纳米复合涂层技术的最新发展与思考

纳米复合涂层技术的最新发展与思考 高新技术 Q: ScienceandTechn010gyInnovationHerald 纳米复合涂层技术的最新发展与思考 毛延发’宫永辉 (1.西安建筑科技大学陕西西安 韩培刚.兰新哲’周廉’ 710055;2深圳大学广东深圳518060 3.深圳市广大纳米工程技术有限公司广东深圳518060) 摘要本文介绍了纳米复合涂层技术的发展,介绍了Ti—AI—N纳米复合硬质涂层技术的最新进展,就该类涂层在精密模具加工刀具和 精密汽车配件加工刀具上的应用及其在中国制造业发展中的作用和意义做出了评述. 关键词t超硬涂层ri—AI—NAI一…II_进展 中图法分类号:rJ{43文献标识码:A文章编号:I674—098x(2008)04(a) 一0003—02 1前言 材料表面技术,拓宽了材料的应用领 域,延长了材料的使用寿命,达到节约材料 和能源的目的….表面气相沉积纳米复合 涂层技术是近年来发展迅猛的表面强化技 术,它主要包括物理气相沉积(PVD)和化学 气相沉积(CVD).PVD和CVD这两种技术 都属于物料接近原子量级或分子量级分散 的表面沉积技术,能很方便地制备各种金 属膜,合金膜和难熔化合物膜,通过改变 工艺参数能人为地控制膜层的化学成分, 晶体结构和生长速率,可以制备单层膜, 多层膜和复合膜等.目前全球切削工具的 市场规模约l00亿美元l2【.随着制造技术的 高速发展,汽车行业以及模具行业等需求 大户(用量超过70%)埘刀具提出了更高的 需求,而较高的转速,较小吃刀深度,大进 给的技术要求则给PVD纳米复合涂层提供 _r广阔的应用空间. 2国内外纳米复合涂层技术的发展现状 2.1国外发展现状 为适应IT产业和汽车等行业对高性能 工具快速增长的需求自20世纪50年代开 始,日本,美国和欧洲的工具业投入大 量的研发资金发展纳米复合涂层技术,原 联邦德国某公司用CVD 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 在硬质合金刀 具上涂镀了2,3(m厚的TiC涂层,使刀具 的使用寿命提高了一倍.随后科研工作者 又采用cVD实现了TiN涂层,并发现涂镀 TiN后刀具不仅室温硬度高,且红硬性,韧 性,高温抗氧化性均优于碳化钛,即具有 较好的综合性能,因而迅速实现了商业化. 进入2O世纪6O年代,因CVD沉积后普 遍存在着过烧,失碳,晶粒长人,品问腐 蚀等缺陷,PVD涂层技术逐渐得到重视. l963年,D.M.Mattox提出了离子镀技术, 并与l967年获得了美国专利.1965年美 周IBM公司研制出射频溅射法,1972年美 国加州大学Bullshan发明了活性反应镀技 术,1973年前苏联又推出了多弧离子镀, 1978年日本真空技术公司用宅心阴极离子 镀在铣刀表面涂镀TiN涂层后首先获得突 破,到了l979年,涂镀2gmTiN涂层已使滚 刀寿命提高3倍.继日本之后,欧洲各国也 在该领域取得-『成果.原联邦德国的 LegbodHeracus公司采用磁控溅射,列 支敦Balzers公司采用热丝阴极离子镀分别 获得快速发展.由此,可实现低温沉积的 PVD技术迅速发展成熟. 进入20世纪末,国外离子镀技术有r 长足的进步I.首先,电弧离子镀己经取代 了其他各种类型的离子镀,成为当前氮化 钛涂层工业最重要的生产工艺.其次,作 为氮化钛涂层的良好补充和扩展,出现了 一 系列新型涂层材料,如钛基复合氮化物 和碳氮化物涂层,其他金属的氮化物,碳 化物及多元难熔高硬度化合物涂层,多层 复合涂层等,形成了较完整的高性能防护 涂层体系.