开发涂层刀具的基本目标

    开发涂层刀具的基本目标是在有效利用刀具基体材料固有韧性的同时，利用涂层材料具有的耐磨性、耐热性和化学稳定性，制造出符合用户加工要求的高性能刀具。在CBN涂层刀具方面，也有利用涂层来抑制CBN粒子发生微破碎和脱落的情况。目前市场上销售的涂层刀具的各种涂层材料及其相关特性。用PVD涂层加工工艺可以较容易地获得非平衡的物质特性，从而开发出可保持高硬度(高耐磨性)的涂层刀具。

     为迎适用户对进步生产效率、减轻产品重量提出的要求，在机械加工中，正更多地使用各种先进材料。很多企业在汽车零件和飞机结构件中大量使用非铁材料，如硅铝合金、金属基和碳复合材料、玻璃纤维增强塑料等。固然这些材料重量较轻，但在材料中添加了硬质耐磨颗粒作为强化剂，这无疑增加了这些材料的加工难度，这些硬质颗粒会造成刀具过早磨损和产生大量切削热。刀具磨损主要是由硬颗粒的摩擦磨损和酸腐蚀的化学磨损所致。因此，多数刀具用户以为，金刚石涂层刀具是加工耐磨的非铁金属和非金属复合材料的理想刀具。在各种刀具涂层中，用金刚石涂层刀具加工难加工材料能很好地保护切削刃，且无化学磨损。

　　随着刀具的切削速度越来越高，客户对涂层质量、性能的要求也越来越高，不仅要求涂层具有高硬度、高耐磨性，同时对刀具和被加工产品的表面光洁度要求也越来越高。

　　因此，模具PVD涂层的后处理工艺开始受到人们广泛关注。该技术主要针对不同的刀具涂层后，再通过专用设备对涂层刀具表面进行研磨、抛光处理，通过这种处理的涂层刀具寿命可在普通涂层刀具寿命的基础上再提高20%～100%左右。

　　通过这种后处理，完全可以解决电弧蒸发工艺过程中产生的微颗粒现象。众所周知，电弧蒸发工艺可以产生超强的能量，是任何其他工艺所不可比拟的。通过电弧蒸发工艺产生的能量辐射面极强，可以使靶材高度离子化，形成高密度的等离子区，从而形成具有超强结合力、高度致密的膜层。但同时也会在涂层表面产生极其微小的颗粒，尽管这种微小颗粒只有在高倍显微镜下才可以观测到，如果与刀具本身的磨制表面粗糙度相比完全可以忽略不计，且对普通的切削加工没有任何影响，但随着科技不断进步，各种新材料、难加工材料不断被应用于各种高精尖领域，用户对刀具质量、耐用度及切削性能的要求越来越高，因此对涂层产品的表面质量要求也越来越高。

       切削刃具如铣刀、钻头、锯片、丝攻、绞刀等，经PVD涂层加工后，在切削过程中刀刃部分可以承受高达800℃高温仍然保持良好的硬度，同时刃具表面有了更多的磨损容量和更低的摩擦系数，因此可以降低切削受力，提高产品表面质量及精度。经过纳米被涂层覆后不但可以延长刀具的使用寿命，还可以提高切削参数，甚至实现乾式切削，除去切削液的使用，保护了环境同时又降低了制造成本。 

       经过刀具PVD涂层加工后的刀具通常具有以下优点： 大幅提高刀具寿命；更加耐高温；可乾式切削；提高切削参数；提高生产效率；被加工产品质量提升。 

       PVD指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。它的作用是可以是某些有特殊性能（强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等）的微粒喷涂在性能较低的母体上，使得母体具有更好的性能！ PVD基本方法：真空蒸发、溅射 、离子镀（空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀）。

PVD涂层有四种技术：

      增强型磁控阴极弧：阴极弧技术是在真空条件下，通过低电压和高电流将靶材离化成离子状态，从而完成薄膜材料的沉积。增强型磁控阴极弧利用电磁场的共同作用，将靶材表面的电弧加以有效地控制，使材料的离化率更高，薄膜性能更加优异。

      过滤阴极弧：过滤阴极电弧(FCA )配有高效的电磁过滤系统，可将离子源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒， 因此制备的薄膜非常致密和平整光滑，具有抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强。

     磁控溅射：在真空环境下，通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜。根据使用的电离电源的不同，导体和非导体材料均可作为靶材被溅射。 

     离子束DLC：碳氢气体在离子源中被离化成等离子体，在电磁场的共同作用下，离子源释放出碳离子。离子束能量通过调整加在等离子体上的电压来控制。碳氢离子束被引到基片上，沉积速度与离子电流密度成正比。星弧涂层的离子束源采用高电压，因而离子能量更大，使得薄膜与基片结合力很好；离子电流更大，使得DLC膜的沉积速度更快。离子束技术的主要优点在于可沉积超薄及多层结构，工艺控制精度可达几个埃，并可将工艺过程中的颗料污染所带来的缺陷降至最小。

    刀具PVD镀钛技术的应用主要分为装饰镀和工具镀：

①装饰镀的目的主要是为了改善工件的外观装饰性能和色泽，同时使工件更耐磨耐腐蚀延长其使用寿命，这方面主要应用五金行业的各个领域，如门窗五金、锁具、卫浴五金等行业。

②工具镀的目的主要是为了提高工件的表面硬度和耐磨性，降低表面的摩擦系数，提高工件的使用寿命，这方面主要应用在各种切削刀具（如车刀、铣刀、钻头、锯片）等产品中。

    刀具PVD涂层加工技术较之CVD具有显著优点。成为新型刀具涂层的主流技术之一。低温沉积最有效的磁控溅射方法，沉积速率高，工作气压低，镀膜质量高，工艺稳定，便于大规模工业生产，在切削刀具涂层应用中发展迅速。

