纳米PVD涂层技术对模具保护和装饰作用

纳米PVD涂层加工技术是一门介于材料学、物理学、电子学、化学、社会环境科学等的新型技术。核心技术应用于金属加工，制造业生产等方面，其旨在促进现代切削刀具和制造加工业的高速发展。

针对不同的模具(塑胶模、五金冲压模、压铸模、模具配件、成型模等)和机械耐磨、耐蚀零件等高要求五金制品所采用的PVD涂层加工工艺，可显著提高产品表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性以及润滑性；并能方便脱膜，大力提升模具、零件的品质(如表面粗糙度、耐磨性、精度等)和使用寿命，使其有效的发挥产品的潜能。

在模具的使用过程中，早期失效经常出现。失效的因数通常是磨损、腐蚀、融合、粘着等。其问题不单是拖延生产周期，也大大增加了生产成本，进而影响企业竞争力。为此，业界陆续推出不同的解决方案，而PVD涂层表面处理技术是倍受青睐的方案，能最有效的解决上述难题。  

PVD涂层加工技术可以广泛应用于各类磨损、咬合、腐蚀、粘着、融合等而引起失效的工具、模具、机械零件、医疗器械等。其中，因磨损引起的失效的产品(如：冲裁、冷镦、粉末成型等)涂层后可提高寿命2-20倍以上；因咬合引起产品或模具的拉伤问题(如：引伸模、拉伸模、翻边模等)，涂层后可以从根本上予以解决。

    PVD涂层技术广泛应用于航天航空、汽车、机床、化工机械、船舶制造、动力设备、五金工具、医疗器械、标准件制造等领域。工具（刀具）涂层后，可提高使用寿命3-10倍，可提切削效率30%以上，模具涂层后，可大幅降低修模次数，提高模具的脱模性，保证加工精度，从而达到提高模具使用寿命的目的。采用特殊涂层的工模具具有防酸、防腐、耐高温的性能，以应对各种特殊使用环境。

    PVD涂层即物理气相沉积，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。

    模具及精密零件PVD表面强化处理技术　近年来，PVD镀膜技术在模具的工作表面强化处理中的应用越来越多，其突出的优点是可有效提高模具使用寿命，同时镀膜温度低，在250℃～500℃左右，可减少工件型面的变形。

　　PVD涂层表面涂层处理技术用于精密零件及模具表面处理，提高模具型面硬度、耐磨性、抗热性、抗腐蚀性等，可使零件及模具使用寿命提高3-5倍，大大提高了模具材料的利用率。

　　PVD涂层表面涂层处理技术，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涂层加工的主要作用有以下:

模具保护作用。铝合金型材在使用过程中，长期暴露于空气中，会受到氧、水分、酸物、盐雾及各种腐蚀性气体、紫外光线等的侵蚀和破坏。在需要受到保护的工件表面通过一定的涂装工艺方法形成具有一定厚度的涂层(即保护层)，从而起到保护作用。

模具装饰作用。涂料可以配制出多种多样的颜色，加上涂层平整光亮，甚至可以做出各种立体质感的效果，如锤纹、橘纹、晶纹、绒面等，使产品形成美丽的造型和外观以及所需要的特种性能，起到美化人类生活环境的作用。

模具其他作用。涂层除了具有保护和装饰作用外，还具有许多特殊的功能，如电绝缘、导静电、防污、耐热、耐磨、保温、反光、防噪声、减震、防滑、防紫外线等。

   合理地应用模具PVD涂层表面处理技术，可以降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。

      时至今日，模具PVD涂层加工技术已在建筑材料、运动器材、电子行业、锁具五金、厨房卫浴、钟表饰品、医疗设备和工具加工等行业得到了广泛而深入的应用，为这些行业带来了可观经济效益的同时也增强了它们的发展潜力。今天越来越多的制造业、建筑业和设计业的工程师都非常认可这些PVD离子镀膜产品效果、特性和优势。

