩－氧混合气体条件下获得。此外，氧化铝涂层也可以作为单独的涂层在一些特殊情况下应用。氧化铝涂层通过一种独特设计的溅射阴极结合工艺气体的优化设计系统沉积而成。通过电磁感应线圈形成的闭路磁场在工件四周形成了高离化率的等离子体，进而实现要求的涂层性能。此项技术的优点是工艺过程易于控制，沉积过程的稳定一致。沉积速率(≥0.5μm/h)完全能够满足产业生产的需求。

    5 结论

    通过电弧技术沉积的工具涂层，如AlTiN涂层能够进一步进步刀具的应用性能。刀具涂层技术的下一步发展应该是基于电弧技术和溅射技术的混合技术。正是将这两种技术结合在一起，形成了对刀具应用性能新突破的基础。

刀具PVD涂层方法

    常用的刀具模具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。