工具涂层技术的演进脉络、现状剖析与发展趋向

学术工业农业 2024-10-29 14:42 中国

一、演进历程

真空涂层技术的兴起时日尚短，国际领域于上世纪六十年代将 CVD（化学气相沉积）技术应用于硬质合金刀具方面。然而，该技术在发展初期面临诸多桎梏，因其需在高温环境下运作（工艺温度高于 1000ºC），且涂层品类单一，局限性显著，故而发展态势不尽人意。

至上世纪七十年代末，PVD（物理气相沉积）技术崭露头角，为真空涂层领域开启了一片充满希望的新空间。此后短短二三十年间，PVD 涂层技术得以迅猛发展，究其缘由，主要体现在以下几个方面：其一，该技术在真空密封的腔体内实现成膜过程，几乎不会产生任何环境污染问题，高度契合环保理念；其二，能够造就光亮、华贵的表面效果，在颜色呈现上极为丰富，成熟的色彩涵盖七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色以及由金黄色到黑色之间的各类色调，足以满足多样化的装饰需求；其三，通过该技术能够轻而易举地获取高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层以及复合涂层，应用于工装和模具领域时，可使使用寿命大幅提升，从而出色地达成低成本、高收益的目标；其四，PVD 技术兼具低温和高能的特性，几乎能够在任何基材上实现成膜操作，因此其应用范畴极为广泛，发展速度迅猛也就不足为奇了。

现今，真空涂层技术领域又涌现出 PCVD（物理化学气相沉积）、MT - CVD（中温化学气相沉积）等新型技术，各类涂层设备以及工艺如雨后春笋般不断涌现，呈现出一片繁荣昌盛、百家争鸣的景象。然而，我们必须清醒地认识到，真空涂层技术的发展存在着严重的不平衡性。鉴于刀具、模具的工作环境极为严苛，对薄膜附着力的要求远远高于装饰涂层。因而，尽管从事装饰涂层生产的厂家遍布各地，但能够生产工模涂层的厂家却为数不多。加之刀具、模具涂层在售后服务方面存在欠缺，截至目前，国内多数涂层设备厂家无法提供完整的刀具涂层工艺技术体系，其中包括前处理工艺、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，这要求工艺技术人员不仅要精通涂层专业知识，还需具备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、刀具与模具涂层的合理选择以及上机使用的技术要求等知识储备。倘若其中任何一个环节出现问题，都可能导致使用者得出使用效果不理想的结论。所有这些因素，都对该技术在刀具、模具领域的应用形成了严重制约。另一方面，由于该技术属于一门横跨材料学、物理学、电子学、化学等多学科的新兴边缘学科，国内将其应用于刀具、模具生产领域的少数骨干厂家，大多采用从国外引进先进设备和工艺技术的方式，尚需经历一个消化、吸收的过程。因此，国内目前在该领域的技术力量与技术发展状况极不相称，迫切需要奋起直追，实现技术突破与提升。

二、现状剖析

（一）PVD 技术概览

PVD 即物理气相沉积，涵盖了真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等多种方式。其中较为成熟的 PVD 方法主要包括多弧镀与磁控溅射镀两种。

多弧镀

设备结构相对简易，操作简便易行。其离子蒸发源依靠电焊机电源即可工作，引弧过程与电焊颇为相似。具体而言，在特定的工艺气压条件下，引弧针与蒸发离子源短暂接触后断开，从而引发气体放电。
优势所在：多弧镀的成膜原理是借助持续移动的弧斑，在蒸发源表面连续形成熔池，使金属蒸发后沉积于基体上形成薄膜。具有靶材利用率高、金属离子离化率高以及薄膜与基体结合力强等优点。在涂层颜色方面表现出色，尤其是在制作 TiN 涂层时，每一批次都能够较为容易地获得相同且稳定的金黄色，这是磁控溅射法难以企及的。
不足之处：当采用传统的 DC 电源进行低温涂层操作时，一旦涂层厚度达到 0.3μm，薄膜表面会开始变得朦胧。此外，多弧镀的另一个短板是其沉积颗粒较大，致密度较低，导致耐磨性相较于磁控溅射法成膜要差。

磁控溅射镀

（一）当前状况：一些发达国家在传统磁控溅射原理的基础上，进行了一系列技术创新。例如，采用非平衡磁场取代原先的平衡磁场，使用 50KHz 的中频电源替换原来的直流电源，以脉冲电源替代以往的直流偏压，并引入辅助阳极技术等。这些技术改进使得磁控溅射技术逐步走向成熟，并已大规模应用于工模涂层领域。目前，已能够稳定生产诸如 TiAlN、AlTiN、TiB2、DLC、CrN 等多种涂层。我国广东、江苏、贵州、株洲等地也陆续引进了此类设备，呈现出良好的发展态势。

