探讨PVD未来的市场发展前景及技术的演变

   “真空离子电镀”一词于10年前已在中国国内工业界中出现，被业界广泛认识到的首先是这种表面处理技术可作为装饰性的应用，增强产品的外观效果。由于市场需求的不断增加， 本地开始重视这种技术，并进一步研究应用至功能性涂层的可行性。近年来，“真空离子电镀”改以“物理气相沉积”(PVD)的专业名字出现在市场之中，重点加强其功能性方面的应用，特别是在模具及其它金属零部件上确能带来相当大的益处。有鉴于此，本文将对PVD涂层加工技术作出深入的介绍，并探讨未来的市场发展前景及技术的演变。

整体提高对工业涂层的认识

     欧洲国家对工业涂层的研究相当发达，深刻体会到模具制造及金属加工业对涂层的应用及使用模式的转变。这几年的推广工作加深了厂商对涂层的认识，使他们了解到模具、刀具、金属零部件或制品涂层的重要性。现在较多厂商已作出实际行动，为模具及产品使用高质素的涂层。

     在各类产品中，模具及一些高端产品(例如：剃须刀片、半导体加工机械零件、无尘室夹具等)使用涂层的情况较为普遍，刀具方面使用涂层的情况相对较少。这是因为刀具涂层的情况相对于模具及其它产品涂层的发展有所不同。根据行业的使用习惯，刀具涂层一般已在刀具制造商方面完成了涂层的工作。因此对于自行进行刀具涂层的工作需求较少。相对而言，模具涂层对于厂商的关系更为密切。

     若以美国、欧洲、亚洲三个工业区域划分，美国使用涂层的增幅最为强劲，2001年至2005年的整体营业额增加超过五成，而亚洲及欧洲地区的增长虽不及美国，但在过去五年里，也有两倍的增幅。

     造成这种情况的原因如下：美国的交通网络发达，物流发展较完善，速递工作讲求服务承诺，因此具备了先决条件；而对于厂商来说，由于生产周期愈来愈短，时间稍有延误将造成不可估量的损失，这一点对涂层业的发展有正面的推动作用。另一因素是美国的整体业界对涂层的认知水平较高，例如：涂层需要在严格的环境下进行，某些金属材料不能混合一起进行涂层等，对此他们都有充分地认识；反观中国的涂层业，仍属“专业”的范畴，非业内人士对涂层的认识不深，也阻碍了本地涂层业的顺利发展。

高端产品为目标市场

     不少厂商都会考虑两个问题：产品是否需要进行涂层？究竟自行购置一部涂层设备， 还是将刀具或模具产品送往涂层加工服务商较为划算？涂层工作只占工具生产成本的10%左右，但却可以提高数倍寿命，因此，涂层可以说是非常有必要的，而且也是未来的发展潮流。至于如何衡量自行购买或外派涂层工作则需要留意市场。现时所见，无论本地或台湾的厂商已开始将涂层机视为常规设备，即使涂层设备的售价在这几年来没有大幅下降的情况下，他们仍选择购入了涂层设备， 这也反映出对涂层的需求愈来愈旺。PVD超硬涂层系统的不同系列可以满足各厂商不同的要求。

为模具增加更长的使用寿命

      模具使用涂层具有显着的优点：

第一，PVD涂层加工是延长模具寿命的有效方法，降低整体生产成本，并可增加产能及提高产品性能的稳定性。由于工件表面增加了薄膜的保护，一般可加强使用寿命达3至4倍；长远而言，可减少制造模具的套数。至于实际可延长寿命多少，主要视乎产品本身，如冲压模具使用了特制的STARVIC (TiCN-MP + MOVIC) 涂层，使其使用寿命增加了七倍之多。

第二，加强模具及产品使用的可靠性。具备规模的企业注重生产质量，要求产品（例如：电器及手提电话等）的可靠性高，故采用严谨的质量保护措施；加上现时制造业的生产周期日益缩短，一旦生产过程中出现问题（例如：模具损毁），未必有足够的时间进行补救，而涂层足可为模具提供质量的保证。