      PVD涂层加工用来制备新的，具有额外价值和特点的产品，如绚丽的色彩、耐磨损能力和降低摩擦。

PVD离子镀膜涂层可分为"装饰镀"与"功能镀"两大类。

      装饰镀的膜层较薄，其主要目的是用来改善产品的外观效果，如色泽、亮度等；另外装饰性膜层同样也能够起到减少表面磨损、抵抗表面腐蚀、延长产品寿命的作用。

     装饰镀主要是应用在一些附加值较高的产品上，如：钟表饰品、运动器材、光学电子、餐具、门锁卫浴五金等等。镀膜后的产品能够展现出雍容华贵、光彩夺目等各式各样的美丽效果，并且膜层耐磨损不褪色。

     功能镀膜层相比装饰镀较厚，其主要目的是利用膜层的高硬度、高耐磨耐热耐腐蚀等性能，来延长各种五金工具、车削刀具、模具以及各种医疗器材的寿命，如车刀，铣刀，刨刀，钻头、手术钳、手术刀等等。

     功能镀的膜层，能够大幅度的延长产品的使用寿命。例如，在车刀、铣刀、刨刀、钻头等车削刀具上镀过 PVD 膜层后，其使用寿命能够提高 5~40 倍；同时由于 PVD 膜层的非常细腻及摩擦系数小的特点，机床的车削速度和被加工表面的光洁度也都有很大的提高。这使得生产企业的效率大幅提高，其产品的加工精度和外观也得到了改善，能够为企业带来更多的效益。

     PVD涂层技术出现于20世纪70年代末期，由于可以控制在500℃以下的纳米涂层处理过程的温度，所以最终的治疗过程可以用作涂层高速钢切削工具。 PVD纳米涂层技术，可大大提高高速钢刀具，所以迅速的推广应用该技术在八十年代。八十年代末工业的高速钢切削工具开发的PVD涂层的比例已经超过60％，被广泛应用。 

     PVD涂层技术在高速钢刀具领域的成功应用，引起了极大的关注在世界各地，人们都在竞相开发的同时，高性能，高可靠性的纳米涂层设备，还以扩大其应用领域更深入的研究，尤其是在硬质合金，陶瓷刀具在该领域的应用。与CVD涂层工艺相比，PVD涂层工艺纳米处理温度低，在600℃以下对刀具材料的抗弯强度没有任何影响;在膜内部的压应力是更适合的硬质合金刀具涂布有复杂的PVD涂层工艺的类型没有不利的环境与绿色产业发展的电流方向的影响，管线;此外，模具涂层随着高速加工时代的到来，高速钢刀具的应用比例下降，硬质合金，陶瓷刀具增加了应用程序的比例成为必然，而从90年代初期，因此工业国家开始工作在纳米涂层技术的PVD硬质合金刀具，九十年代中期，硬质合金刀具PVD纳米涂层技术取得了突破性的进展，常用的硬质合金立铣刀，钻头，阶梯钻，钻孔，铰刀，丝锥，可转位铣刀片，形工具，焊接工具等的涂覆方法。 

    而在中国，引进的纳米涂层技术城外不久，自主研发更新尚未成熟的条件下，所以相对于国外先进的纳米涂层相比还有一定的差距，需要投入更多的资金，精力来更新，新的，先进的纳米涂层技术，管理流程的发展，以提升我们的涂料行业的竞争力。

PVD是：Physical Vapor Deposition英文的缩写，中文意思是：物理气相沉积。主要意思是指在真空条件下，在真空状态下注入氩气，氩气桩基靶材，靶材分离成分子被导电的货品吸附形成一层均匀光滑的表面层。

PVD涂层镀膜技术主要分为：真空离子镀膜，真空溅射镀，真空离子镀膜。我们经常说的PVD镀膜就是指真空离子镀膜，近几年来，真空离子镀膜技术发展是最快的，它已经成为当今社会最先进的表面处理方式之一。PVD镀出的膜层硬度高，耐磨性强，耐腐蚀性好，化学性稳定，而且膜层寿命长。PVD真空镀膜

