PVD涂层法涂层性能不受基体材质的影响

PVD涂层加工法起步较晚，但发展很快，其工艺按基本原理可分为反应离子沉积法和反应溅射法等。工件表面通过离子轰击而得到净化，涂层材料则溶化而雾化，并在等离子区电离，沉积于被涂层的材料上。PVD法的沉积温度比CVD法低，约为300～500°C。因而与CVD法相比，PVD法有很多优点。PVD涂层纯度高，致密性好，涂层与基体结合牢固，涂层性能不受基体材质的影响。近年来PVD法受到了格外重视。

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涂层加工可以延长模具寿命，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。

PVD涂层加工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。 

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涂层加工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镀钛技术的发展与应用

　　PVD(物理气相沉积)技术在二十世纪七十年代末，开始应用在提高机械力学性能的硬质膜方面，制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点。最初在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国工具制造业的高度重视，人们在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，也在硬质合金、**类刀具中进行了更加深入的涂层应用研究。PVD涂层加工工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。

　　PVD镀钛工艺处理温度可控制在150～500℃以下，因此镀钛工艺可用于多种材质基体的涂层，不仅具有多姿多彩的装饰效果，更重要的是采用PVD技术可使涂层具有优异的理化特性，大幅度强化基体表面诸如硬度、摩擦系数等物理特性指标。

离子真空镀膜技术的特点和用途

　　真空离子镀钛应用的就是PVD涂层加工技术。

　　金属在特定环境下(压力，温度，电磁场等)与各种气体(氩气，氮气，氧气及乙炔气等)产生综合作用形成等离子体，经过加速后，等离子体涌向被镀工件表面，形成牢固的膜层。该镀钛膜层细密均匀，结合力强，硬度高，防腐耐磨，具有良好的导电性和自润滑性能，同时色泽丰富多样，因此真空镀钛不仅是提高材料使用性能的有力手段，在装饰上同样是提升档次，提高附加值的最佳选择。

    PVD镀膜与传统的化学电镀的相同点是，两者都属于表面处理的范畴，都是通过一定的方式使一种材料覆盖在另一种材料的表面。

两者的不同点是：PVD镀膜膜层与工件表面的结合力更大，膜层的硬度更高，耐磨性和耐腐蚀性更好，膜层的性能也更稳定;PVD镀膜可以镀的膜层的种类更为广泛，可以镀出的各种膜层的颜色也更多更漂亮;PVD镀膜不会产生有毒或有污染的物质。

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。 

    PVD涂层摩擦特性可避免阻滞和腐蚀现象

    PVD涂层加工主要用于顶出导梢、型腔和模芯，其摩擦特性可避免阻滞和腐蚀现象，且有些情况下无须使用润滑剂和脱模剂。涂层的硬度和耐磨性，还可使模具免受含有大量玻璃或矿物的填充树脂，以及PVC和CPVC等材料的热气腐蚀。

    PVD涂层的涂覆操纵，通常是在电弧沉积温度为400~500℃(750~930°F)时进行的，这对回火温度较高的钢材(如M2和CPM牌号)非常合适。然而，沉积温度高使PVD涂层不能用于塑料加工中所使用的冷作模具钢、铜合金和模具钢等材料。

    PVD涂层刀具通用性广，加工范围明显扩大，使用PVD涂层加工刀具可以获得明显的经济效益。

    一种PVD涂层加工刀具可以代替数种非PVD涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具治理，降低刀具和设备本钱。但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后，因基体材料和涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层和基体之间的界面结合强度低，涂层易剥落，而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具本钱上升等缺点。

     PVD，大家都知道它是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。那么PVD涂层技术包括哪些？你知道吗？

  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。

  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。

  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。

在各行各业中，PVD涂层加工因为其优越的物理特性和优点被广泛运用，那么具体来说使用PVD涂层有哪些优点？

  硬度极高（超过HRc85）：代表耐磨性极好； 

  摩擦系数低（DLC =0.15）：脱模容易，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； 

  厚度只有1～4祄 ：涂层后不影响产品最终尺寸。

    对涂覆过程和模具的不同部位（粉末冶金模，冲压模，铸造，拉丝模具，锻造模具和注塑成型等），使用时，可显著提高硬度，耐磨损性，表面的耐腐蚀性，耐热性和润滑性;并便于脱模，大力提高模具和零部件（如表面粗糙度，精度等）和生活，有效发挥产品的潜在质量。在使用模具，常早期故障，则故障因素通常磨损，腐蚀，融合的过程。他们的问题不会耽误了生产周期，而且大大提高了生产成本，影响企业的竞争力。

     为此，业界推出了不同的解决方案，和PVD涂层加工的表面处理技术是非常重视的程序，它可以有效地解决这些问题之一。 PVD涂层技术可以广泛应用于各类磨损，造成工人的失败闭塞模具或机械零件。其中，由于磨损和撕裂引起的故障（如冲压，冷镦，粉末成型，模具等），可以提高寿命几倍到几十倍;应变是由于有问题的产品或模具造成的阻塞（如延长模具，翻边模等），可以从根本上解决。申请材料：模具钢，结构钢的碳含量大于0.3％，铸铁，硬质合金等承受大于230度和未受影响的金属材料的加热温度以上。

     PVD涂层加工刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，进步了刀具的耐磨性而不降低其韧性。PVD涂层刀具通用性广，加工范围明显扩大，使用PVD涂层刀具可以获得明显的经济效益。

    一种PVD涂层加工刀具可以代替数种非PVD涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具治理，降低刀具和设备本钱。但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后，因基体材料和涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层和基体之间的界面结合强度低，涂层易剥落，而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具本钱上升等缺点。

    PVD涂层只是表面一层很薄的(1～10µm)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。冲压模具对温度要求是55℃以上，塑胶模具对温度的要求为30℃以上。如果冲压模具的硬度达不到HRc60以上，基体就好像“豆腐”一样，马上会产生塑性变型。因此，不会因为使用了涂层便降低了基体的硬度。

   PVD涂层是在高真空、低温(约200℃或400℃)的状态下进行处理的，如在这温度下材料便熔化或变软的话(例如：锌)，便不能做PVD涂层。一般的模具钢和硬质合金并不存在这样的问题。