（二）多弧镀与磁控溅射镀的融合及应用拓展

为了充分发挥多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各自的优势，实现优势互补，一种将多弧技术与磁控技术相结合的涂层机应运而生。同时，还形成了一种新的工艺方法：先采用多弧镀进行打底，然后利用磁控溅射法增厚涂层，最后再通过多弧镀来实现最终稳定的表面涂层颜色。大约在八十年代中后期，热阴极电子枪蒸发离子镀、热阴极弧磁控等离子镀膜机问世，其应用效果良好，有力地推动了 TiN 涂层刀具的广泛普及应用。

三、工具涂层设备基本构件

（一）真空室

涂层设备主要有连续涂层生产线和单室涂层机两种形式。由于工模涂层对加热以及机械传动部分有着较高的要求，并且工模的形状和尺寸千差万别，连续涂层生产线通常难以满足实际需求，因此往往采用单室涂层机。

（二）真空获得部分

在真空技术体系中，真空获得部分占据着重要地位。鉴于工模件涂层对高附着力的要求，其涂层工艺需要良好的本底真空环境，因此合理选择真空获得设备以实现高真空度至关重要。就当前技术现状而言，尚未有一种泵能够从大气压一直工作到接近超高真空状态。所以，真空的获取并非依靠一种真空设备或方法就能实现，而是需要联合运用多种泵，例如机械泵、分子泵系统等。

（三）真空测量部分

真空系统中的真空测量部分，其主要功能是对真空室内的压强进行精确测量。如同真空泵的情况一样，目前并没有一种真空计能够测量整个真空范围。基于此，人们依据不同的原理和要求研制出了众多类型的真空计。

（四）电源供给部分

靶电源主要包括直流电源（如 MDX）、中频电源（如美国 AE 公司的 PE、PEII、PINACAL）等；而工件本身通常需要添加直流电源（如 MDX）、脉冲电源（如美国 AE 公司生产的 PINACAL +）或者射频电源（RF）。

（五）工艺气体输入系统

工艺气体，如氩气（Ar）、氪气（Kr）、氮气（N2）、乙炔（C2H2）、甲烷（CH4）、氢气（H2）、氧气（O2）等，一般均由气瓶供应，经过气体减压阀、气体截止阀、管路、气体流量计、电磁阀、压电阀等装置后，通入真空室。这种气体输入系统具有管路简洁明了、维修或更换气瓶较为便捷的优点，并且各涂层机之间互不干扰。也存在多台涂层机共用一组气瓶的情况，在一些规模较大的涂层车间较为常见。其好处在于能够减少气瓶的占用量，实现统一规划和布局。然而，这种方式的缺点是接头增多，导致漏气的可能性增加。而且，各涂层机之间会相互干扰，一台涂层机的管路漏气，有可能会对其他涂层机的产品质量产生影响。此外，在更换气瓶时，必须确保所有主机都处于非用气状态。

（六）机械传动部分

刀具涂层要求周边厚度均匀一致，因此在涂层过程中需要具备三个转动量方能满足要求。即在大工件台转动（I）的同时，小的工件承载台也需转动（II），并且工件本身还能够同时自转（III）。在机械设计方面，通常在大工件转盘底部中央设置一个大的主动齿轮，周围配备一些小的星行轮与之啮合，再通过拨叉拨动工件自转。当然，在进行模具涂层时，一般有两个转动量就基本足够了，但此时齿轮的可承载量必须大幅增强。

（七）加热及测温部分

在进行工模涂层时，如何确保被镀工件均匀加热相较于装饰涂层加热而言更为关键。工模涂层设备一般配备前后两个加热器，并采用热电偶进行温度测量。然而，由于热电偶的装夹位置不同，其所测得的温度读数并非工件的真实温度。要想获取工件的真实温度，存在多种方法，这里介绍一种简便易行的表面温度法（Surface Thermomeer）。该温度计的工作原理是，当温度计受热时，底部的弹簧会受热膨胀，从而推动指针使定位指针旋转，直至达到最高温度。在降温过程中，弹簧收缩，指针反向旋转，但定位指针会维持在最高温度位置不动。打开门后，读取定位指针指示的温度，即为真空室内加热时，表面温度计放置位置所曾经达到的最高温度值。

（八）离子蒸发及溅射源

多弧镀的蒸发源通常为圆饼形，俗称为圆饼靶，近几年也出现了长方形的多弧靶，但并未取得明显的效果提升。圆饼靶安装在铜靶座（阴极座）上面，两者通过螺纹连接。靶座中装有磁铁，通过前后移动磁铁能够改变磁场强度，进而调整弧斑移动速度及轨迹。为了降低靶及靶座的温度，需要不断向靶座通入冷却水。为了保证靶与靶座之间良好的高导电、导热性，还可以在靶与靶座之间添加锡（Sn）垫片。磁控溅射镀膜一般采用长方形或圆柱形靶材。

（九）水冷系统

由于工模涂层时，为了提高金属原子的离化率，各个阴极靶座都尽可能地采用大的功率输出，因此需要充分冷却。而且，工模涂层中的许多种涂层，加热温度为 400 - 500ºC，所以对真空室壁、对各个密封面的冷却也非常重要，因此冷却水最好采用 18 - 20ºC 左右的冷水机供水。为了防止开门后，低温的真空室壁、阴极靶与热的空气接触析出水珠，在开门前 10 分钟左右，水冷系统应有能力切换到供热水状态，热水温度约为 40 - 45ºC。

