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pvd涂层的作用

信息来源于:互联网 发布于:2020-05-28

模具、刀具涂层的作用:

1.加耐磨性;

2.提高抗氧化性能;

3.减小摩擦;

4.提高抗金属疲劳性能;

5.增加抗热冲击性。

当按照设计要求正确使用恰当的刀具涂层时,最终用户就能达到提高切削参数、延长刀具寿命的目的,并有可能实现干式切削加工。

涂层方法

有两种主要的刀具涂层方法:CVD(化学气相沉积)法和PVD(物理气相沉积)法。每种方法都有自身的优势和劣势。

CVD涂层是最早出现、也是最常见的涂层方法,已经沿用多年。CVD法是在一个化学反应容器内加热基体,并将基体暴露于气流之中。这些气体在被加热的基体表面分解,形成一层涂层。一般而言,CVD涂层需要的温度约为1,000℃左右。

一种常见的CVD涂层是采用三种气体——四氯化钛(TiCl4)、氢气(H2)和氮气(N2)——来产生氮化钛(TiN)+氯化氢(HCl)。HCl是该工艺的二次产物,必须按照严格的环保法规进行处理。

CVD法的优势包括极佳的涂层粘附性,以及涂层分布的均匀性。CVD法的缺点是:涂层时的高温会对基体产生不利影响,适用的涂层材料不多(因为涂层材料是以气态形式提供的),以及工艺循环时间长。

PVD涂层是一种相对较新的刀具涂层方法,在刀具行业正变得日益流行。PVD法是在真空环境中,将涂层材料从材料源(靶材)经过传送空间转移到基体上。该方法采用加热或电源供能的方式,将涂层材料气化,然后使气化的材料附着在基体上。

PVD法的优势是适用的涂层材料范围较广,工艺温度相对较低(450℃左右),允许对锋利的切削刃进行涂层。该方法的缺点是:内表面涂层比较困难(涂层时,要求从涂层材料到基体必须处在一条直线上),对基体表面要求较高。

主要的涂层工艺

PVD法有两种主要的工艺,可用于在不同的基体上进行涂层:一种是电弧法(电弧放电);另一种是溅射法(阴极溅射)。这两种方法都有一个额外的优点:涂层炉比较容易建造。

电弧法是通过电源的放电(很像是一道闪电)击中涂层材料,并将这种材料由固体转换为液体,再转换为气体状态。该工艺的优点是沉积率高(相对于溅射法而言)。但是,由于涂层材料处于三种形态(固态、液态和气态),因此有可能会产生一些液滴(微小的液体颗粒)。这些液滴不会转换为气态。

溅射法是采用一个加热源,将固体涂层材料直接转换为气体状态。由于涂层材料跳过了液化阶段,因此不会产生液滴。但是,由于该工艺沉积率较低(相对于电弧法),因此生产周期较长。

硬质材料涂层

大部分硬质材料(涂层也是一种硬质材料)都是由一种金属和一种非金属构成。例如,一些常见的硬质涂层包括氮化钛(TiN)、氮碳化钛(TiCN)、氮铝钛(TiAlN)、氮钛铝(AlTiN)和氮铬铝(AlCrN)。元素周期表显示了有可能成为候选涂层材料的金属和非金属元素。

在涂层过程中,体积较小的非金属元素——涂覆TiN时为氮(N)——嵌入到金属钛(Ti)的晶格空缺中。当沉积TiCN时,则由碳(C)部分取代了一些氮(N)。按照同样的原理,也可以确定沉积其他涂层所需要的金属和非金属元素。

这是PVD工艺的优势之一。由于金属材料在PVD涂层炉中为固态(而CVD工艺则需要引入气态金属),因此,几乎任何金属都可以用于PVD涂层。当然,并不是所有金属都对改善刀具性能有益,但它们都能用于涂层。

涂层的结构

经过多年的发展,涂层的结构已经发生了许多变化,有了很大的改进。在涂层技术中,通常有以下五种不同的结构:

(1)单层结构

顾名思义,这种结构只有一层涂层。当我们在显微镜下观察这种结构时,可以看见一些长柱形涂层结构。这种涂层很容易涂覆,但也很容易产生裂纹和破损。想象一下,当一个球击中一束柱体时,这些柱体就会开始倒下,而裂纹轻易就能贯穿涂层,到达基体。

(2)多层结构

多层结构是由许多不同的单层结构彼此重叠在一起构成的。表面花纹钢就是历史上此类结构的一个例子。多层结构涂层可将几种涂层材料的特性结合在一起,形成韧性与硬度俱佳的表面。

(3)纳米多层结构

纳米多层结构与多层结构本质上相同,但其层厚却要薄得多:涂层厚度仅为原子级水平。

(4)纳米复合涂层结构

纳米复合涂层采用了与硬质合金刀具类似的技术。这种纳米结构将粘结相(例如硬质合金中的钴)的韧性与纳米复合涂层的硬度结合在一起。

(5)梯度结构

该结构的涂层性能具有渐变性:涂层中心部分较软而富有弹性,而在靠近表层时则变得坚硬而耐磨。

涂层的质量控制与检验

在对刀具进行涂层后,制造商需要对涂层本身进行质量检验。通常,这种质量检验过程和程序包括以下四个方面:

(1)涂层厚度检测

检测涂层厚度主要有两种方法:球头砂轮磨削检测法和X射线荧光辐射检测法。

球头砂轮磨削检测是用一个很小的金刚石砂轮(球)磨除涂层,直至露出下面的基体。然后,通过用显微镜观测磨除区域,就可以利用公式(X×Y)/球头直径测算出涂层厚度(式中,X为从上向下观测到的涂层宽度,Y为基体+涂层宽度)。目标是将测得的涂层厚度值范围控制在制造商的技术规定以内。

X射线荧光辐射检测可能是一种更准确的检测方法。测量原理是:涂层和基体材料都能产生X射线荧光辐射,但涂层会使基体的辐射强度减弱。通过二次辐射量测出基体辐射减弱的程度,即可确定涂层厚度。检测涂层厚度的首选方法是球头砂轮磨削检测法,因为它比较直观,而且更容易实施。

(2)涂层粘附性检测