已开发成熟的TiAl—N涂层全 面向产业化发展,TiAlN涂层主要由 (Ti,A1)N(fcc)相组成,此外还有(TiA1)N (hcp)和(TA1)N(CuTiO结构)在Ti- Al—N晶体涂层中,Al原子置换TiN中的一 部分Ti原子后使品格发生畸变.品格畸变 度人的涂层,一方面晶界增多,另一方面位 错较多且易滑移而导致硬度提高.同 时,Al元素还大大降低了TiN涂层高速切 削时的氧化磨损,当刀具/工件接触区温 度超过约750?时,高温使涂层外表面生成 的氧化铝,既能阻止进一步氧化,也能在工 件接触区起保护刀具的作用,延长了刀具 寿命. 22国内发展现状 我国cVD涂层技术的研究起源于20 世纪70年代初I,由于该项技术的专用性 强,国内从事其研究的单位并不太多.我 国PVD涂层技术的研发工作始于20世纪 80年代初,20世纪80年代中期,国内cVD 氧化漓匿《?》 图l硬质几家大工具 企业也投人巨资引进国外先进设备进行工 艺开发,但技术水平均达不到规模涂镀高 品质刀具的要求,能够实现TiA1一N规模 化涂层的企业寥寥无几.市场调研发现, 国内TiA1一N涂层刀具90%以由国外或 台湾进口.图l所示为硬质涂层产品的发 展进化过程.目前国外刀具涂层技术已发 展到第四代水平,而国内总体水平仍在第 二代,且以单层膜为主.从商业应用角度 看,国内的PVD刀具涂层技术落后于技术 先进国家十年左右II. 我国的台湾地区Ti—A1一N超硬涂层发 备与生产已进入产业化阶段,技术成熟稳 定.根据用户要求,可以通过调整涂层工 艺,制造出不同硬度,同颜色的Ti—AI, N和高Al含量的A卜Ti—N纳米超硬涂层 刀具.近年来,香港特区投人大笔资金支 持Til__A1N等超硬涂层研究开发,日前总 体技术也接近国际先进水平. 3Ti—AI—N涂层制备方法及与其他硬质涂 层主要性能比较 3.1Ti—Al—N涂层的制备方法 TiAl_N涂层的制备方法主要有三 种:阴极真宅电弧沉积,磁控溅射离镀 和ABs法,下面分别进行简单介绍. (1)阴极真空电弧沉积:阴极真审电弧 沉积又称为电弧离子镀沉积,通过弧光放 电产生Ti,A1离子,被离化的金属离子以 60至l00eV平均能量蒸发出来形成高度激 发的离子束,在含有惰性气体或反应气体 的真空环境下沉积存被镀工件表面.优点 是离化率较高,沉积速率较快,涂层与亡仁卜 的结合力较好,是工业领域沉积硬质涂层 的最优方法.其缺点是由于阴fJ支弧蒸发过 程非常激烈,与蒸发过程较为平和的磁控 离子溅射相比,阴极弧蒸发过程中会产生 较多的金属液滴,使沉积的涂层含有较多 缺陷,且表面光洁度低.图2显示大液滴的 存在对多层膜造成的影响. (2)磁控溅射离镀:磁控溅射离子镀 中Tj,A1离千一般利用Ar气的辉光放电 产生的Ar+轰击靶材产生,并通过静电加 速飞向工件沉积成膜.它既具有磁控溅射 的成膜速率高,膜层厚度均匀的优点,又 具有离镀过程能政变膜基界面的结合形 式,提高膜基附着力,膜层组织致密的优 点.其缺点是靶任镀膜过程中易被污染以 及积速率较低,并且发现当氮分压增加 时,’积速率会减慢II. (3)ABS(ArcBondSputter)法:在该技 术中,阴极既可以电弧的方式进行蒸发 也可以用磁控的方式进行蒸发.在有些沉 积过程中,电弧方式仅用来存实际沉积涂 层之前进行金属离子刻蚀或轰击,实际的 沉积涂层过程仪用非平衡磁控溅射来完 成.由该技术沉积的Ti—A1一N涂层结合力 好,结构敛密,表面光滑…. 