1 引言
本世紀六十年代末，用化學氣相沉積(CVD)法在硬質合金刀具表面沉積TiN和TiC等硬涂層的技術被產業界廣泛應用，這些硬涂層一般可使刀具壽命進步4倍以上，極大地改善了刀具的切削性能，進步了切削效率。但由于CVD法的涂覆溫度在1000℃以上，因此不適宜用于高速鋼刀具的涂層。八十年代初，用物理氣相沉積(PVD)法成功地實現了對高速鋼刀具和硬質合金刀具的涂層。此后，各種新的涂層方法和涂層材料不斷出現，目前刀具涂層技術的研究和開發正方興未艾。
2 刀具PVD涂層方法
目前常用的刀具PVD涂層方法主要有以下六種：低壓電子束蒸發(LVEE)法、陰極電弧沉積(CAD)法、三極管高壓電子束蒸發(THVEE)法、非平衡磁控濺射(UMS)法、離子束協助沉積(IAD)法和動力學離子束混合(DIM)法。這幾種涂層方法的原理有相似之處，都是通過氣相反應過程，使蒸發或濺射出的金屬原子(或引進反應室的氣體原子或離子)發生氣相反應，從而在刀具表面沉積出所要求的化合物。這幾種涂層方法的主要差別在于沉積材料的氣化方法不同(或通過蒸發或通過濺射)，以及產生等離子體的方法不同(導致等離子體中的離子數、電子數、中子數不同)，致使成膜速度和膜層質量存在差異。LVEE法能有效地離化蒸發的原子，離化率可達50%。CAD法利用電弧產生的火花從靶面蒸發材料，且能有效離化蒸發原子和反應氣體，離化率高達90%。高離化率可促進氣相反應，形成與基底附著力強的致密涂層。但CVD法輕易產生直徑達1～15μm的金屬液滴(稱為宏觀粒子)，這些宏觀粒子埋進生長膜，會損害涂層的表面光潔度。采用電弧過濾可獲得較高的沉積速度，但由于高壓電子束的離化截面小，因而離化效率較低，THVEE法則可克服這一缺點，且離化率可通過改變其它工藝參數加以控制。UMS法的沉積速度很快，能產生非常致密且附著力強的膜層，但由于多元濺射靶各組元的飽和蒸發氣壓不同，致使膜層的成分較難控制。多靶磁控濺射系統可以同時濺射幾種不同的靶源材料，從而可有效控制膜層的化學成分。磁控濺射可保持襯底溫度在200℃以下。IAD法是應用較為廣泛的刀具涂層方法，可有效地沉積各種硬涂層。在沉積之前，需對襯底進行濺射以往除基體表面的氧化層，這樣可進步涂層質量，使膜層與襯底的結合更為牢固。DIM法利用低能濺射源對靶源材料進行轟擊、濺射和沉積，再通過高能離子注進機對襯底進行注進混合，從而可獲得較其它涂層方法具有更高膜-基結合強度的涂層。對膜層的AES研究表明，在襯底與膜層之間有一混合層，正是這一混合層進步了襯底與膜層的結合強度。
3 刀具PVD涂層技術的發展趨勢
目前，刀具PVD涂層技術存在兩種發展趨勢，一是涂層越來越硬；二是涂層越來越軟。刀具的硬涂層主要是元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族金屬元素與C、N、O等元素的化合物；刀具的軟涂層則主要是MoS2、WS2等硫族化合物。
1）普通硬涂層
最早在高速鋼刀具上使用的涂層是TiN，它是一種簡單的二元涂層，在大多數情況下，這種涂層使切削刀具具有較好的耐磨性。
刀具的切削性能一方面要求涂層與基體之間有較高的結合強度，另一方面要求涂層材料與基體材料之間具有較低的化學活性。TiN等簡單涂層已很難滿足這種要求。假如構成涂層的化合物之間有較好的互溶性，由此構成的復雜涂層就可具有最佳的性能，通過濺射或蒸發鈦靶，通進不同比例的氮氣和乙炔氣，可以獲得TiN、TiC等簡單涂層和Ti(CN)、Ti(CN)2、Ti(CN)3等復雜涂層。表1列出了不同涂層類型和獲得該涂層的工作氣體組分。
表1涂層類型與工作氣體成分
