1、國內PVD技術應用與研究現狀作者：四川大學 梁紅櫻 趙海波    來源：工具技術1 引言 當前，制造業已發生了革命性的轉變，以數控機床為基礎的現代制造技術正朝著高速、干式切削加工的方向邁進。在該領域中，切削刀具制造技術的發展至關重要。由于刀具涂層技術可大幅度地提高切削刀具的綜合性能，尤其是近年來超硬薄膜設計概念的提出，在理論上可有效地改善刀具的高溫性能，使涂層刀具應用于高速、干式切削加工成為可能。在數控機床日益普及，現代先進制造技術概念逐漸形成及國家大力推進節能、環保制造模式的影響下，自2000年起，國內刀具涂層技術掀起了第二次發展熱潮，發展的重點為各類

2、PVD技術。大專院校以設計、表征超硬薄膜為主要研究方向，而社會興辦刀具涂層加工服務中心則成為國內刀具涂層業發展的主流。盡管國內刀具涂層技術水平依然落后，但應用市場的普及性及需求量已遠遠超出預計結果。因此，高水平、穩定的刀具涂層技術是國內工具行業極其渴望的，如果國內能開發出相應的原創技術，則短期內可在國內形成廣泛的刀具涂層加工服務體系，并會帶來巨大的社會經濟效益。 2 國內商業應用PVD技術概況 國內PVD涂層技術的研發工作始于八十年代初，八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機及高速鋼刀具TiN涂層工藝技術。由于對刀具涂層市場前景的看好，國內引進了熱陰極離子鍍及陰極電弧（多弧）離子鍍技術與

3、裝備。技術及裝備的引進摧動了國內刀具PVD涂層技術的第一次開發熱潮，國內各大真空設備廠及科研單位紛紛展開了離子鍍膜機的研制工作，并于九十年代初開發出多種PVD設備。但由于大多數的設備性能指標低，涂層工藝穩定性差，預期的市場效益未能實現，從而導致了近十多年國內刀具PVD涂層技術處于徘徊不前的局面。盡管九十年代末國內成功開發出了硬質合金TiN-TiCN-TiN多元復合涂層工藝技術，并達到了實用水平，但在隨后的發展過程中也并未得到市場認可。隨著我國汽車工業的迅速崛起、先進制造技術的大量引進及數控加工技術大面積的普及，自本世紀初，PVD技術在國內掀起了第二次開發熱潮。與九十年代不同，目前國內PVD技術

4、的發展更具多元性及創新性，歸納起來有以下幾種類型： 陰極電弧法（Cathode Arc Deposition ） 國內已由小圓型陰極電弧技術發展到大面積陰極電弧技術及柱型靶陰極電弧技術，主要用于TiAlN等薄膜的制備。 熱陰極法（Hot Cathode Plating ） 源于Balzers的技術，主要用于TiN等薄膜的制備。 磁控濺射法（Magnetron Sputter Plating ） 近年來，磁控濺射技術一直是國內涂層業的重點發展方向，先后出現了非平衡磁控濺射技術、磁控濺射加輔助離子源技術等，可制備各類薄膜。 磁控濺射附加陰極電弧法 目前國內已較多采用的技術，可用于多種薄膜的制備。

5、空心陰極附加磁控濺射及陰極電弧法 空心陰極在國內是一項傳統技術，其應用市場仍舊存在。為了充分發揮此技術的特點，國內的研究者將空心陰極與磁控濺射技術、陰極電弧技術結合在一起，用于多元薄膜的制備，且這種全新的嘗試已對市場產生了影響。 歸納起來，國內刀具涂層技術開發的目的仍以TiAlN薄膜為主，上述各類技術已可在切削刀具上制取多種膜層，包括TiAlN薄膜，但目前所欠缺的是應用基礎的研究及工業化生產工藝穩定性的保障。 3 當前國內薄膜技術研究的主要熱點 近年來納米超硬膜技術已成為涂層領域研究開發的熱點，自2000年以來在國內已進入持續開發階段。超硬膜定義為硬度大于40GPa，眾所周知，金剛石、立方氮化