32Ti—Al—N涂层与其他硬质涂层主要性 能比较 目前,随着加』市lJ造业的快速发展,精 密加工l殳备数量急剧增加,刀具对涂层的 要求不断提高,以适高速(超高速),硬 碛(含耐热,难加工),千式,精细(超精细) 切削及高效率数控机加工切削技术要求. I代,Il代硬顷涂层因其基本性能的不足, 市场有率断降低;在IV代涂层中,美 围已经伏现金…石涂层产业化,主要用于 加工含有第二相磨粒的非铁合金(女fI硅铝 合金)以及与硫反应的非金属材料(如金 属基复合材料_年fl纤维增强塑料),目前成本 很高,场推广受限.方氮化硼(CBN) 是氮化硼的高温高压相,硬度仅次于金NII 石,化学稳定性高,此它加:硬的铁材 (50,65『IRC),灰铸钹,高温合金和烧结 的粉末金属时有明显的优越性,皿其技 术的产业化推广尚在进行中.DLc涂层俘 热稳定十牛差的明屁弱点,日-涂层/基体 『口】应力较高,他H~JT-受剑限制,并容易剥 落.综合比较,TiAlN涂层技术最为成 熟稳定,综合性能较高. TiA]N涂层作为一种新型涂层材 料,具有硬度高,氧化温度高,热硬性好, 附着力强,磨擦系数小,导热率低等优良 特性.TiA1N涂层与TiN涂层的主要 物理性能和金属切削性能比较见表l. 表lTiAl—N涂层与TiN涂层的主要物理性能和切削性能比较 涂层性能TIN涂层Ti—Al—N涂层 晶体结构面心立方结构fcc瞄心正方结构fcc 品格常数(A,4.234.17左右 色泽金黄色黑色,紫黑色,紫红色,蓝青色 维氏硬度HV(kgffm)2000左右2800左有 氧化温度?620840 泊松比0.232?()()O2().177?0003 热膨张系数(K一1)9.36X107.5×10. 摩擦系数(钢界面)O4l03(} 高温金,铸铁.不锈钢,高速切削或1-涂层刀具的应用领域碳钢 ,不锈钢有色金楫等jJlII 4科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald 高新技术 4T;一AI—N涂层技术发展与思考 与TiN涂层刀具牛[I比,TiA1N涂层 可起到节约资源,提高工效,降低成本,提 高产品质埴等多方面的效益.目前,无论 是在设备设计和制造,还是涂层技术 国内都比较落后,我们应当重视开发纳米 多层涂层和提高A1的含量II,争取在以下 几方面取得突破: (1)多弧I=艺中产生的大液滴过滤; (2)工艺参数(如弧流,偏压,N,的分压 等)的优化; (3)涂层的结构优f{二(如避免柱状结构 以提高抗腐蚀能力); (4)多元多层涂层开发,研究其他合金 元素如铬(cr),钇(Y),锆(Zr),钒(V),硼, 铪,硅对涂层的影响,通过开发多元纳米 薄膜复合涂层束提高和完善Ti—A1一N涂 层?能. 5结语 当前围家重点鼓励发展的产业,产 品和技术曰录中,精密模具Jm-I刀具和精 密汽车配件加丁:刀具修列其中.而存日本 等工业发达国家,刀涂层技术正是发展 以上行,lk及相关产品的有效手段.我国的 模具行业和汽车产,I正处于快速发展期, 加大TA1,N涂层设备及技术的开发与 推广应用对以上行『k的可持续健康发展意 义重欠. 建议 关于小区增设电动车充电建议给教师的建议PDF智慧城市建议书pdf给教师的36条建议下载税则修订调整建议表下载 通过家有关部『J对该项目 规划及管理怍的加强,”官,产,学,研 商”相结合,使项目政策}:资金上都 能得到有利的支持,lf|现设备设计,制造 与生产]:艺协调并进发展的新局面. 参考文献 fI』朱荆璞.盒表面强化技术一金表面 程学.十rL械E业…版扯,l989:l442. 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