刀具PVD涂層蒸鍍工藝機(jī)理及發(fā)展?fàn)顩r

【摘 要】當(dāng)前，制造業(yè)已發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變，切削刀具制造技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。由于刀具涂層技術(shù)可大幅度地提高切削刀具的綜合性能，尤其是近年來PVD設(shè)計(jì)概念的提出，在理論上可有效地改善刀具的高溫性能，使涂層刀具應(yīng)用于高速、干式切削加工成為現(xiàn)實(shí)。

【關(guān)鍵詞】刀具涂層；PVD技術(shù)；蒸鍍工藝；發(fā)展?fàn)顩r

0.引言

先進(jìn)刀具有三大技術(shù)基礎(chǔ)：材料、涂層和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。國(guó)內(nèi)PVD涂層技術(shù)的研發(fā)工作始于八十年代初，八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機(jī)及高速鋼刀具TiN涂層工藝技術(shù)。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的迅速崛起、先進(jìn)制造技術(shù)的大量引進(jìn)及數(shù)控加工技術(shù)大面積的普及，自本世紀(jì)初，PVD技術(shù)在國(guó)內(nèi)掀起了第二次開發(fā)熱潮。

先進(jìn)的涂層設(shè)備為涂層技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了重要條件，尤其是PVD涂層工藝技術(shù)，一方面，在改進(jìn)控制技術(shù)，提高等離子體密度、提高磁場(chǎng)強(qiáng)度、改進(jìn)陰極靶的形狀、實(shí)現(xiàn)過程的計(jì)算機(jī)全自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得了全面的進(jìn)展，從而使涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、涂層的性能有顯著的提高。

1.PVD涂層蒸鍍技術(shù)機(jī)理

1.1 PVD涂層概述。

1.1.1 PVD簡(jiǎn)介

PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理氣相沉積）的縮寫，是指在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質(zhì)與氣體都發(fā)生電離，利用電場(chǎng)的加速作用，使被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件上。它的作用是可以是某些有特殊性能（強(qiáng)度高、耐磨性、散熱性、耐腐性等）的微粒噴涂在性能較低的母體上，使得母體具有更好的性能！

PVD 法中有蒸鍍、離子鍍、濺射鍍等三種方法。在各種方法中，由于蒸發(fā)、等離子化（離子化 ）手段的不同，有各種各樣的方法。

1.1.2涂層PVD蒸鍍技術(shù)

1.2 PVD涂層蒸鍍技術(shù)機(jī)理

1.2.1真空蒸發(fā)的主要制備

a.真空室，為蒸發(fā)提供必要的真空；b.蒸發(fā)源和蒸發(fā)加熱器，放置蒸發(fā)材料并對(duì)其進(jìn)行加熱；c.基板，用于接收蒸發(fā)物質(zhì)并在其表面形成固體蒸發(fā)薄膜；d.基板加熱器；測(cè)溫器。

要實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)法鍍膜，需要三個(gè)最基本條件：加熱，使鍍料蒸發(fā)；處于真空環(huán)境，以便于氣相鍍料向基片運(yùn)輸；采用溫度較低的基片，以便于氣體鍍料凝結(jié)成膜。

1.2.2真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)過程

（1）加熱蒸發(fā)過程。

包括從凝聚相 轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵ü滔嗷蛞合鄽庀啵┑南嘧冞^程。每種物質(zhì)在不同溫度有不同的飽和蒸汽壓；蒸發(fā)化合物時(shí)，其組分之間發(fā)生反應(yīng)，其中有些以氣態(tài)或蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)空間。

（2）氣化原子或分子在蒸發(fā)源與基片的運(yùn)輸。

這些粒子在空間的飛行過程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰撞的次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的 氣體分子發(fā)生碰撞的次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的平均自由程以及 基距。

（3）蒸發(fā)原子或分子在基片上沉積的過程。

蒸氣凝聚、成核、核生長(zhǎng)、形成連續(xù)薄膜。由于基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，沉積物分 基板溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)源溫度，因此，沉積物分子在基板表面將直接發(fā)生從氣相到固相的相變過程。

（4）真空環(huán)境的作用。

蒸發(fā)物原子或分子將與大量空氣分子碰撞，使膜層受到污染；甚至形成氧化物或者蒸發(fā)源被加熱氧化燒毀或者由于空氣分子的碰撞阻攔，難以形成均 勻連續(xù)薄膜。

1.3蒸汽壓與蒸發(fā)材料的選擇

飽和蒸汽壓與溫度的關(guān)系對(duì)薄膜制備技術(shù)很重要，根據(jù) “金屬元素的平衡蒸氣壓隨溫度的變化曲線圖”來合理選擇蒸發(fā)材料，即確定蒸發(fā)條件。

1.4蒸發(fā)所需熱量和蒸發(fā)離子的能量

電阻式蒸發(fā)源所需熱量，除將蒸發(fā)材料加熱所需熱量外，還必須考慮蒸發(fā)源在加熱過程中產(chǎn) 需熱量外，還必須考慮蒸發(fā)源在加熱過程中產(chǎn)生的熱輻射和熱傳導(dǎo)所損失的熱量。即蒸發(fā)源 生的熱輻射和熱傳導(dǎo)所損失的熱量。即蒸發(fā)源所需熱量的總量 Q（即為蒸發(fā)源所需要的總功 ）為：

