高速鋼、硬質(zhì)合金、工具鋼和不銹鋼是常用的涂層基體材料。本文提供了應(yīng)用于刀具、模具、易磨損部件以及其他零部件的涂層及其制備工藝的基本信息。

    物理/化學(xué)氣相沉積

    物理氣相沉積（PVD）是一系列涂層工藝的統(tǒng)稱。其中，最常見的PVD工藝包括蒸發(fā)（采用陰極電弧或電子束源）和濺射（采用磁場(chǎng)強(qiáng)化陰極，或圓柱形/空心陰極源）。

    PVD過程在真空中進(jìn)行，工作氣壓通常為10-2至10-4mbar。在涂層過程中，到達(dá)基體的陽離子具有較高的能量，因此通常涉及到對(duì)基體材料的轟擊效應(yīng)。此外，在金屬的沉積過程中，可以向真空室內(nèi)充入一些反應(yīng)氣體，如氮?dú)狻⒁胰?、氧氣等，生成不同成分的化合物涂層。以上這些作用使得涂層和基體間具有很高的結(jié)合力。

    PVD的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，總體來說，可分為功能性涂層和裝飾性涂層兩大類。

沉積后爐腔中基體轉(zhuǎn)架和樣品的裝夾

    功能性PVD涂層用來提高刀具或零部件的壽命以及綜合性能，因此能夠減少每件產(chǎn)品的制造成本，例如高速鋼立銑刀表面的TiN涂層。

    裝飾性PVD涂層用來美化產(chǎn)品的外觀，同時(shí)提高其耐磨性。這類涂層可以同時(shí)改善外觀和性能，例如不銹鋼門把手上的鋯基涂層，這種黃銅色涂層的耐磨性和耐腐蝕性比真正的黃銅更高。

    化學(xué)氣相沉積過程是一種氣氛控制的過程，通常在約1052℃（1925°F）的CVD反應(yīng)器中進(jìn)行。在此過程中，不同的氣相在CVD反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)，生成的固相沉積到受熱的基體表面，形成涂層薄膜。隨著不同的反應(yīng)氣體通入反應(yīng)器，在刀具基體上生成了不同的涂層。例如，TiN涂層由以下化學(xué)反應(yīng)獲得：

    TiCl4 + N2 + H2 → TiN + 4HCl + H2（1000℃）TiC可由以下化學(xué)反應(yīng)獲得：

    TiCl4 + CH4 + H2→ TiC + 4HCl + H2（1030℃）這些反應(yīng)的最終產(chǎn)物（硬度高、耐磨性好的涂層）以化學(xué)或冶金的方式與基體相結(jié)合。CVD涂層具有優(yōu)異的耐磨損和抗擦傷性能。

    涂層的基本原理

    PVD或CVD涂層應(yīng)用于刀具的根本原因其實(shí)很簡(jiǎn)單——降低制造成本，用戶能夠在更快的切削速度和更大的進(jìn)給量下體驗(yàn)到更長(zhǎng)的刀具壽命。節(jié)約的成本計(jì)算起來更容易：

    減少預(yù)防性維護(hù)和更換刀具所占用的停機(jī)時(shí)間+提高生產(chǎn)效率+因提高刀具壽命降低的刀具成本=顯著且實(shí)在的節(jié)省成本使用涂層所產(chǎn)生的成本節(jié)省可直接算入凈利潤(rùn)。

    在特定的使用場(chǎng)合中，涂層在其性能上會(huì)有一些變化，以提升其使用性能。其中，兩種主要的特性是所有涂層的基礎(chǔ)：高的顯微硬度和潤(rùn)滑性（低摩擦系數(shù)）。

    PVD涂層和CVD涂層的平均相對(duì)顯微硬度超過硬質(zhì)合金，高硬度使切削刀具、成型工具以及磨損部件在抵抗磨粒磨損時(shí)受到更好的保護(hù)。

物理氣相沉積（PVD）基本原理

    至于潤(rùn)滑方面，涂層的摩擦系數(shù)能夠遠(yuǎn)低于未涂層基體。例如，在成型工具中，降低摩擦系數(shù)意味著阻力減小，從而降低了工具受到的作用力。在切削應(yīng)用中，降低摩擦系數(shù)意味著加工過程中產(chǎn)生的切削熱更少，從而延緩了切削刃的破裂。在涉及到滑動(dòng)組件的應(yīng)用中，涂層極大地減緩了材料發(fā)生粘結(jié)的趨勢(shì)，減少摩擦并使滑動(dòng)組件的移動(dòng)更加自由靈活。

    工具壽命的提升

    保守估計(jì)，PVD或CVD涂層刀具的壽命比未涂層刀具長(zhǎng)兩到三倍。在某些應(yīng)用中，涂層刀具的磨損壽命相較于未涂層刀具甚至能延長(zhǎng)10倍以上。合適的基體和涂層的匹配對(duì)刀具壽命能夠起到顯著的提升效果，但難點(diǎn)在于如何根據(jù)特定的應(yīng)用領(lǐng)域來做出選擇。從被加工件的材質(zhì)、刀具基體的失效模式到刀具的公差等，眾多的變量都是在選擇涂層工藝及涂層成分時(shí)需要考慮的。

 TiN涂層花鍵拉刀

    一般來說，當(dāng)材料和公差允許時(shí)，在許多領(lǐng)域中，CVD涂層比PVD涂層的效果更好。CVD工藝使得涂層與基體間建立了冶金和擴(kuò)散型的結(jié)合。這種結(jié)合方式比PVD工藝中的物理結(jié)合的強(qiáng)度更高。但CVD工藝存在的問題是其沉積溫度過高（1052℃），限制了CVD工藝的應(yīng)用，因?yàn)樵谀承?yīng)用條件下基體材料難以承受如此高的溫度。

