PVD涂层呈现出其它涂层无法相比的性能

产业化的涂层技术从上世纪70年代末开始至今已有30多年的历史。从最早的由CVD技术而生产的氮化钛到今天的各种涂层，已经历了几代的变化。其中第一个主要变化是由CVD技术向PVD技术的转变，CVD技术由于运营本钱和环保等题目目前已被逐步成熟稳定的PVD技术所取代。由PVD所生产的涂层从早先的二元简单涂层（如TiN）已发展到今天大规模产业化的多元涂层。

自本世纪初，由于产业界对涂层的特殊性能要求，最新一代涂层已逐步走上产业化的轨道。这些特殊性能的要求包括高温工作稳定性、用于起到物质隔尽作用的高密度涂层材料、极低的材料摩擦系数和极强的化学稳定性等等。针对这些要求而产生的最典型的涂层就是DLC和taC涂层。无论是从学术研究和产业化生产，DLC和taC涂层无疑是今天最为受人关注的焦点。它们也被成功应用于像一级方程式赛车的发动机、半导体封装模具、纺织机械零件和医疗器械之中。

涂层发展的另外一个方向是坚韧性涂层的产业化。所谓坚韧性涂层是指一种涂层的综合能力，具体的说是指一种涂层在其应用领域所能表现出对被涂层工件寿命延长、功能增进。坚韧性涂层不仅仅追求高硬度，高耐温或低摩擦系数的某一个片面性能指标，而是根据涂层在某个具体应用领域的应用，公道调节平衡各个指标，使涂层的综合性能最优。涂层所开发的就是基于这样理念的涂层，该涂层优于公道调节分配涂层内部硬度、韧性和摩擦系数，使其厚度可达10微米以上。它在要求具有高耐磨要求的应用上（如发动机的活塞环），呈现出其它涂层无法相比的性能。

经过几年的市场开发和涂层推广，在诸如刀具、工模具等领域的PVD涂层已经逐渐为中国市场所接受。固然总体上看这个行业离成熟还有较大的间隔，但随着西方先进制造业向中国的转移以及中国自主创新能力的迅猛提升，为中国的先进制造业进行高端配套，其市场潜力不可估量。

PVD表面涂层在华南地区的模具生产商中已广泛应用，他们认同PVD涂层可以延长模具寿命，从而降低生产成本的事实。另一方面，有数据显示：华东、中南地区所生产的压铸组件超过70%，年产值约合480亿元人民币。随着国内模具的逐步高品质化，模具对PVD表面涂层处理的需求将不断增加，潜力巨大。

PVD涂层只是表面一层很薄的（1～4祄）金属陶瓷涂层，它主要是提高表面硬度，增强表面耐磨性，主要是针对平行的摩擦，所以基体的硬度是非常重要的。

目前已有许多种刀具涂层可供选择，包括PVD涂层、CVD涂层以及交替涂覆PVD和CVD的复合涂层等，从刀具制造商或涂层供应商那里可以很容易地 获得这些涂层。本文将介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的PVD、CVD涂层选择方案。在确定选用何种涂层对于切削加工最为有益时，涂层的每一种特性都起着十分重要的作用。 

1.涂层的特性 

（1）硬度 

涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。氮碳化钛（TiCN）涂层比氮化钛（TiN）涂层具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000～4000（取决于制造商）。表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD金刚石涂层刀具的寿命提高了10～20倍。金刚石涂层的 高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2～3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。 

（2）耐磨性 

耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。 

（3）表面润滑性 

高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光 滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。 

（4）氧化温度 

氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事 实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具 传入工件或切屑。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首选涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种 TiAlN PVD涂层涂层。 

（5）抗粘结性 

涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避免工件材料沉积在刀具上。在加工非铁族金属（如铝、黄铜等）时，刀具上经常会产生积屑 瘤（BUE），从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料开始粘附在刀具上，粘附就会不断扩大。例如，用成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加，以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起到 很好的作用。 

2.常用的涂层 

（1）氮化钛涂层（TiN） 

TiN是一种通用型PVD涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。该涂层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。 

（2）氮碳化钛涂层（TiCN） 

TiCN涂层中添加的碳元素可提高刀具硬度并获得更好的表面润滑性，是高速钢刀具的理想涂层。 

（3）氮铝钛或氮钛铝涂层（TiAlN/AlTiN） 

TiAlN/AlTiN涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。主要用于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具可选用该涂层。根据涂层中所含铝和钛的比例不同，AlTiN涂层可提供比TiAlN涂层更高的表面硬度，因此它是高速加工领域又一个可行的涂层选择。