6、硼、非晶態類金剛石等具有超硬膜的本征硬度，其研究及應用已經歷了較長時間，但其膜系本身的某些特性卻制約了應用領域的拓展。如金剛石薄膜并不適合于鐵基材料的切削加工，而立方氮化硼薄膜由于難于與刀具基體結合、易剝落，且高純度的c-BN制備困難，也尚未達到商業應用水平。因此近年來薄膜技術的開發熱點更多的集中于非本征超硬膜的研究。非本征硬度超硬薄膜的超硬性和力學性能主要來自于它們組成物的性質和超細顯微結構，其組成物多為氧化物、碳化物、氮化物及硼化物，而其顯微結構達到了納米數量級。 按照Koehler外延異質結構理論，當沉積制備兩種不同彈性模量金屬M（1）和M（2）的多層膜時（EM（1）EM（2），單層膜的

7、厚度尺寸達到較小數量級時，可有效地阻礙位錯源在層內的增殖；當受外部應力作用時，M（1）中的位錯將向M（1）/M（2）界面移動，M（2）中形成的彈性應變會產生一種排斥力，阻礙位錯通過界面，因此多層膜的硬度比由混合規則計算得到的硬度高得多。基于Koehler理論，納米多層膜的研究已逐漸成為涂層界的開發熱點，其設計思路是控制多層膜的一維周期結構，有效調整膜中的位錯、缺陷及運動，從而獲得高硬度、高模量及高溫性能優異的薄膜。 按其組成，納米多層超硬膜可分為如下幾類： 氮化物/氮化物：TiN/VN，56GPa；TiN/VNbN，41GPa；TiN/NbN，51GPa；TiN/SiN，80105 GPa 氮

8、化物/碳化物：TiN/CNX，4555GPa；ZrN/CNX，4045GPa 碳化物/碳化物：TiC/VC，52GPa；TiC/NbC，4555GPa；WC/TiC，40GPa 氮化物或碳化物/金屬：TiN/Nb，52GPa；TiAlN/Mo，51GPa 氮化物/氧化物：TiAlN/Al2O3 硼化物/氮化物或碳化物：TiB/TiN，TiB/TiC，5070GPa 金屬/金屬等 納米多層膜的超硬特性及高的模量預示著在工具領域的廣闊應用前景，因此激發了國內相關科研工作者的開發熱情。自2000年以來，武漢大學、吉林大學、上海交通大學、西安交通大學等相繼開展了類似的研究工作。研究的重點在于各類納米多

9、層膜致硬機理的探索，所研究的膜系涉及C3N4/TiN、TiN/NbN、TaN/NbN、TiN/Al2O3，TiN/Si3N4，TiN/AlN，TiN/TiB2，TiN/SiO2，TIN/SiC，AlN/VN，Si3N4/CrN等，并獲得了所期望的硬度及楊氏模量，而采用的制備手段則以PVD磁控濺射技術為主。上海交通大學金屬基復合材料國家重點實驗室所做的納米多層AlN/（Ti,Al）N膜，當一維調制周期為10nm時，得到最高硬度29GPa；而當一維調制周期為1.3nm時，可得到最高楊氏模量377.8GPa。 但應引起重視的是，要實現超硬效應，經實驗室研究證實，多層膜的一維周期通常應在10nm左右，

10、而以磁控濺射為主的薄膜制備技術則基于通過對靶材與被鍍工件空間位置及時間長短的控制，達到調整此周期的目的。對于復雜型面的切削刀具而言，各型面處獲得均勻一致的納米尺度的多層膜層顯然十分困難，因此，盡管納米多層膜的超硬特性及高的模量有望大幅度地提高刀具的綜合性能，但到目前為止尚未能進入商業應用。 德國慕尼黑工業大學的Veprek等則根據Koehler的外延異質結構理論，提出了納米復合超硬薄膜的理論和設計概念，并采用等離子體化學氣相沉積方法制備了Ti-Si-N（nc-TiN/-Si3N4）薄膜，據稱薄膜硬度可達到105GPa。國內的西安交通大學、青島化工學院、成都工具研究所等也與其合作進行了相關的研究

11、工作，并獲得了具有價值的實驗數據。僅就制備方法而言，PCVD更適合復雜型面工件的納米級薄膜的制備，然而目前工藝的重復性則是影響其商業應用的關鍵問題。 4 國內PVD技術研究及應用存在的問題 4.1 刀具涂層市場的變化 涂層刀具的應用與切削加工技術緊密相關，與九十年代不同，目前的應用更多地集中于硬質合金可轉位刀片、高速齒輪刀具、硬質合金棒式刀具及部分異型刀具。應用于數控機床，其切削加工速度通常高于100m/min，而單一的TiN薄膜已難于滿足使用要求。目前國內商業應用PVD技術，仍以高速鋼刀具涂層為主，盡管市場對涂層刀具的需求不斷上升，例如重慶地區的刀具涂層加工總額已從2000年的100萬元增長