涂層類型 工作氣體成分 總壓力(Pa) 放電電流(A) 偏壓(V)
Ti(CN) N2=100%
C2H2=25% 1.8×10－1 I1=I2=I3=100 V=-150
Ti(CN)2 N2=75%
C2H2=50%
Ti(CN)3 N2=50%
C2H2=75%
TiC N2=25%
C2H2=100%
圖1所示為簡單涂層TiN、 TiC與復雜涂層Ti(CN)的持久性比較。由圖可見，復雜涂層比簡單涂層具有更為優越的持久性。如采用混合多層涂層，則可獲得更好的涂層性能。其方法是首先在刀具基體表面沉積一層TiC，使涂層與襯底具有較好的結合強度，然后在其上沉積不同比例C、N的TiCN涂層，最后沉積一層TiN或TiCN，以產生漂亮的色彩。除TiN、TiC、TiCN等涂層外，較常用的涂層還有氮化鋁鈦涂層，該涂層首先在歐洲開發和使用，初期選用成分為Ti0.75Al0.25N，現在則優先選用Ti0.5Al0.5N，后者可使涂層的氧化溫度進步到700>℃，同時Ti0.5Al0.5N>在空氣中加熱會在涂層表面產生一層非晶態氧化鋁(Al2O3)薄膜，從而可對涂層起到保護作用。在一些高速切削場合，由于該保護層的作用，使Ti0.5Al0.5N>涂層刀具的工作性能優于TiN或TiCN涂層刀具。
圖1 用Kalotester裝置測定的TiN，
TiC與Ti(CN)涂層的持久性指數比較
在刀具硬涂層中， ZrN，TiZrN類金剛石膜涂層(DLC)和金屬 -碳膜涂層也有各自的適用范圍，且其應用圍正在不斷拓展。DLC主要用于有色合金的加工，作為刀具涂層材料，TiZrN已部分取代TiN。金屬 -碳膜涂層已經開始在歐洲使用，但目前還處試驗階段。在可以預見的將來，TiN、 TiCN和Ti0.5Al0.5N在 PVD刀具涂層領域仍將占據主導地位。
2) 新型硬涂層
近年來，在刀具 PVD涂層領域出現了四種硬度更高的新型涂層，即立方氮化硼(CBN)涂層、氮化碳(CNx)涂層、多晶氮化物超點陣涂層和氧化鋁(Al2O3)涂層。
CBN涂層的硬度達5200kgf/mm2，僅次于金剛石，因此CBN涂層刀具可有效地切削淬火鋼和其它難加工合金。CBN薄膜已由很多研究者合成成功，成功的關鍵是采用了IAD技術。目前研究者提出兩種理論來解釋CBN膜生長時離子轟擊的重要性：Kester和 Missier以為離子轟擊的動能傳遞給生長膜，從而促使氮化硼形成立方結構；而Mckenzie等以為是離子轟擊在膜中引起的應力促使氮化硼形成立方結構。但是，一旦CBN膜的厚度超過2000，膜中的應力就會使膜出現分層，正是這些應力限制了CBN膜的厚度。如何合成出厚度超過2000的CBN膜是今后需要解決的一個困難。
假如氮化碳(CNx)涂層能夠形成b-C3N4結構，則理論上可以計算出它的硬度將比金剛石還要高。目前雖已有合成氮化碳的報道，但還未能成功地沉積出b-C3N4膜，通常獲得的氮化碳晶體氮原子不足或只能獲得非晶態的氮化碳，獲得的CNx中的含氮量在0.1≤X≤1范圍內。透射電鏡研究表明，大塊的氮化碳膜是非晶態，而在非晶態的基體中存在納米晶區，這些納米晶體有可能是所要求的C3N4化合物，但還需要用分析技術加以證實。這些非晶態膜的硬度范圍為1500～ 7000kgf/mm2，而硬度值集中出現在1500～ 2500kgf/mm2之間。
