《涂层刀具的发展与应用（nxpowerlite）ppt培训课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《涂层刀具的发展与应用（nxpowerlite）ppt培训课件（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、涂层刀具的发展与应用,成都工具研究所涂层技术研发部 高见、曾祥才 2008年4月,一 气相沉积技术概述,1.1 气相沉积技术分类 近年来表面工程学发展迅速，新的表面涂层技术层出不穷，气相沉积技术就是其中发展最快的新技术之一。所谓气相沉积是利用在气相中物理、化学反应过程，在物件表面形成具有特种性能的金属或化合物涂层的方法。气相沉积技术包括：化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）；物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）；等离子体低温化学气相沉积（Plasma Chemical Vapor Deposition，简称PVCD）。图1示出了各种气
2、相沉积技术具体分类情况。,图 1 气相沉积技术分类及工艺方法,1.2 气相沉积技术特点,气相沉积技术之所以在现代工业中发展迅速、应用广泛，是因为它具有非常优异的特点。它不仅可以用来制备各种特殊力学性能和化学性能（如高硬度、高耐热、高热导、高耐蚀、抗氧化等）涂层，不仅可以沉积金属涂层、合金涂层，还可以沉积多种多样的化合物、非金属、半导体、陶瓷和塑料涂层。可以说，目前采用气相沉积技术几乎能在任何基体物件上，按照各种不同性能要求，沉积出任何材料的涂层，以满足实际使用的需要。,不同气相沉积技术，也具有不同的工艺特点。属于热平衡的CVD工艺技术，气体反应源的温度远低于沉积反应温度。所以在沉积工艺中，很容
3、易改变反应源物质组份，获得种类繁多的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物单金属和合金涂层。CVD涂层厚度和质量均匀一致，涂层和基体结合强度高，尤其对形状复杂，面积大的物件更为适合。CVD装备相对要简单一些，适合工业化生产。所以在气相沉积技术中，CVD一直占有重要地位。CVD技术缺点是被涂层基体要加热到1000左右高温，超过了钢基体材料的回火温度，再进行热处理，容易产生变形，即使基体为硬质合金材料，也会因高温等因素使基体表面脱碳，形成相，降低了抗弯强度。另外随着环保要求的提高，处理CVD排放的有害废气，也会增加生产成本。所以，为了解决一般高温CVD的问题，近几年有机金属化合物热分解MTCVD和
4、等离子增强低温CVD技术发展很快。既具有一般高温CVD的优点，又使沉积温度降到600以下，取得了很好的效果。,PVD属于非热平衡型。反应源的蒸发温度远高于基体物件的温度，沉积温度一般都在600以下，不会改变基体的力学性能和尺寸精度。工艺中基本不产生有害废气。近年来，由于PVD技术和工艺设备水平的发展，加上使用靶材品种和质量的增加，有效提高了涂层和基体的结合强度，扩大了涂层材料的种类，使过去难于使用PVD技术沉积的碳化物、氮化物、氧化物等硬质涂层，现在变成了可能。极大的扩展了PVD技术的应用范围。表1列出了几种PVD和CVD技术特性比较情况。,表1几种不同PVD和CVD技术特性比较,1.3 气相
5、沉积技术应用概述,材料、能源和信息工程，是现代社会发展的三大支柱产业。气相沉积技术作为促进材料科学发展的新兴技术，承担十分重要的任务。气相沉积技术生产制备的耐磨损、耐热、耐腐蚀硬质涂层；无油润滑涂层；特殊性能的电学、光学功能涂层；装饰装修涂层，广泛用于机械、电子、航天、航空、能源等重要工业领域，有效的提高了物件的使用寿命。减缓了材料损耗速度，提高了器件的重要性能。所以气相沉积技术尽快推广应用具有重大技术经济意义。表2给出了气相沉积技术主要应用范围。,表2 气相沉积技术主要应用范围,二 刀具涂层的发展史,早在1949年西德金属组合有限公司为了提高工具钢的耐磨损性能，就采用CVD技术研究成功了Ti