第三，突出产品的效果。PVD涂层除了提供功能的防御，同时可保护模具表面，提升产品外观。

纳米涂层将成为未来的发展方向

        涂层本身的技术研发工作也加速了金属制造及模具业应用涂层技术的发展步伐。原来化学气相沉积(CVD) 涂层的厚度为10祄，相比之下，现时的PVD涂层的厚度只有1祄更精确，这对于满足市场需要将带来一定的影响。

        就涂层技术的发展而言，传统以钛 (Titanium) 基为主要的涂层材质，而未来使用铬 (Chromium) 基涂层的机会将会不断提高，即不含钛的涂层应用层面将更广，AlCrN涂层将成新一代的涂层种类，铬的耐热性比钛 (Titanium)的耐热性高，粘附性也较好。

        由于制造商对于使用纳米涂层正处于起步阶段，故仍有相当大的市场潜力。另外，对于力求完美的大企业来说，涂层将成模具设计环节中的一部份，这个崭新意念在行业之中将具有象征意义。

        纳米涂层结构在这10多年的发展历程中经历了3个重大阶段，包括九十年代初的纳米渐进式 (Nanogradients) 涂层，九十年代初末推出的纳米厚度 (Nanolayers) 涂层，以及2004年推出的纳米结构 (Nanocomposites) 涂层。纳米结构 (Nanocomposites) 涂层是指在TiAlN 或AlCrN纳米结晶粒埋藏于Si3N4-matrix非晶体的矩阵之中，成为纳米结构涂层，能够穿梭于复合涂层之间，优化表面光滑度，提高硬度达Hv4500，耐高温达1200℃，并可提高靶材使用量。NACo、nACRo及nACVIc三种都是PLATIT纳米结构涂层，并已取得了专利。

涂层业的前景分析

        此外， 针对目前的市场发展，产品多样化，生产材料转变等因素都使涂层的需求上升。这一说法将可在涂层种类及材料的数目不断增加之中得到印证。

        国际模具协会专家认为：模具是金属加工业的帝王。而模具材料又是模具工业的基础。但即使是新型模具材料仍难以满足模具的较高综合性能的要求。表面工程是当前材料科学与工程领域中表现较为活跃、发展较为迅速的分支。表面工程具有学科的综合性，手段的多样性，广泛的功能性，潜在的创新性，环境的保护性，很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视。表面工程技术在模具制造领域中的应用，在很大程度上弥补了模具材料的不足。

       合理地应用模具PVD涂层处理技术，可以以较低的工艺成本使模具寿命提高5～10倍甚至几十倍，经济效益十分显著。目前，各种模具表面处理新技术正得到业界越来越多的关注和推广应用。对模具表面进行处理的主要目的在于提高表面硬度、耐磨性和耐蚀性等，从而提高模具产品质量，延长模具使用寿命。合理地应用模具表面处理技术以获得高精度的模具表面，是生产精度高且表面质量好的产品的必要条件。表面强化工艺成本较低，而模具寿命却可提高5-10倍 合理地应用模具表面处理技术，可以以较低的工艺成本使模具寿命提高5～10倍甚至几十倍，经济效益十分显著。

     应用PVD（物理气相沉积）镀层PVD涂层加工工艺的新型复合镀层在针对高硬度工件材料高性能立铣与仿形铣的铣刀片开发里正扮演一个重要的角色。快速增长的应用领域包括用于当今喷气发动机制造的高温合金与模具的高速精加工。

针对更高强度合金的韧性更好的刀片

     在航空产业里，追求燃效更高与喷气发动机更安静的需求推动高温合金向进步纯度、韧性与高温强度等方面的发展。但是，这些进步对加工性是有负面影响的。随着合金高温强度的增加，在立铣与仿形铣加工时就产生作用在切削刃上的力。其结果是，曾经适用于加工很多种钛合金与镍基高温合金的C-2硬质合金材质等级变得不再合适了。

     对于这种研发的成果之一是已经推出了先进的细颗粒硬质合金铣削材质等级，它在高温合金应用里具备进步刀具寿命与改善可靠性的能力。与传统的硬质合金相比，细颗粒硬质合金具有更高的抗压缩强度，仅仅是为了韧性其本钱高一些。因此，它们抵抗高温合金加工常见失效模式比传统硬质合金要有效得多。