氮化物超點陣涂層是一種非常有希看的新型PVD刀具涂層。當多層超點陣中最小雙層點陣的重復周期在5～ 10nm時，涂層的硬度和強度將明顯進步。初期的研究工作表明，單晶氮化物超點陣TiN/VN涂層的最大硬度可達5600kgf/mm2，而TiN/NbN涂層的硬度可達5100kgf/mm2，比均勻的單晶涂層TiN， VN和NbN的硬度(1700～ 2300kgf/mm2)高得多。盡管單晶超點陣涂層在科學上具有重要意義，但在刀具(例如M2高速鋼刀具)上獲得的超點陣涂層是多晶體的。多晶TiN/NbN和TiN/VN超點陣涂層的硬度分別為5200kgf/mm2和5600kgf/mm2。多晶超點陣涂層的高硬度表明它們能很好地適用于磨削加工。研究者以為，多晶超點陣涂層的高硬度主要是由于層內或層間位錯運動困難所致。當涂層非常薄時，假如層間位錯能量有較大差異(位錯能量差異代表兩種材料切變模量的差異)，則層間位錯運動相當困難，即位錯運動的能量決定了超點陣涂層的硬度。超點陣涂層存在一個最佳周期，這一最佳周期使涂層具有最大硬度，對于TiN/NbN和TiN/VN涂層，這一最佳周期值在4～ 8nm范圍內。
氧化鋁(Al1O3)PVD涂層主要是采用射頻(r.f)二極管濺射Al2O3靶或在Ar/ O氣氛中濺射Al靶的方法沉積而成。r.f功率源可以濺射非導電材料并阻止在靶上產生弧光放電。由于Al2O3的沉積速度很低且涂層為非晶態，因此這種涂層不能用于刀具涂層。目前已有沉積晶態g-Al2O3的報道，在襯底溫度400℃、襯底偏壓－140V的條件下，用等離子體協助ECR過程可獲得這種晶態沉積膜。晶態Al2O3將可作為性能穩定的刀具涂層。
3) 軟涂層
涂層的高硬度是過往涂層技術研究與開發中追求的主要目標。然而，并非所有材料都適于采用硬涂層刀具加工，如航空航天產業使用的很多高強度鋁合金、鈦合金或貴金屬材料等都不適適用硬涂層刀具加工，目前此類材料仍主要使用無涂層的高速鋼或硬質合金刀具加工。刀具軟涂層的開發則可較好地解決此類材料的加工題目。刀具軟涂層的主要成分為硫族化合物(如MoS2、WS2等)。采用MoS2涂層的高速鋼刀具在加工高強度鋁合金、鈦合金方面顯示出了優異性能，且能獲得優良的加工表面粗糙度。表2為粘結硬質合金端面銑刀與MoS2涂層的高速鋼端面銑刀加工Al-Cu-Mg合金時的性能比較。
表2 MoS2涂層高速鋼端銑刀與硬質合金端銑刀加工Al-Cu-Mg合金的性能比較
切削參數 硬質合金
端銑刀 MoS2涂層高速鋼
端銑刀
轉速n(r/mm) 2500 1900
進給速度vf(r/mm) 600 1900～2500
吃刀量(mm) 20 22
銑刀直徑(mm) 40 40
圖2所示為 TiN、TiCN、MoS2>涂層的高速鋼刀具，TiCN涂層的硬質合金刀具以及未涂層的高速鋼刀具和硬質合金刀具在加工熟鋁合金時的切削效率比較。
圖2 不同涂層刀具及未涂層刀具加工熟鋁合金的切削效率比較
從表2和圖2可看出，MoS2涂層的高速鋼刀具在加工上述合金材料時切削效率可進步3～4倍以上。此外，MoS2涂層的高速鋼刀具在加工Pt-5%Cu合金表殼時同樣顯示了良好的切削性能，與TiCN、CrN、CrC、TiN和DCL涂層刀具以及不涂層的高速鋼刀具和硬質合金刀具相比，生產率可進步20倍以上，刀具壽命可進步7倍以上，而且可獲得優良的加工質量。
4 結論
刀具PVD涂層技術的發展對改善刀具切削性能、進步加工質量、降低生產本錢起到了巨大作用。目前TiN、TiC、TiCN及Ti0.5Al0.5N等硬涂層在刀具涂層領域仍占主導地位。同時，CBN、CNx、Al3O2和多晶氮化物超點陣等新型超硬涂層正在研究開發之中，并顯示出良好的發展遠景。
在發展硬涂層的同時，MoS2、WS2等硫族元素軟涂層的開發也取得了長足進展，研究表明，這些軟涂層在加工高強度鋁合金及貴金屬方面顯示出令人鼓舞的應用遠景。(end)