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1、硬质涂层发展概况,江苏大学 邵红红,一、硬质涂层沉积技术,印刷用滚筒等离子陶瓷热喷涂（耐磨损）,等离子陶瓷热喷涂泵部件(耐磨损）,电极轴（铜）隔离部等离子陶瓷热喷涂 （耐磨损）,拉线机械用引导滚筒等离子陶瓷热喷涂 （耐磨损）,热喷涂存在的问题：,涂层厚,均匀性相对其他沉积方法差,难以应用于精密部件 喷涂材料受限制,必须在熔融条件下不发生分解、蒸发、升华、离解 沉积表面需要机械或化学粗化，基体不能太薄,电化学沉积（电镀）与化学镀,需要基体导电 受电力线变化影响，均匀性和致密度差 仿形性差 可沉积材料相对较少 成本相对低 沉积速度相对较快,不需要基体导电 镀层均匀,致密,抗腐蚀性更好 仿形性好,可
2、对复杂部件施镀 除Pb、Cd、Sn、Bi，大多数金属可沉积 成本相对更高 沉积速度相对较慢,电镀,化学镀,电镀,化学镀,精密冲压加工品的电镀 Ni,化学镀 Ni-P,沉积的硬质材料有限(Cr,Ni,Ni-P) 沉积的硬质材料硬度一般偏小(1500Hv) 复合沉积的复合均匀性较差,不能应用于精密部件,电镀与化学镀的局限性：,化学气相沉积（CVD）特点,最先使用的气相沉积技术 优点 沉积温度高,结合力比物理气相沉积强 缺点 沉积温度过高限制基底的适用范围 沉积温度600-1200 基底适用范围(硬质合金陶瓷部件) 热变形大，应用于非精密部件 反应气体会污染环境,PVD与CVD的区别导致不同领域的应
3、用,沉积温度低,应用范围广 热变形小,可应用于精密部件(刀具、模具) 没有废气排放，绿色环保,物理气相沉积（PVD）优点：,物理气相沉积（PVD）类型,真空蒸镀（Evaporation Deposition） 离子镀(Ion Plating) 溅射沉积(Sputtering),直流溅射,溅射电源为直流电源，只适用金属和半导体材料溅射,射频溅射,溅射电源为射频电源，可溅射导体、半导体和绝缘体材料,磁控溅射,靶材背后安置强磁体，增强气体电离和电子对基体轰击可实现低温高速沉积,溅射沉积特点,溅射出粒子平均能量比真空蒸镀产生的粒子大，薄膜与基体结合性好 膜厚较真空蒸镀均匀，材料的溅射特性差别不如其蒸发
4、特性差别大，易控制成分 任何材料（导电体、绝缘体、有机、无机）均能溅射成膜 磁控溅射沉积技术是应用最广泛的气相沉积技术！磁控溅射仪可以称为万能镀膜机。,金属基合金涂层 铁基 铬基 镍层 钼层 钴基和镍基合金涂层 其他合金涂层,陶瓷涂层 氧化涂层 氧化铝氧化钽氧化铬 碳化物涂层 碳化钛/碳化钨/碳化铬 碳化铪/碳化锆碳化硅 氮化物涂层 氮化钛 氮化铪/氮化锆氮化硅 立方氮化硼(CBN)多元氮化物 硼化物 硅化物 硬质碳层 非晶碳层/金刚石涂层,硬质涂层的分类,金属基合金涂层硬度值(1500Hv)不是很高,不能完全满足硬质涂层应用的需要! 陶瓷涂层的应用成为研究热点,陶瓷涂层的应用 Al2O3涂层
5、,高硬度（7502100Hv） 高熔点 化学性质稳定 热不良导体，阻止摩擦热向基体扩散 抗腐蚀，抗磨损的理想材料 主要沉积技术：CVD 主要应用 刀具等,碳化物涂层,碳化钛Ti-C （1000Hv2800Hv） 应用最广的碳化物涂层 碳化钨 W-C（8002100Hv） 在高温条件下能保持良好的硬度 碳化铬Cr-C 具有碳化钛、碳化钨更强的抗氧化性。 碳化硅SiC 高硬度，高温抗氧化性，抗腐蚀性,与氧化物相比具有更高的硬度 脆性增加 涂层的沉积技术与沉积条件严重影响涂层性能,氮化物涂层,氮化钛TiN 研究应用最多的氮化物涂层 氮化铪HfN 相对氮化钛和碳化钛，提高温度能保持较高硬度 立方氮化硼
6、 c-BN（4000Hv） 曾是金刚石之后发现最硬的材料之一 需高温沉积，成本高 与碳化物相比，氮化物具有良好的韧性 涂层沉积技术与沉积条件严重影响涂层性能,TiN模具,氮化钛涂层应用,性能 金黄色 硬度 2200Hv 摩擦系数0.4-0.6 磨损率 10-17 m3/Nm,涂层成分正向多样化趋势发展,多元氮化物 TiAlN TiZrN TiHfN TiAlVN TiAlZrN 二元、三元氮化物可明显提高一元氮化物（如氮化钛）的性能,TiAlN涂层,性能 硬度2200 Hv2700Hv 摩擦系数 0.4 - 0.9 最高使用温度 800(TiN500) 沉积温度300 ,TiAlN,TiN中A