     为进步高温合金加工的生产率，PVD镀层PVD涂层为了进步切削刃的耐磨性与韧性并且不牺牲细颗粒硬质合金基体的抗压缩强度与硬度而研发的。这种镀层的第一层是氮化钛 (TiN)，下一层是碳氮化钛 (TiCN)，然后是氮铝化钛 (TiAlN)。从历史上看，TiN镀层的通用性最好，对很宽范围的切削工况及很多种钛合金、高温合金有效。TiCN比TiN更硬，并且具有上述优点。第三种镀层在最近的几年里最具有吸引力。当它第一次推出时，由于镀层表面较粗糙而且一致性不太好，仅在有限的应用场合里进步切削速度的能力。在车削应用里进步铝的含量导致了速度能力与硬度的戏剧性进步。于是这种镀层的应用范围扩展了。

     如今的细颗粒硬质合金铣削材质等级组合了多层这样的镀层，并且被证实在很宽的应用范围里比任何早期单一镀层形式的性能更好。最新的PVD复合镀层材质等级还提供其他重要的上风。其中之一是干切削。 由于这些材质等级在更快的切削速度下切除非常小的切屑，通常不需要冷却液来控制切削刃或工件上的积屑瘤。因此，通常可消除与使用冷却液相关的负面环境影响与本钱开销。

     以山高为先锋的两种新技术在该领域提供经济性的上风。我们现在能提供通过直接压制或挤压方式获得早先只能由磨削生产的非常复杂的铣削槽型。消除这种昂贵的工序意味着一种加工难加工材料的本钱更低的方案。

针对模具应用的槽型与镀层 

     PVD复合镀层细颗粒硬质合金的另一重要应用领域是模具行业，它们能提供淬硬工具钢高速精加工的能力。在很多情况下，这些高速仿形铣削加工能获得的加工表面粗糙度好到足以戏剧性的降低或甚至取消钳工的手工抛光或其它手工精加工手段。总加工时间可减少多达25%至 30%。 

    它所有的针对模具应用的仿形铣刀都使用PVD复合镀层细颗粒硬质合金刀片，这些刀片由具有两个有效切削刃的经精密磨削的切削刃组成。PVD复合镀层的一个明显的特性是它们的切削刃非常锋利，它代表了传统以为硬材料的高进给加工需要特别强壮的切削刃的观点的一种发展。

    关于这些刀片的非常锋利的切削刃的一个重要补充是PVD（物理气相沉积）镀层工艺。由于PVD镀层薄，它们能精确地复制即使是非常锋利的切削刃。于是其终极产品把切削刃的耐磨性与化学稳定性结合在一起得到切削非常轻快的槽型。而且由于PVD镀层不会引起刃口强度的降低，切削刃的韧性好，因此能抵抗崩刃。

    PVD是物理气相蒸着法（Physical Vapor Deposition）的简称，它与CVD的气体在高温下产生化学反应形成表膜不同，其采用通过电能等物理手法使金属蒸发物产生离子进行涂层。与CVD相比PVD涂层的特点如下。

    PVD与CVD相比，可在低温下进行涂层，硬质合金母材受的损失小，因此可在涂层时对母材进行选择；CVD的涂层膜有张力所以在耐缺损方面有不利之处。与之相比，PVD涂层产生压缩力，有利于耐缺损，可用在锋利切削刃的刀具制造。

    PVD涂层可在充分发挥以上特长的加工形态中加以利用。具体如下：

要求有锋利切削刃的整体硬质合金刀具；

要求耐缺损性强的平面铣刀用刀片；

轻易因熔付而出现崩刃的低速切削用刀片；

在高温状态下母材硬度降低的高速钢刀具。

    尤其是针对整体硬质合金立铣刀的PVD涂层研发进步明显。以往TiN或TiCN涂层是主流产品，但在20世纪90年代前期（Ti,Al）N涂层的出现使整体硬质合金立铣刀的性能大幅进步。特别是含Al丰富的（Al,Ti）N涂层通过大幅进步表膜硬度和耐氧化性而实现了对淬火钢的直接加工，是模具加工的技术创新。目前，针对HRC60左右的超高硬度材料加工用涂层及软钢加工用涂层等不同用途的专用涂层的开发呈现多样化的趋势。