PVD为真空涂层的基本概念及其特点

　　真空涂层技术起步时间不长，国际上在上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。由于该技术需在高温下进行(工艺温度高于1000℃)，涂层种类单一，局限性很大，因此，其发展初期未免差强人意。

　　到了上世纪七十年代末，开始出现PVD涂层加工(物理气相沉积)技术，为真空涂层开创了一个充满灿烂前景的新天地，之后在短短的二、三十年间PVD涂层技术得到迅猛发展，究其原因，是因为其在真空密封的腔体内成膜，几乎无任何环境污染问题，有利于环保；因为其能得到光亮、华贵的表面，在颜色上，成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色，可谓五彩缤纷，能够满足装饰性的各种需要；又由于PVD技术，可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层，应用在工装、模具上面，可以使寿命成倍提高，较好地实现了低成本、高收益的效果；此外，PVD涂层技术具有低温、高能两个特点，几乎可以在任何基材上成膜，因此，应用范围十分广阔，其发展神速也就不足为奇。真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术，各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷，如今在这一领域中，已呈现出百花齐放，百家争鸣的喜人景象。

　　与此同时，我们还应该清醒地看到，真空涂层技术的发展又是严重不平衡的。由于刀具、模具的工作环境极其恶劣，对薄膜附着力的要求，远高于装饰涂层。因而，尽管装饰涂层的厂家已遍布各地，但能够生产工模涂层的厂家并不多。再加上刀具、模具涂层售后服务的欠缺，到目前为止，国内大多数涂层设备厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具和模具的应用技术等)，而且，它还要求工艺技术人员，除了精通涂层的专业知识以外，还应具有扎实的金属材料与热处理知识、工模涂层前表面预处理知识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术要求等，如果任一环节出现问题，都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。所有这些，都严重制约了该技术在刀具、模具上的应用。

　　另一方面，由于该技术是一门介乎材料学、物理学、电子、化学等学科的新兴边缘学科，而国内将其应用于刀具、模具生产领域内的为数不多的几个骨干厂家，大多走的也是一条从国外引进先进设备和工艺技术的路子，尚需一个消化、吸收的过程，因此，国内目前在该领域内的技术力量与其发展很不相称，急需奋起直追。

　　PVD涂层加工的基本概念及其特点

　　PVD是英文“Physical Vapor Deposition”的缩写形式，意思是物理气相沉积。我们现在一般地把真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等都称为物理气相沉积。

　　较为成熟的PVD方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。多弧镀设备结构简单，容易操作。它的离子蒸发源靠电焊机电源供电即可工作，其引弧的过程也与电焊类似，具体地说，在一定工艺气压下，引弧针与蒸发离子源短暂接触，断开，使气体放电。由于多弧镀的成因主要是借助于不断移动的弧斑，在蒸发源表面上连续形成熔池，使金属蒸发后，沉积在基体上而得到薄膜层的，与磁控溅射相比，它不但有靶材利用率高，更具有金属离子离化率高，薄膜与基体之间结合力强的优点。此外，多弧镀涂层颜色较为稳定，尤其是在做TiN涂层时，每一批次均容易得到相同稳定的金黄色，令磁控溅射法望尘莫及。多弧镀的不足之处是，在用传统的DC电源做低温涂层条件下，当涂层厚度达到0.3μm时，沉积率与反射率接近，成膜变得非常困难。而且，薄膜表面开始变朦。多弧镀另一个不足之处是，由于金属是熔后蒸发，因此沉积颗粒较大，致密度低，耐磨性比磁控溅射法成膜差。

　　可见，多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣，为了尽可能地发挥它们各自的优越性，实现互补，将多弧技术与磁控技术合而为一的涂层机应运而生。在工艺上出现了多弧镀打底，然后利用磁控溅射法增厚涂层，最后再利用多弧镀达到最终稳定的表面涂层颜色的新方法。

