硬质涂层概况

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1、硬质涂层发展概况硬质涂层发展概况江苏大学江苏大学 邵红红邵红红一、硬质涂层沉积技术一、硬质涂层沉积技术印刷用滚筒等离子陶瓷热喷涂（耐磨损）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等离子陶瓷热喷涂泵部件(耐磨损）耐磨损） 电极轴（铜）隔离部等离子陶瓷热喷涂电极轴（铜）隔离部等离子陶瓷热喷涂（耐磨损）（耐磨损） 拉线机械用引导滚筒等离子陶瓷热喷涂拉线机械用引导滚筒等离子陶瓷热喷涂（耐磨损）（耐磨损） 热喷涂存在的问题：热喷涂存在的问题：涂层厚涂层厚, ,均匀性相对其他沉积方法差均匀性相对其他沉积方法差, ,难以难以应用于精密部件应用于精密部件喷涂材料受限制喷涂材料受限制, ,必

2、须在熔融条件下不发必须在熔融条件下不发生分解、蒸发、升华、离解生分解、蒸发、升华、离解沉积表面需要机械或化学粗化，基体不能沉积表面需要机械或化学粗化，基体不能太薄太薄电化学沉积（电镀）与化学镀电化学沉积（电镀）与化学镀需要基体导电需要基体导电受电力线变化影响，均匀性和致密度差受电力线变化影响，均匀性和致密度差仿形性差仿形性差可沉积材料相对较少可沉积材料相对较少成本相对低成本相对低沉积速度相对较快沉积速度相对较快不需要基体导电不需要基体导电镀层均匀镀层均匀,致密致密,抗腐蚀性更好抗腐蚀性更好仿形性好仿形性好,可对复杂部件施镀可对复杂部件施镀除除Pb、Cd、Sn、Bi，大多数金属可沉积大多数金属可

3、沉积成本相对更高成本相对更高沉积速度相对较慢沉积速度相对较慢电镀电镀化学镀化学镀电镀电镀化学镀化学镀精密冲压加工品的电镀精密冲压加工品的电镀 Ni化学镀化学镀 Ni-Pw沉积的硬质材料有限沉积的硬质材料有限(Cr,Ni,Ni-P)(Cr,Ni,Ni-P)w沉积的硬质材料硬度一般偏小沉积的硬质材料硬度一般偏小(1500Hv)(1500Hv)w复合沉积的复合均匀性较差复合沉积的复合均匀性较差, ,不能应用不能应用于精密部件于精密部件电镀与化学镀的局限性：电镀与化学镀的局限性：化学气相沉积（化学气相沉积（CVDCVD）特点特点w最先使用的气相沉积技术最先使用的气相沉积技术优点优点w沉积温度高沉积温度

4、高, ,结合力比物理气相沉积强结合力比物理气相沉积强缺点缺点w沉积温度过高限制基底的适用范围沉积温度过高限制基底的适用范围沉积温度沉积温度600600-1200 -1200 基底适用范围基底适用范围( (硬质合金硬质合金 陶瓷部件陶瓷部件) )热变形大，应用于非精密部件热变形大，应用于非精密部件w反应气体会污染环境反应气体会污染环境PVD与与CVD的的区别导致不同区别导致不同领域的应用领域的应用沉积温度低沉积温度低, ,应用范围广应用范围广热变形小热变形小, ,可应用于精密部件可应用于精密部件( (刀具、模刀具、模具具) )没有废气排放，绿色环保没有废气排放，绿色环保物理气相沉积（物理气相沉积

5、（PVDPVD）优点：优点：物理气相沉积（物理气相沉积（PVDPVD）类型类型真空蒸镀（真空蒸镀（Evaporation DepositionEvaporation Deposition）离子镀离子镀( (Ion Plating)Ion Plating)溅射沉积溅射沉积( (Sputtering)Sputtering)直流溅射直流溅射溅射电源为直流电源，只适用金属和半导溅射电源为直流电源，只适用金属和半导体材料溅射体材料溅射 射频溅射射频溅射溅射电源为射频电源，可溅射导体、半溅射电源为射频电源，可溅射导体、半导体和绝缘体材料导体和绝缘体材料磁控溅射磁控溅射靶材背后安置强磁体，增强气体电离和电靶