6、C硬质涂层。1962年瑞典Sandvik公司开始研究TiC涂层硬质合金刀片，并于1967年获得成功。1968年瑞典Sandvik公司和西德Widia公司几乎同时在市场上出售了他们生产的TiC涂层硬质合金刀片产品。不久又推出了TiN、TiC-TiN涂层硬质合金刀片。到1973年和1980年又相继研究成功了性能更好的第二代TiC+Al2O3和第三代TiC+Al2O3+TiN等多种复合涂层硬质合金刀片，刀具切削寿命有了进一步的提高。到20世纪末期，CVD技术又有了新的发展，采用高温CVD（HT-CVD）和中温CVD(MT-CVD)相结合新的工艺技术，又开发出了性能更加优异的TiN-MT-TiCN-A
7、l2O3-TiN超级涂层材料。加上金刚石和类金刚石、CBN、C3N4等超硬涂层材料的研究成功，使涂层刀具、模具及其它涂层制品，具有耐磨损、韧度高、化学稳定性能好等优异复合性能。使用寿命分别提高了1-10倍，甚至几十倍，生产效率提高了近20倍，经济效益十分显著。所以硬质涂层材料的发展和应用，被称为材料科学领域中的一场新的革命，世界各国都十分重视，发展迅速。,我国从1971年开始，对硬质涂层CVD工艺技术和设备进行了研究，并取得了很大的进展，有些科研成果已达到了国外先进水平。日前，TiC、TiN、TiBN、Al2O3、金刚石、C3N4等单涂层和复合涂层气相沉积技术和设备，在我国正大力推广应用，必将
8、对我国工业现代化作出更大的贡献。,三 刀具涂层用设备及其工艺技术,3.1 化学气相沉积装置 CVD装置基本构成 采用CVD技术沉积涂层材料种类和制备方法很多，因此CVD装置也有许多类型。,图2示出了负压沉积硬质涂层的CVD装置示意图,装置由以下几部份组成：,反应气体流量控制及输送； 金属卤化物(TiCl4、AlCl3等)蒸发、制取及输送； 加热炉及温控； 沉积室及盛料舟； 沉积室压力控制； 真空及废气处理。,CVD装置主要性能,反应气体流量及输送 准确稳定的把各反应气体送入沉积室，对获得高质量涂层是非常重要的。气体流量过去多采用带针型调节阀门的玻璃转子流量计，而现在随着工业水平的发展，气体流量
9、又多采用质量流量计，这种流量计测量和控制精度高，又带计算机接口，很容易实现自动控制。 对液态和固态物质源的加热温度和载气流量控制更要严格，而且由蒸发器至沉积室的输气管路的加热温度都应保持在蒸发温度以上，以防止蒸气冷凝和结块，这样才能保证所有蒸气全部送入沉积室中。,加热方式及控制CVD装置的加热方式有电阻加热、高频感应加热、红外线和激光加热等，这应根据装置结构、涂层种类和反应方式进行选择。对大型生产设备多采用电阻加热方式。 沉积室及结构在设计沉积室时，首先要考虑沉积室形式(如立式、卧式等)，制造沉积室材料，沉积室有效窖和盛料混气结构。 一个好的沉积室结构，应在保证产量的同时，还要做到：第一，各组
10、分气体在沉积室内均匀混合；第二，要保证各个基体物件都能得到充足的反应气体；第三，生成附产物能迅速离开基体物件表面。这样就能使每一件基体和同一件基体的各个部分，涂层厚度均匀一致，涂层质量性能均匀一致。,真空及废气处理 CVD装置大多会产生腐蚀性、有毒性废气和粉状物附产物。这会对真空泵和环境造成很大损害。所以在大批量生产中，真空机组多选用水喷泵和液体循环真空泵，废气采用冷阱吸收和碱液中和等手段，去除酸气和有害粉尘，使尾气排放达到环保要求的标准。,CVD工艺技术,CVD工艺技术种类很多，其中主要适合硬质涂层CVD工艺技术，按沉积温度高低可以分为：高温化学气相沉积，沉积温度900(简称HT-CVD)、
11、中温化学气相沉积，沉积温度700-900(简称MT-CVD)和等离子低温化学气相沉积，沉积温度600(简称PCVD)。,HT-CVD硬质涂层种类和性能,采用CVD技术可以沉积多种单质元素及其化合物，见表3所示。,表3 CVD技术沉积的元素及其化合物,硬质涂层主要用于机械工业中，如金属切削工具，冷冲冷挤模具和耐磨损耐腐蚀机械零部件等。在实际应用中，特别要求涂层制品要有高硬度(包括高温硬度)，抵抗磨擦磨损和磨粒磨损，要有好的耐高温抗氧化性能，抵御高温时化学粘着磨损和抗腐蚀性能，提高涂层制品的使用寿命。 适合作硬质涂层的金属化合物种类也很多，它们按化学键的特征，一般分为金属键、共价键、离子键有三个类