　　大约在八十年代中后期，出现了热阴极电子枪蒸发离子镀、热阴极弧磁控等离子镀膜机，应用效果很好，使TiN涂层刀具很快得到普及性应用。其中热阴极电子枪蒸发离子镀，利用铜坩埚加热融化被镀金属材料，利用钽灯丝给工件加热、除气，利用电子枪增强离化率，不但可以得到厚度3~5μm的TiN涂层，而且其结合力、耐磨性均有不俗表现，甚至用打磨的方法都难以除去。但是这些设备都只适合于TiN涂层，或纯金属薄膜。对于多元涂层或复合涂层，则力不从心，难以适应高硬度材料高速切削以及模具应用多样性的要求。

　　目前，一些发达国家(如德国CemeCon、英国ART-TEER、瑞士Platit)在传统的磁控溅射原理基础上，用非平衡磁场代替原先的平衡磁场、50KHz的中频电源代替原来的直流电源、脉冲电源取代以往的直流偏压，采用辅助阳极技术等，使磁控溅射技术逐步成熟，已大批量应用在工模涂层上，现在已稳定生产的涂层主要有TiAlN、AlTiN、TiB2、DLC、CrN，我国广东、江苏、贵州、株洲等地也已陆续引进此种设备，大有星火燎原之势。

　3.现代涂层设备(均匀加热技术、温度测量技术、非平衡磁控溅射技术、辅助阳极技术、中频电源、脉冲技术)现代涂层设备主要由真空室、真空获得部分、真空测量部分、电源供给部分、工艺气体输入系统、机械传动部分、加热及测温部件、离子蒸发或溅射源、水冷系统等部分组成。

    随着市场竞争愈加激烈，对制造业提出了更高的要求。在切削加工领域，通过高速、大进给加工以进步加工效率，缩短加工时间；使用精密刀具实现高精度、高品质加工以进步附加价值；延长刀具寿命以降低刀具使用本钱；使用最新技术的刀具以改变加工工序（由研磨、电火花加工变为切削加工）等各方面，机加工用户提出了越来越高的要求，切削刀具发挥了非常大的作用。

    在各种刀具材质中，PVD涂层加工超细颗粒硬质合金的进步最为明显。其优异的性能大幅推动了模具和汽车零部件等钻削加工技术的发展。到目前为止，在以CVD硬质合金材质刀具为主流的车削加工中也发挥了出色的性能。下面介绍PVD涂层超细颗粒硬质合金技术及其最新加工实例。 

    超细颗粒硬质合金 

    硬质合金是将主要成分WC（碳化钨，高硬度脆性材料）分散在Co（钴，低硬度高韧性材料）中制成的复合材料，是一种兼顾硬度与抗弯强度的硬质材料。目前的切削刀具用材料中，在硬质合金上通过CVD（化学涂层法）、PVD（物理涂层法）涂覆可承受高速切削的Al2O3或（Ti、Al）N等涂层的硬质合金涂层材料占据主要位置。 

    Co含量和WC颗粒大小等要素决定了硬质合金的性质。Co含量越少，硬质合金的硬度、抗压强度、刚性越高，但同时抗冲击值越低；WC颗粒越小，硬质合金的硬度、抗弯强度越高，但同时其韧性值越低。

    超细颗粒硬质合金是为同时进步硬度和抗弯强度而开发的合金材料，与普通硬质合金材料相比，在硬度相同时具有强度更高、在强度相同时具有硬度更高的特点。普通硬质合金的WC颗粒为1～6μm左右，超细颗粒硬质合金的WC颗粒则仅为0.6μm左右，由于WC颗粒非常微小，所以四周起粘结作用的Co成分的厚度较薄，同时，因折断起始尺寸小，使抗弯强度较高。超细颗粒硬质合金最初用于小直径钻头、立铣刀等整体硬质合金刀具，最近也开始用于可转位刀片。但是，固然超细颗粒硬质合金在低温下显示出优异的特性，但在高温状态下轻易出现塑性变形，在切削速度高的情况下使用时，有时会产生塑性变形、磨损增大等现象，应予以留意。 

    随着近几年粉末制造企业的微细WC粉末制造技术及硬质合金制造商与合金制造相关的微粒化技术的突飞猛进，粒径为0.4μm左右的WC超细颗粒硬质合金也已面市。 

    PVD涂层 

    PVD是物理气相沉积法（Physical Vapor Deposition）的简称，它与CVD法的气体在高温下产生化学反应形成表面薄膜不同，是采用电能等物理方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：可在低温下进行涂层，硬质合金基材受损较小，因此可在涂层时对基材进行选择；CVD涂层有张力，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，有利于进步耐缺损性能，可用于具有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。例如：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；轻易因熔附而出现崩刃的低速切削用刀片；在高温状态下基材硬度降低的高速钢刀具。 