12、到了今年的1000萬元以上，但應用領域仍以摩托車齒輪加工等行業為主，切削速度大多低于50m/min；而在硬質合金刀具領域應用較少，其大多數高端涂層刀具產品被國外涂層公司所壟斷，尤其是國外刀具涂層加工服務中心的出現，使國內的涂層加工服務企業面臨更加嚴峻的競爭局面。 4.2 技術上存在的問題 盡管近年來國內刀具涂層技術有了多元性發展，并已可以制備TiAlN及多層薄膜，但尚未形成真正的、具有國際競爭力的工業化生產工藝技術及裝備，其主要存在的問題如下： 盡管國內的TiN涂層工藝工業應用基礎較好，但在高速切削加工領域及硬質合金刀具涂層方面卻無法滿足市場要求，與國外TiAlN涂層相比，涂層刀具壽命相差10

13、0%200%； 國內的TiAlN涂層技術在成分、薄膜結構、致密性、結合強度以及均勻性等方面尚不成熟，在常規切削加工中，所表現出的性能與TiN相比并未顯現出其優越性； 在現代先進切削加工制造中，精密成型加工的要求越來越高，通過合理的薄膜制備技術獲取致密的薄膜組織及光整的表面形貌乃是高水平刀具涂層技術發展的基礎與根本，與九十年代不同，國內已淡化了薄膜制備技術的基礎研究工作。 盡管國內許多院校正在開展多種超硬薄膜材料的研究工作，也獲得了極具價值的實驗數據，比如含硅、硼等納米多層膜，但就商業應用而言，其與市場要求仍存在較大差距，究其原因可歸納為幾方面：目前研究的重點僅在于超硬膜致硬機理的探索，而缺乏制

14、備技術的基礎研究；受條件所限，國內超硬膜的制備仍以普通磁控濺射技術為主，對于復雜型面切削刀具的超硬薄膜的制備而言，并不是最佳的選擇；與商業應用技術緊密相關的薄膜結合強度的提高、內部應力的控制技術的研究則少有人問津。 4.3 涂層設備開發制造存在的問題 由于缺乏資金支持，國內涂層設備在設計、開發上與國外差距較大，盡管也有某些創新思路，但絕大多數設備制造商延續了原有的設計概念，設備的結構與九十年代大同小異，由于對薄膜制備機理缺乏深入研究，因此在設備的設計上存在盲目性。 4.4 整體配套性差，應用基礎研究缺乏 整體配套性差、應用基礎研究缺乏一直是困擾國內刀具涂層技術發展的瓶頸。目前刀具涂層的趨勢是以

15、發展涂層加工中心為主，因此技術的整體性極為關鍵，前處理技術、涂層工藝技術、后處理技術及質量控制技術都是應予考慮的。而國內涂層設備制造商大多僅以提供涂層主機為主，這種模式阻礙了工業化生產的快速推進；另一方面也造成設備制造商與市場的嚴重脫節，制約了技術的良性發展，使得創新無從談起。 5 結語 國內刀具涂層技術發展應重點考慮以下兩點： (1)加強該項目的規劃及管理工作 國家政府部門需加強刀具涂層項目的規劃及管理工作，明確短、中、長期發展目標，堅持引進消化吸收與自主創新相結合的方針，結合我國“十一五”發展規劃，確立刀具涂層整體發展思路，在政策上和資金上給予支持。 (2)確立研究及開發新思維 刀具涂層技

16、術集材料、制備方法、真空技術、切削加工技術于一體，既具有綜合性，又具有前沿性，要實現良性發展，必須樹立合理的、整體的研發思路。從國內幾十年的刀具涂層技術的發展看，各研究環節的脫節是制約其發展的癥結。開發的思路應遵循：市場薄膜性能研究制備方法研究實驗室裝置開發應用基礎研究工業化生產設備設計制造應用工藝技術研究市場評定，并形成循環。 盡管目前國內刀具涂層技術與國際先進水平相比存在較大差距，普通的TiAlN涂層技術也還不成熟，但巨大的應用市場及國家對創新、綠色制造技術日益迫切的要求，已經推動了國內刀具涂層技術的創新發展。據稱目前國內已有研究者開發出了極具應用價值的超硬薄膜制備技術，且初步工藝試驗表明，其涂層高速鋼及硬質合金刀具的性能已達到了目前國際先進水平，相信不