6、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子对基体轰击可实现低温高速沉积溅射沉积特点溅射沉积特点w溅溅射射出出粒粒子子平平均均能能量量比比真真空空蒸蒸镀镀产产生生的粒子大，薄膜与基体结合性好的粒子大，薄膜与基体结合性好w膜膜厚厚较较真真空空蒸蒸镀镀均均匀匀，材材料料的的溅溅射射特特性性差差别别不不如如其其蒸蒸发发特特性性差差别别大大，易易控控制制成分成分w任任何何材材料料（导导电电体体、绝绝缘缘体体、有有机机、无机）均能溅射成膜无机）均能溅射成膜磁磁控控溅溅射射沉沉积积技技术术是是应应用用最最广广泛泛的的气气相相沉沉积积技技术术！磁磁控控溅溅射射仪仪可可以以称称为为万万能

7、能镀镀膜机。膜机。金属基合金涂层金属基合金涂层w铁基铁基w铬基铬基w镍层镍层w钼层钼层w钴基和镍基合金涂钴基和镍基合金涂层层w其他合金涂层其他合金涂层陶瓷涂层陶瓷涂层w氧化涂层氧化涂层氧化铝氧化钽氧化铬氧化铝氧化钽氧化铬w碳化物涂层碳化物涂层碳化钛碳化钛/碳化钨碳化钨/碳化铬碳化铬碳化铪碳化铪/碳化锆碳化硅碳化锆碳化硅w氮化物涂层氮化物涂层氮化钛氮化钛氮化铪氮化铪/氮化锆氮化硅氮化锆氮化硅立方氮化硼立方氮化硼(CBN)多元氮多元氮化物化物w硼化物硼化物w硅化物硅化物w硬质碳层硬质碳层非晶碳层非晶碳层/金刚石涂层金刚石涂层硬质涂层的分类硬质涂层的分类金属基合金涂层硬度值金属基合金涂层硬度值(15

8、00(TiN500)(TiN500)沉积温度沉积温度300 300 TiAlNTiN中中Al的加入提的加入提高了高了TiN硬度和抗硬度和抗氧化能力是氧化能力是TiAlN性能优于性能优于TiN的主的主要原因要原因TiAlNTiAlN涂层性能涂层性能TiAlN是目前高是目前高速干式切削刀速干式切削刀具最常用的涂具最常用的涂层层TiAlN切削性能切削性能TiAlN钻孔试验钻孔试验TiAlNTiAlN涂层性能涂层性能Typical photographs of tool wear according to coating type in the case of cutting speed 200 m/

9、min and feed per tooth 0.03 mm/rev; (a) noncoating; (b) TiN; (c) TiAlN.noncoatingTiNTiAlN.TiAlNTiAlN涂层应用涂层应用 TiAlNTiAlN挤型模挤型模挤型模挤型模TiN/TiAlN 钻头钻头（4 4）硬碳涂层）硬碳涂层非晶碳层非晶碳层/ /类金刚石层类金刚石层(DLC)(DLC)兼有石墨和金刚石性能兼有石墨和金刚石性能, ,优异的固体润滑优异的固体润滑硬膜硬膜 金刚石金刚石(sp(sp3 3),),石墨石墨(sp(sp2 2) ) DLC (spDLC (sp3 3+ + spsp2 2) )金

10、刚石硬度金刚石硬度100100GpaGpa DLC DLC硬度硬度7.4-60Gpa7.4-60Gpa优点优点w摩擦系数小摩擦系数小0.1, 0.1, 沉积温度低可沉积温度低可200200 缺点缺点w适用于加工有色金属适用于加工有色金属, ,木材等不含铁木材等不含铁成分的材料成分的材料w使用温度低使用温度低45040 40 GPaGPa ） w通过涂层纳米化，可改善涂层的综合性能通过涂层纳米化，可改善涂层的综合性能（韧性，抗腐蚀、抗氧化、结合性能等）（韧性，抗腐蚀、抗氧化、结合性能等）w超硬涂层应用于传统超硬涂层不能沉积的基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体表面或应用领域