PVD镀膜可以镀膜出的颜色种类：可镀IPG、IP紫色、IP玫瑰金色、IP钨钢色、IP铬色、IP咖啡色、IP红、IP钛色、IP蓝色及IP黑、枪色、ＩＰ灰等，可以通过控制镀膜过程的相关参数来控制镀出来的颜色，镀膜结束后可以用相关的仪器对镀膜出来的颜色进行检查，使颜色得到准确来满足客户要求。

PVD镀膜膜层的厚度为微米级，厚度较薄，一般为0.3μm ～5μm，其中装饰镀膜膜层的厚度一般为0.3μm ～1μm ，因此可以在几乎不影响工件原来尺寸的情况下提高工件表面的各种物理性能和化学性能，镀后不须再加工。

PVD涂层技术可在充分发挥的加工形态中加以利用

    PVD涂层加工可在充分发挥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涂层加工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。 

      模具涂层最好涂布中，为了保护，绝缘，装饰而涂抹成固体连续薄膜涂层，金属，织物，塑料基片上的涂层，例如塑料层。不适用模具涂层会有很大的影响吗？简单地说，使用模具涂层中最主要的目的降低成本，无利不起早，将模具的寿命延长，从而降低了模具的投资成本，减少了停机时间，提高生产率说是涂层的效果不如说是研发它的原因。此外，该模具可在干燥或微润滑，节省操作和处理的成本。鉴于效率，通过在模具和涂层的模具稳定性属性是在运行，从而增加每单位时间的产率的情况下，更高的生产率。 

      用于发动机和机械部件，该涂层通过减少磨损和提高质量，在医疗现场设备减少摩擦，涂层提供了更长的时间的保护，可用于彩色编码，减少工具的反射，减少钻井工作温度，以避免骨损伤在高温下，所以使用这种涂层可以让你的工厂持续高效的向国内外输送产品，利润滚滚而来，在紧张的生产期完美完成订单。

      PVD纳米只有大约3μm，该涂层是其优异的播放功能的涂层厚度，粘附于基材的临界很大的关系。因此，基板的表面状态起着重要的作用。所述基板的机械性能必须是最好的情况，为了充分发挥涂层的功能。

      PVD涂层加工技术出现于20世纪70年代末期，由于可以控制在500℃以下的纳米涂层处理过程的温度，所以最终的治疗过程可以用作涂层高速钢切削工具。 PVD纳米涂层技术，可大大提高高速钢刀具，所以迅速的推广应用该技术在八十年代。八十年代末工业的高速钢切削工具开发的PVD涂层的比例已经超过60％，被广泛应用。 

    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。

      真空PVD涂层加工技术起步时间不长，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(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。

      PVD涂层加工技术在高速钢刀具领域的成功应用，引起了极大的关注在世界各地，人们都在竞相开发的同时，高性能，高可靠性的纳米涂层设备，还以扩大其应用领域更深入的研究，尤其是在硬质合金，陶瓷刀具在该领域的应用。

     与CVD涂层工艺相比，PVD涂层工艺纳米处理温度低，在600℃以下对刀具材料的抗弯强度没有任何影响;在膜内部的压应力是更适合的硬质合金刀具涂布有复杂的PVD涂层工艺的类型没有不利的环境与绿色产业发展的电流方向的影响，管线;此外，模具涂层随着高速加工时代的到来，高速钢刀具的应用比例下降，硬质合金，陶瓷刀具增加了应用程序的比例成为必然，而从90年代初期，因此工业国家开始工作在纳米涂层技术的PVD硬质合金刀具，九十年代中期，硬质合金刀具PVD纳米涂层技术取得了突破性的进展，常用的硬质合金立铣刀，钻头，阶梯钻，钻孔，铰刀，丝锥，可转位铣刀片，形工具，焊接工具等的涂覆方法。