   切削加工技术发展对刀具涂层硬度，耐磨性，抗氧化性，与基体结合强度等综合机械性能的要求不断提高，超硬、多元和多层等新型涂层得到开发，尤其是基于低温PVD沉积技术的纳米复合涂层正在成为研究热点。而且pvd涂层技术显示出良好的发展前景。

   PVD涂层加工即物理气相沉积，是当前国际上广泛应用的先进的表面处理技术。其工作原理就是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基底上。它具有沉积速度快和表面清洁的特点，特别具有膜层附着力强、绕射性好、可镀材料广泛等优点。

   PVD表面涂层处理技术，目前已在省内外企业获得应用和认同，涉及的模具包括冷冲模、塑料模、热锻模、挤压模等，涉及的零件有各种易磨损的部件，例如录音机磁头外壳拉伸模，对其材料为YG20硬质合金的模具工作零件进行PVD涂覆TiN处理，寿命从原来的13万次提高到45万次以上，物理气相沉积技术是通过加热或离子轰击（喷射）使坚固的高纯度涂层材料（金属，如钛、铬和铝）蒸发。

   同时，加入反应气体（例如氮或含碳气体），这些气体与金属蒸气反应生成化合物，然后沉积在工具或模具上形成薄而高度粘附的涂层。

   PVD复合涂层性能优良，具有不可轻视的应用潜力。国内PVD技术在模具产业的应用与推广才处于起步阶段，主要以单层TiN系涂层为主。手机行业已将模具的涂层写入标准条件中，目前国内只有少数大型企业获得初步应用，模具包括冷冲模、塑料模、热锻模、挤压模等多类模具，使用寿命平均提高3-5倍以上。

PVD涂层的物理特性及与之相对应的优点包括：

● 硬度极高(超过Hv2000-Hv4500)：代表耐磨性极好;

● 摩擦系数低(DLC =0.1)：改善拉伸五金冲压、成型的润滑问题;

● 耐高温(最高达到1200℃)：不容易氧化，改善干切削和压铸成型问题;

● 化学屏障/导热率低：可有效防止因高温导致硬质合金刀具的钴元素流失;改善压铸出现的热龟裂问题;

● 厚度可控制在1µm以内 ：涂层后不影响产品的最终尺寸。

PVD涂层在模具中的应用

塑料模具

塑料模具由于要求较高，故其耐用性更加受到关注。例如所生产的塑料中带有纤维，容易磨损模具表面，或脱模时需要提高润滑的性能。PVD涂层由于其独有的润滑性及超高的硬度，可以大大改善生产过程中所遇到的上述问题。

1、 铍铜模具或镶件

铍铜的特点是散热快，硬度一般可达到洛氏硬度40。散热快(比钢材快3倍)代表注塑生产周期可以缩短，产量更高。铍铜价格昂贵，比一般塑料钢材贵，所以任何的磨损、报废或修磨的成本都很高。基于硬度无法超过洛氏硬度40，所以，表面磨损是其碰到的比较严重的问题。

考虑到硬度及铍铜的特性，涂层公司特别为铍铜模具或镶件设计了一套完善的PVD涂层方案TiN-BeCu，提高了铍铜表面耐磨性，同时又不会降低其导热性高的特性。

2、 精密模具或镶件

现今潮流消费性产品如数码相机、笔记本电脑、手机或PDA产品功能特别多，但外型则向娇小玲珑方向发展，故该类产品对精密度及材料的选择等方面的要求都很高。在选材方面，基于外壳的高保护性能及内部的高强度，一般采用PC+ABS+玻纤材料。而该材料对模具的磨损性或腐蚀性高，所以模具的磨损比较快，而维修精密模具的价格也较高。

此外，塑料模具一般采用低温回火，因此，所有高温处理的PVD涂层都不适合。在这种情况下，CrNC是最好的选择。CrNC抗化学腐蚀能力强，而且它的硬度也不低于HV2000，足以应付塑料生产所要求的硬度，是塑料模具最佳的选择。

而精密模具镶件的特点是误差小、深槽多，要做到不变形及涂层的均衡并不容易。涂层公司对塑料模具的应用了如指掌，应用CrNC涂层为客户解决模具磨损的问题。

3、 含尼龙或大批量生产模具

3.1) 透明塑料瓶是典型大批量生产的制品，其模具在高速生产的情况下，对表面的要求特别高，如：表面硬度高、抛光至镜面及脱模能力良好等。一般欧美生产商都乐意采用Mirror-Gold PVD涂层处理来增强模具表面的硬度，并提高润滑脱模能力。由于PVD涂层的高硬度及良好的润滑性能，因此能缩短生产周期，提高产量。

3.2)现今汽车制造商正想方设法在不影响安全、质量的情况下，不断降低汽车的总重量，从而达到省油的目的。工程塑料质轻且强度高，是汽车零部件的良好材料。但如果碰到生产诸如尼龙或加玻纤的工程塑料产品时，不管是什么类型的模具钢材，其表面磨损都特别厉害。为了延长使用寿命，一般欧美汽车生产商均愿意采用PVD涂层。无锡一家大型汽车配件模具及制品生产商知道PVD涂层的好处后，其所有生产尼龙汽车配件的模具均采用了PVD涂层，从而提高了模具的使用寿命。

五金模具

模具工业大致可以分为：五金模具、塑胶模具、压铸模具三大类。对五金模具而言，因五金行业一般需要在金属薄片上冲孔、褶弯成型等。常用的冲压配件，如冲棒，经常与被加工材料摩擦。为了延长其使用寿命，绝大多数需要表面使用PVD涂层。