11、, ,使其在工业制造过程效率使其在工业制造过程效率更高，通用性更强，成本更低更高，通用性更强，成本更低新型涂层的研究背景新型涂层的研究背景2.2.纳米结构涂层的优点纳米结构涂层的优点v更好的综合性能（超硬度，高韧性更好的综合性能（超硬度，高韧性, , 抗腐蚀性等）提高了涂层的抗磨损性抗腐蚀性等）提高了涂层的抗磨损性能，提高了工件的使用寿命，迎合了能，提高了工件的使用寿命，迎合了工业界对生产效率的追求。工业界对生产效率的追求。v更好的热力学稳定性更好的热力学稳定性, ,使用范围更使用范围更广（广（C C、B B和铁有很好的亲和性和铁有很好的亲和性, ,使使DLCDLC和和c-BNc-BN的热动力

12、学稳定性差，适用范的热动力学稳定性差，适用范围受限）围受限）v可以在较低的温度条件沉积出超高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硬度涂层，扩展了沉积基底的种类和应用范围应用范围( (传统超硬涂层需高温沉积传统超硬涂层需高温沉积, ,如金刚石等如金刚石等) )v沉积工艺比传统的超硬涂层（金刚沉积工艺比传统的超硬涂层（金刚石，石， c-BN c-BN ）更简单，成本更低更简单，成本更低DLCDLCw很好的固体润很好的固体润滑性能滑性能w硬度硬度20GPa20GPaw抗氧化性不佳抗氧化性不佳wC C与铁亲和力与铁亲和力强强, ,不能用于不能用于加工钢铁材料加工钢铁材料, ,

13、使用范围限于使用范围限于有色金属加工有色金属加工纳米复合材料纳米复合材料w具有良好的抗氧具有良好的抗氧化性化性w硬度硬度40GPa40GPaw可应用于钢铁和可应用于钢铁和有色金属加工有色金属加工C-BNC-BN硬度高，但硬度高，但综合性能不佳。综合性能不佳。韧性差韧性差, ,应力应力大大, ,结合性能结合性能差差沉积温度高沉积温度高成本最贵成本最贵3.新型涂层的研究新型涂层的研究纳米复合涂层纳米复合涂层纳米多层复合涂层纳米多层复合涂层(nano-layered film)纳米混合复合涂层纳米混合复合涂层(nano-composited film)nanonano- -compositedcom

14、posited film filmnanonano- -layedlayed film film当调制周期达到临界值当调制周期达到临界值,涂层产生超硬效应涂层产生超硬效应纳米多层复合涂层纳米多层复合涂层TiNTiN/SiNx /SiNx 纳米多层膜纳米多层膜w无一般涂层的柱状结构无一般涂层的柱状结构, ,致密致密w热稳定性强热稳定性强, , 高硬度高硬度 (50 (50 GPaGPa),),强抗腐蚀性强抗腐蚀性TiNTiN/SiNx /SiNx 纳米多层膜纳米多层膜TEMTEM结构结构非晶态非晶态SiNx晶态晶态TiN TiN/CNx纳米多层膜纳米多层膜Ti-Si-N纳米混合复合涂层纳米混合复

15、合涂层Si 含量含量 4-10 at%硬度硬度 39-43 GPa晶粒大小晶粒大小 5-10 nm 混合复合涂层不需要严混合复合涂层不需要严格的旋转设备，比纳米格的旋转设备，比纳米多层涂层制备简单得多多层涂层制备简单得多非晶态非晶态SiNx阻碍阻碍TiN晶体边界的滑移，并且细化晶体边界的滑移，并且细化TiN晶粒使涂层产生超硬效应晶粒使涂层产生超硬效应结束语结束语采用硬质涂层制备技术，不但可大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，上成熟，工艺上简便，经济上可行，能够取得事半功倍的效果。能够取得事半功倍的效果。谢谢 谢！谢！