    PVD工藝的使用范圍更加廣泛。這主要是因?yàn)镻VD工藝相對(duì)較低的沉積溫度（196~510℃）以及更加合適的涂層厚度（2~5μm）。這些特性使得PVD工藝更加適用，尤其是在需要保持接近的公差范圍以及基體材料對(duì)溫度敏感的情形下。

    例如，當(dāng)采用CVD工藝制備高速鋼立銑刀表面涂層時(shí)，刀具的直線度和同心度將會(huì)受到影響。因此，PVD工藝更適用沉積立銑刀用涂層。對(duì)大多數(shù)材料來講，只要選擇了合適的沉積溫度，更低的沉積溫度意味著沉積時(shí)基體幾乎不發(fā)生變形。

    當(dāng)然，在選擇合適的涂層工藝時(shí)，許多其他的因素也需要加以考慮。這些方面，為刀具和零部件提供涂層服務(wù)的公司會(huì)提供必要的指導(dǎo)。

    金屬切削刀具涂層自從四十多年前誕生以來已經(jīng)獲得了巨大的發(fā)展。隨著涂層的進(jìn)步，對(duì)多種切削情況下涂層不同行為表現(xiàn)的認(rèn)識(shí)也在提高，促進(jìn)了對(duì)涂層性能的深度強(qiáng)化。

    過去幾年間涂層后處理技術(shù)產(chǎn)生了跨越式的進(jìn)步。隨著厚涂層的發(fā)展以及Al2O3涂層實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，這些后處理技術(shù)開始用來讓CVD涂層的表面更加光滑。人們發(fā)現(xiàn)光滑的涂層表面不僅可以減少摩擦，還能減緩被加材料與涂層表面發(fā)生粘結(jié)的趨勢(shì)，從而減少積屑瘤的產(chǎn)生。這可稱之為第一代后處理工藝。

    未經(jīng)后處理的涂層刀具不連續(xù)切削54個(gè)零部件（上）和經(jīng)后處理的同種涂層刀具不連續(xù)切削80個(gè)零部件（下）的磨損情況

    表面平滑工藝是一種輕度的噴砂過程，可以去除因涂層晶粒生長(zhǎng)不均勻?qū)е碌拇植诒韺樱鴥H有少量涂層會(huì)被同時(shí)去除。隨著對(duì)噴砂過程的控制程度越來越高，精確地去除涂層表面薄層成為可能。例如去除可轉(zhuǎn)位刀具前刀面上TiN涂層表面的“閃光點(diǎn)”，不僅能夠保證涂層上表面的光滑，同時(shí)保留了前刀面上金黃色TiN涂層以便于觀察磨損情況，這種工藝可稱之為第二代后處理工藝。

用于汽車制造業(yè)的CVD涂層模具

    在鍍膜過程中，尤其是CVD中，有時(shí)涂層會(huì)受到拉應(yīng)力，這是由于涂層和基體熱膨脹系數(shù)的不同所導(dǎo)致。這種拉應(yīng)力狀態(tài)可能會(huì)在涂層中造成缺陷并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成裂紋。這些裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展最終將導(dǎo)致切削刃失效。更多時(shí)候，這些裂紋在切削過程中產(chǎn)生，特別是不連續(xù)的切削加工。

    由于涂層是陶瓷材料，所以其抵抗拉應(yīng)力的能力很差，但抵抗壓應(yīng)力的能力卻很強(qiáng)。裂紋和其他缺陷無法在壓應(yīng)力狀態(tài)下生長(zhǎng)。隨著第二代后處理工藝的發(fā)展，噴砂處理對(duì)減小CVD涂層的拉應(yīng)力有顯著作用。

    此外，隨著后處理工藝的不斷發(fā)展和對(duì)各種后處理工藝參數(shù)的控制，人們有望將拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)。這樣做能夠提高切削刃抵抗因剝落導(dǎo)致失效的能力，尤其是在不連續(xù)的加工過程當(dāng)中。

    銑削過程中會(huì)產(chǎn)生兩種裂紋，一種來自于切削刃每次進(jìn)入切削狀態(tài)時(shí)受到的沖擊。另一種來自于加工過程中，銑刀在進(jìn)入銑削時(shí)切削刃快速升溫，退出銑削時(shí)快速降溫所造成的熱循環(huán)。在涂層內(nèi)有壓應(yīng)力時(shí)，沖擊和熱循環(huán)需要先克服壓應(yīng)力，然后再產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力不斷變大直到超過刀具切削刃失效的臨界點(diǎn)才會(huì)導(dǎo)致刀具的失效，所以這種壓應(yīng)力對(duì)銑刀的好處尤為明顯。

    當(dāng)涂層具有壓應(yīng)力時(shí)，就需要更多的切削時(shí)間和應(yīng)力來產(chǎn)生大到足以破壞切削刃的裂紋。壓應(yīng)力對(duì)切削壽命的提升通常在30%以上，特別是涉及到重型沖擊和高速切削的加工條件時(shí)。

    上圖顯示了一個(gè)劇烈不連續(xù)加工過程——凸輪軸加工過程的刀具壽命，通過抵抗切削刃的剝落使得刀具壽命提升了48%。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是采用了最新一代的后處理工藝，從而使整個(gè)涂層結(jié)構(gòu)中都具有壓應(yīng)力。這種壓應(yīng)力甚至能延伸到基體中去，從而顯著地提升了切削刃抵抗剝落的能力。

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