12、型。表4列出了硬质涂层材料分类，表5给出了各种硬质材料的物性。不同金属碳化物显微硬度和温度关系曲线见图3。,表4 硬质涂层材料分类,表5 各种硬质材料的物性,图3 不同金属碳化物显微硬度和温度关系曲线,由表5和图3可以看出，每一种材料的性能都有优势，也存在不足的地方。所以仅用单涂层材料，很难满足涂层制品综合性能的需要，这在进行涂层材料设计时必须给予重视。,HT-CVD工艺技术,化学反应类型及条件 目前采用HT-CVD技术生产硬质涂层材料主要是各种金属碳化物、氧化物、硼化物、氮化物等单涂层和的复合涂层材料。其化学反应方式及条件如表6所示。,表6 典型硬质涂层材料化学反应方式及条件,主要工艺参数对
13、硬质涂层质量的影响,如前所述，CVD过程是这样进行的：在接近高温区，各反应气体热分解，接着在高温基体表面吸附、解吸、相互间反应，最后是固相生成物与基体表面之间的原子扩散而形成涂层。可见影响涂层质量的主要工艺参数是：沉积温度、沉积室压力、各反应气体分压(配比)及涂层和基体之间形成的界面情况。,1. 沉积温度,沉积温度是影响沉积工艺和涂层质量的重要参数。按照热力学计算，前述几种主要硬质涂层材料，只有当沉积温度大于1198K(925)时，反应的自由能为负值，沉积反应才会向生成物方向进行。但为了达到一定的沉积速率，实际沉积温度要比起始反应温度高。图2-5给出了部份金属化合物反应自由能曲线。,图4 部份
14、金属化合物反应自由能曲线,研究表明，随着沉积温度的升高，HT-CVD反应速度加快，涂层沉积速率(um/h)提高，二者近似呈线性关系。图5给出了沉积温度对TiC、TiN、TiCN涂层沉积速率影响曲线。,图5 TiC、TiN、TiCN涂层沉积温度对沉积速率的影响,对在不同温度下沉积的涂层组织结构分析表明，沉积温度过高，沉积速率过快，会造成涂层组织疏松、晶粒粗大甚至会出现枝状结晶。图6示出了不同温度下TiC涂层组织结构。,图6 不同温度下TiC涂层组织结构,a.950,b.1020,c.1100,反之，沉积温度过低，沉积速率很慢，甚至会出现金属卤化物分解成单质金属的速度大于反应生成物的生长速度，沉积
15、涂层会呈多孔状，且与基体之间的结合强度低，这些都会严重影响硬质涂层制品的性能和质量。,另外，在沉积Al2O3涂层时，沉积温度的选择更加重要，因为，随着沉积温度的不同，Al2O3会呈现不同的结晶相，如、-Al2O3等，其中只有-Al2O3是热力学稳定结构，更适合做耐磨损耐腐蚀涂层。但在实际情况下，往往由于工艺条件的变化(沉积温度及反应气体配比)，涂层大多由、-Al2O3混合物组成，导致不均匀的涂层结构，降低了涂层制品的性能。通过严格控制工艺参数，可以得到纯正的-Al2O3，并能控制其晶体生长方向呈柱形组织。这种-Al2O3涂层能适应于各种机械负荷，提高其抗磨损、抗高温氧化性能。图7示出了-Al2
16、O3和-Al2O3涂层硬质合金刀片切削性能试验结果。,图7 -Al2O3和-Al2O3涂层硬质合金刀片切削性能试验结果,2. 反应室压力,虽然大部分硬质涂层材料在常压下也能采用HT-CVD技术获得，但在实际生产中，大多均采用负压沉积工艺。在负压下，气体分子之间距离增大，在气体浓度不变的情况下，提高了沉积效率。另外，负压沉积时，可使反应生成物的废气尽快排除，有利于化学反应顺利进行，减少对涂层的污染。这点对于大批量生产中获得组织致密、均匀一致、性能稳定可靠的高质量涂层材料，是十分重要的。,3. 各反应气体分压(配比),由表2-5可以看出，采用HT-CVD技术，通过改变参与化学反应的反应源气体组份，
17、就能很方便地获得各种碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等硬质涂层材料。涂层材料不同，其性能也不同。即使是同一种涂层材料，当用不同流量配比时，所获得的涂层材料成份和性能也不同。所以沉积过程中选择最佳反应源气体流量配比，特别是严格控制TiCl4、BCl3、AlCl3等金属卤化物的流量，对生产高性能涂层制品是至关重要的。, 含碳气体：在沉积TiC时，当气氛中碳、氢气配比不同时，可以得到不同Ti-C原子比的TiC涂层（Ti / C 0.51）。当TiC涂层成份中Ti / C = 1时，经计算含C量最高达到20.05 %，具有高的显微硬度和耐磨损性能。类似现象在沉积其它材料时也会产生。 图8示出了Ti/C原子比和涂层显微硬度的关系。图9示出了TiCN涂层中C/N原子比和刀具磨损关系曲线。,