7、l的加入提高了TiN硬度和抗氧化能力是TiAlN性能优于TiN的主要原因,TiAlN涂层性能,TiAlN是目前高速干式切削刀具最常用的涂层,TiAlN切削性能,TiAlN钻孔试验,TiAlN涂层性能,Typical photographs of tool wear according to coating type in the case of cutting speed 200 m/min and feed per tooth 0.03 mm/rev; (a) noncoating; (b) TiN; (c) TiAlN.,noncoating,TiN,TiAlN.,TiAlN涂层应用,Ti
8、AlN挤型模,TiN/TiAlN 钻头,（4）硬碳涂层,非晶碳层/类金刚石层(DLC) 兼有石墨和金刚石性能,优异的固体润滑硬膜 金刚石(sp3),石墨(sp2) DLC (sp3+ sp2) 金刚石硬度100Gpa DLC硬度7.4-60Gpa,优点 摩擦系数小0.1, 沉积温度低可200 缺点 适用于加工有色金属,木材等不含铁成分的材料 使用温度低450,涂层应力大,PureDLCcoating,DLC Slidingparts,molds,inserts,DLC切割刀片,硬碳层,金刚石涂层 优点 具有很高的硬度,耐磨性能,摩擦系数低 缺点 采用CVD沉积技术,沉积温度高,基底材料范围窄
9、涂层应力大,膜基结合能力差 适用于加工有色金属,木材等不含铁成分的材料 成本高,H2消耗量大,新型涂层的研究趋势 涂层不仅向成分多元化发展， 也向组织结构纳米复合化发展,1.新型涂层的研究背景,新一代纳米结构涂层已经吸引全世界的关注 通过涂层的结构纳米化和不同物相复合纳米化，可以获得超硬涂层（40 GPa ） 通过涂层纳米化，可改善涂层的综合性能（韧性，抗腐蚀、抗氧化、结合性能等） 超硬涂层应用于传统超硬涂层不能沉积的基体表面或应用领域,使其在工业制造过程效率更高，通用性更强，成本更低,新型涂层的研究背景,2.纳米结构涂层的优点,更好的综合性能（超硬度，高韧性, 抗腐蚀性等）提高了涂层的抗磨损
10、性能，提高了工件的使用寿命，迎合了工业界对生产效率的追求。 更好的热力学稳定性,使用范围更广（C、B和铁有很好的亲和性,使DLC和c-BN的热动力学稳定性差，适用范围受限） ,可以在较低的温度条件沉积出超高硬度涂层，扩展了沉积基底的种类和应用范围(传统超硬涂层需高温沉积,如金刚石等) 沉积工艺比传统的超硬涂层（金刚石， c-BN ）更简单，成本更低,DLC 很好的固体润滑性能 硬度20GPa 抗氧化性不佳 C与铁亲和力强,不能用于加工钢铁材料,使用范围限于有色金属加工,纳米复合材料 具有良好的抗氧化性 硬度40GPa 可应用于钢铁和有色金属加工,C-BN 硬度高，但综合性能不佳。韧性差,应力大
11、,结合性能差 沉积温度高 成本最贵,3.新型涂层的研究,纳米复合涂层 纳米多层复合涂层(nano-layered film) 纳米混合复合涂层(nano-composited film),nano-composited film,nano-layed film,纳米多层复合涂层,TiN/SiNx 纳米多层膜,无一般涂层的柱状结构,致密 热稳定性强, 高硬度 (50 GPa),强抗腐蚀性,TiN/SiNx 纳米多层膜TEM结构,非晶态SiNx,晶态TiN,TiN/CNx纳米多层膜,Ti-Si-N纳米混合复合涂层,Si 含量 4-10 at% 硬度 39-43 GPa 晶粒大小 5-10 nm,混合复合涂层不需要严格的旋转设备，比纳米多层涂层制备简单得多,非晶态SiNx阻碍TiN晶体边界的滑移，并且细化TiN晶粒使涂层产生超硬效应,结束语 采用硬质涂层制备技术，不但可大幅度提高工件的质量和性能，成倍地延长使用寿命，而且它们大多在技术上成熟，工艺上简便，经济上可行，能够取得事半功倍的效果。,谢 谢！,