Q=Q1+Q2+Q3

Q1為蒸發(fā)材料蒸發(fā)時(shí)所需的熱量。

Q2為蒸發(fā)源因熱輻射而損失的熱量。

Q3為蒸發(fā)源因熱傳導(dǎo)而損失的熱量。

蒸發(fā)熱量Q值的80%以上是作為蒸發(fā)熱而消耗 。此外，還有輻射和傳導(dǎo)損失的熱量。

2.刀具PVD涂層蒸鍍技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

2.1 PVD涂層蒸鍍技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）能在低溫條件下獲得性能良好的膜層，涂敷溫度大約在200～600℃。PVD之前要進(jìn)行熱處理與精加工，然后再進(jìn)行PVD處理，PVD（物理氣相沉積）時(shí)，溫度越高，附著力越強(qiáng)，由于沉積溫度要低于基體熱處理時(shí)的回火溫度，所以在熱處理時(shí)盡量選用高溫回火工藝。另外，基體材料硬度越高，高壓下的耐剝離性能越好，因此，盡量選用高溫回火下硬度高的材料。（高速鋼>冷鍛模具鋼>低合金鋼）。

（2）除鋼鐵材料外，PVD法還可用于一部分銅合金、鎳、鎳合金、鈦、鈦合金，一部分鋁合金等非鐵金屬。

（3）對(duì)基材的熱影響小。因此適用于尺寸精度，形狀精度要求高的工件。但是對(duì)于鋼材，沉積時(shí)要進(jìn)行 高溫回火，并且在高溫回火溫度下涂敷。

（4）膜層表面光滑。但是，如果基體表面粗糙，沉積后表面仍粗糙 ，因此 ，沉積前要進(jìn)行精加工。

2.2 PVD涂層蒸鍍技術(shù)發(fā)展存在的主要問題

（1）對(duì)PVD技術(shù)認(rèn)識(shí)不足：我國(guó)在PVD技術(shù)的引進(jìn)和消化中，各大工具企業(yè)，注重引進(jìn)設(shè)備，忽略對(duì)涂層 工藝及材料的研究，對(duì)其后續(xù)發(fā)展空間及發(fā)展速度沒有充分估計(jì)，致使引進(jìn)大量PVD設(shè)備后，并沒有跟上 國(guó)際的步伐，刀具行業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益并不明顯。此外，PVD技術(shù)是集電子物理、材料、真空控制等技術(shù)的新型技術(shù)；新工藝新裝備的研發(fā)，不僅要有一定時(shí)間，而且研發(fā)費(fèi)用也很高，使得許多企業(yè)不得不放棄或停止這方面的投入。

（2）涂層質(zhì)量不穩(wěn)定：由于我國(guó)開發(fā)的PVD設(shè)備沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，涂層的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也不完善，設(shè)備的工藝水平相差很多，導(dǎo)致涂層的質(zhì)量不穩(wěn)定。刀具的涂層只能集中在麻花鉆、銑刀、絲錐等低值易耗產(chǎn)品中，所以在應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)造成了涂層成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定、涂層刀具性能改善不明顯的不良印象，從而嚴(yán)重影響了刀具涂層技術(shù)的推廣應(yīng)用和快速發(fā)展。

（3）整體配套性差，應(yīng)用基礎(chǔ)研究缺乏。

整體配套性差、應(yīng)用基礎(chǔ)研究缺乏一直是困擾國(guó)內(nèi)刀具涂層技術(shù)發(fā)展的瓶頸。目前刀具涂層的趨勢(shì)是以發(fā)展涂層加工中心為主，因此技術(shù)的整體性極為關(guān)鍵，前處理技術(shù)、涂層工藝技術(shù)、后處理技術(shù)及質(zhì)量控制技術(shù)都是應(yīng)予考慮的。而國(guó)內(nèi)涂層設(shè)備制造商大多僅以提供涂層主機(jī)為主，這種模式阻礙了工業(yè)化生產(chǎn)的快速推進(jìn)；另一方面也造成設(shè)備制造商與市場(chǎng)的嚴(yán)重脫節(jié)，制約了技術(shù)的良性發(fā)展，使得創(chuàng)新無從談起。

3.結(jié)語

盡管目前國(guó)內(nèi)刀具涂層技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相比存在較大差距。“十年樹木、百年樹人”，我們要克服浮燥心理和急功近利的思想，重基礎(chǔ)重實(shí)踐努力造就一大批掌握先進(jìn)切削技術(shù)基礎(chǔ)、懂得先進(jìn)切削理念、有創(chuàng)新意識(shí)和解決實(shí)際問題能力的切削工程師和新一代的刀具大王。這才是進(jìn)一步提高切削加工的生產(chǎn)效率和更快地趕超切削刀具先進(jìn)水平的根本途徑。 [科]