    针对整体硬质合金立铣刀的PVD涂层的研发进步明显。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涂层通过大幅进步薄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。 

    超细颗粒硬质合金PVD涂层的切削加工实例 

    以下对最新的PVD涂层超细颗粒硬质合金牌号的切削加工实例进行介绍。 

    1．平面铣刀用刀片材种VP15TF

    PVD涂层超细颗粒硬质合金牌号VP15TF是采用具有优异的耐磨损性和耐缺损性的超细颗粒硬质合金VP15TF和（Al，Ti）N涂层的通用性高的材种，尤其在平面铣刀用刀片上具有较高的通用性，可在各种高性能加工中发挥作用。

    VP15TF对合金钢进行台阶面加工的实例：刀具多功能台阶面铣刀APX3000。该刀具的最大特点是切削阻力低，采用更重视切削锋利性的几何外形，所以确保刃尖强度更为困难。因此，不仅要求刀片耐磨损性好，同时要求比以往刀具具有更好的耐磨损性。VP15TF满足以上要求，与以往材种相比可大幅进步刀具寿命，并同时实现良好的壁面精度和表面粗糙度。

    VP15TF也可在大进给粗加工中发挥良好性能。粗加工淬火钢实例：此加工使用生产的大进给加工用圆弧头立铣刀AJX。此刀具在加工HRC53淬火钢时单刃进给达到过往无法想象的1mm的大进给，可大幅缩短模具加工时间。

    VP15TF凭借通用性高，在平面加工以外的内圆车削用刀片、小型自动车床用刀片等不同领域均有产品推出，并发挥高性能。 

    2．螺纹切削用材种VP10MF 

    VP10MF是采用硬度极其高的超微粒硬质合金MF10和与VP15TF相同的（Al,Ti）N MIRACLE涂层，它是具有极高耐磨损性的优异材种。VP10MF的断面。与TF15相比，MF10采用更细微的WC原料和最佳量的粘结物质从而实现了更高的硬度。

    使用VP10MF进行螺纹加工的实例：刀具使用我公司最新的螺纹刀具MMT型。因螺纹加工中的被削材料多为不锈钢等轻易出现熔付崩刃的材料，并且对螺纹部表面精度要求高，所以多使用PVD材种。VP10MF为抑止在螺纹加工中轻易出现的后刀面磨损及刀片塑性变形等现象而研制的。可以看出，与以往材种相比，其后刀面磨损小，塑性变形也得到大幅抑止。并因以上效果使螺纹部位的表面加工质量良好。

    VP10MF凭借其高耐磨损性，可适用于可转位刀片式精加工用球头立铣刀SRF，尤其在加工HRC60左右的高硬度模具钢中发挥出类拔萃的耐磨损性。 

    3．加工高硬度材用整体硬质合金立铣刀“IMPACT MIRACLE” 

    最后介绍在整体硬质合金立铣刀的使用情况。综合材料神户工具生产的“IMPACT MIRACLE立铣刀”。此立铣刀是以硬度超过HRC50的高硬度淬火钢为目标而研制的。

    母材采用新研制的超细微硬质合金，母材硬度达到HRA93.5，尤其是为此种被削材料而研制的。涂层采用比以往（Al,Ti,Si）N涂层更先进的“单相纳米结晶（Al,Ti,Si）N涂层”。IMPACT MIRACLE立铣刀的硬质合金母材及涂层与以往产品的比较。

    IMPACT MIRACLE立铣刀与以往产品相比在母材、涂层及外形上加以改良，在加工高硬度材料时比以往产品的寿命得以大幅进步。IMPACT MIRACLE立铣刀的加工实例。在加工HRC60左右的的高硬度材料时刀具寿命大幅延长，为降低刀具本钱作出巨大贡献。

    对今后被切削材料进一步的高硬度、难切削化IMPACT MIRACLE立铣刀在削减刀具本钱方面做出贡献。使用它还有看减少电火花加工工序而缩短工序。