四、发展趋向

（一）涂层成分多元化、复合化

第一代 PVD 涂层主要以 TiN 为主，在此基础上，又陆续发展出 TiC、TiCN、ZrN、CrN、WC 等多种单一金属涂层。随着 PVD 沉积技术的进一步发展，铝元素被加入到涂层中，含铝的多元金属合金涂层如 TiAIN、TiAICN 等应运而生，其耐磨性及红硬性相较于单一金属涂层有了显著提高，能够应用于更高的切削速度，例如在滚切中可达到 150m/min。
后来，将多种不同种类的涂层分层沉积到刀具上以发挥不同涂层的优势成为了一种趋势，例如 TiN + TiCN + TiN，TiN + TiALN，TiAIN + WC/C 等组合方式。
近年来，PVD 涂层技术又向前迈出了重要一步，国外多家涂层公司已成功开发出了脉冲涂层技术并开始投入应用，如瑞士 Balzers 公司的 P3E（Pulse Enhanced Electron Emission 脉冲增强电子发射）技术，德国 Cemecon 公司的 H.I.P_（High Ion Pulse，高能粒子脉冲）技术。这两种新技术均是利用脉冲电子激活电弧蒸发靶材，由于该工艺可在氧气氛围中运行，所以从理论上讲，利用这种工艺几乎可以沉积任何金属氧化物（如 A12O3，ZrO2，Cr2O3，Ta2O5 等）及其化合物涂层。目前，A12O3 涂层已进入实用试验阶段，相信在不久的将来就会得到广泛应用。

（二）涂层的应用开发更具针对性

为了满足不同的应用需求，涂层的开发设计愈发具有针对性。针对钻削、铣削、干式滚切、冲压、拉深等不同的应用领域的特点和特性要求，开发出在这些方面具有相对优势的涂层。经过不断的努力和尝试，在某些领域已经取得了成功，例如高铝含量约 TiX（Al：Ti = 2：1）涂层应用在铣削上，不含 Ti 的涂层 AICrN 应用于高速干式滚切上，复合涂层 CrN + TISIN 应用在钻削上，复合涂层 TIN + TCX 应用在深拉模具上，其寿命都明显优于其他涂层。另外，针对抗腐蚀（Crx 涂层）、“自润滑（WC/C 涂层）、软材料加工（MoS2 涂层）、高硬材料加工（CBN、Dimond 涂层）等各种具有针对性的涂层早已获得了广泛应用。尽管这些涂层在各自的领域应用非常成功，但随着 PVD 涂层技术的不断发展，新的更具针对性的涂层也会持续不断地被开发出来，以替代现有的这些涂层。

（三）涂层的沉积颗粒趋于纳米化

随着纳米技术的发展以及涂层技术的进步，纳米刀具涂层引起了广大研究者和 PVD 涂层服务公司的高度关注。涂层沉积颗粒的纳米化，能够增强涂层与基体以及各层之间的结合强度，同时还可以降低涂层表面粗糙度。目前，大多数涂层的沉积颗粒仍然较大，虽然存在一些被称为纳米级的涂层，但在涂层的最后表面上仍然能够发现较大的颗粒，涂层表面仍然较为粗糙。减小涂层沉积颗粒的大小并保持工艺稳定，以避免较大异常颗粒的出现，将成为涂层发展的又一个重要方向，尤其是在镜面上的应用。尽管已有公司开发出镜面涂层，但质量和稳定性较差，而且工艺也较为复杂。在未来的涂层研发中，涂层颗粒的纳米化以及涂层层间厚度的纳米化将是主要的发展方向，这对于提高涂层的综合性能，降低层间应力具有重要的意义，同时会进一步提高镜面的光洁度，从而进一步拓展涂层在精密成型行业的广泛应用。

（四）涂层的工艺温度越来越低

从一般 CVD 涂层 1000℃左右的沉积温度到 PVD 和 PECVD 涂层 500℃左右的沉积温度，涂层的沉积温度已经有所降低，因此涂层的应用范围也得到了扩大。然而，500℃左右的沉积温度仍然会对涂层工件产生不良影响，例如导致工件变形、基体硬度降低等。因此，需要对涂层工件的前期热处理提出特殊要求，例如工件的回火温度不得低于涂层温度。更低温度的涂层，如涂层温度在 200℃以下，将消除这些限制，使得可用于涂层的材料种类更多，前期热处理的选择更加灵活，不同的表面改性技术的综合应用将更加可行。同时，低温涂层的应用，还会降低涂层设备的能耗，在节约能源方面具有一定的环保作用。另外，涂层温度的降低，使得加热和冷却时间减少，也会缩短涂层的交货周期，提高效率。所以，低温涂层将会极大地促进涂层的应用与普及，必将成为 PVD 涂层发展的一个重要方向。

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