刀具涂层的研究进展及最新制备技术
2018-8-14 来源：转载 作者：王铁钢 张姣姣 阎 兵
摘要 刀具涂层是机械加工行业实现高效率、高精度、高柔性和绿色制造的有效途径，其优异的综合性能不仅可延长刀具的使用寿命，而且能大幅度提升机械加工效率和零件的表面加工质量，尤其针对钛合金、高温合金等难加工材料的切削，极大降低了加工成本。文章概述了刀具涂层的特点、类别及刀具涂层材料的应用，总结了化学气相沉积技术、物理气相沉积技术、物理化学气相沉积技术的原理及优缺点。阐述了刀具涂层的发展历程，即从常用涂层到纳米复合涂层、功能梯度涂层等新型涂层，并对新型刀具涂层和最新制备技术的发展做了简单的分析与介绍。
关键词 刀具涂层 磁控溅射 电弧离子镀 离子束辅助沉积 切削性能
如今，随着制造技术全球化趋势的快速发展，对机械加工行业切削技术的要求逐步提高。刀具涂层的出现使加工高效性、精确性、专业化程度都有利于制造业的进步，因而刀具涂层技术得到世界各个国家的广泛关注。各种高强度合金和冷硬铸铁的广泛应用，汽车发动机薄壁缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴的加工精度及效率要求的不断提高，这些都对高速切削技术提出了新要求。
选择合适的刀具涂层材料对降低刀具材料消耗，获得良好的加工精度和表面质量，提高难加工材料切削刀具的寿命、效率等方面都具有决定性作用。近年来，提高涂层与基体的结合强度，刀具涂层的强度、硬度、韧性、抗氧化、耐高温和耐磨损等性能，能够拓宽涂层刀具在干式切削加工中的应用，满足新型难加工材料的高速切削加工及现代金属切削加工需要有高的速度、进给率、可靠性、耐磨性和良好的切削可控性的条件。使得刀具涂层技术从单一的刀具涂层逐步的发展成多元、多元复合、纳米复合涂层等具有优良特性和卓越机械性能的涂层刀具，不但可以增加刀具涂层的使用寿命，还可得到较好的加工效果。刀具涂层的研究进展同时也促进了新制备技术的出现。例如，近些年来最新发展并最受欢迎的先进的制备技术: 高功率脉冲磁控溅射技术 ( HIP-IMS) ，离子束辅助沉积技术和磁过滤电弧离子镀技术。因为可以制备出工业上所需要的耐腐蚀耐摩擦薄膜、超硬薄膜、超导薄膜及具有综合机械性能的薄膜，所以成为制备并研制刀具涂层的主流技术。
1 、刀具涂层简述
刀具涂层是在真空条件下，采用气相沉积技术在硬质合金、高速钢( HSS) 刀具基体表面上，或者金刚石、陶瓷、立方氮化硼等超硬材料刀片上，沉积单层或多层抗高温、耐磨损的难熔金属化合物硬质涂层。涂层避免了刀具与工件间的直接接触，使扩散和化学活性降低，提高了抗氧化、抗粘结、抗磨粒磨损、抗月牙洼磨损的性能。涂层刀具良好的综合切削性能，满足了高速切削加工中提高加工效率与加工质量的要求。总结起来涂层刀具有以下特征:
(1) 刀具涂层可在保证刀具强度不降低的情况下，大幅度的提高刀具表面硬度。
(2) 固相润滑性能良好的刀具涂层，具有较高的抗粘结性能和较低的摩擦系数，可明显改善工件表面加工质量，满足干式切削加工的恶劣条件。
(3) 刀具涂层的不断升级换代，使得一系列刀具涂层表现出优异力学性能和摩擦学性能，又表现出氧化性良好的热稳定性和化学稳定性，在对难加工材料的高速切削中，极大地提高了刀具的使用寿命和加工效率。
(4) 涂层刀具可极大地减少冷却液或润滑液的使用及刀具材料的消耗，降低切削加工成本，提高生产效率。
(5) 数种非涂层刀具可以由一种具备多种材料综合性能的涂层刀具替代，即减少了刀具的品种和数量又简化了刀具管理，还可以降低刀具的使用成本，因此涂层刀具应用性强，加工范围广。
2、 刀具材料进展
刀具材料的发展对于机械加工行业的快速发展具有重大意义，随着刀具材料性能的不断改进，特别是刀具涂层的出现和日益优化，使得刀具的切削加工水平和效率在不断地提高。除此之外，还可逐渐满足难加工材料钛合金、陶瓷等的高速切削要求。自 1900 年后至今，刀具材料及加工时间的发展变化如图 1 所示。可见，刀具材料技术的发展缩短了100 倍的切削时间。1960 年之后，涂层刀具的出现，使得加工时间缩短了 4 倍。最初使用的刀具材料是碳钢，因为碳的含量越高，钢的耐磨性越好，但韧性较差，使用温度低，切削性能差且加工效率不高。后来出现的高速钢的耐热能力和切削性能明显优于碳钢。随着制造业的发展，淬硬钢、高锰钢、耐磨铸铁等材料的使用增加，新型材料的出现，虽然高速钢及硬质合金刀具在普通的切削加工中应用比较广，但是硬度、耐磨性和耐高温能力都不是很高，满足不了高速切削的加工要求，刀具涂层的应用有效改善了现有刀具的切削性能。随着涂层技术的不断更新，刀具涂层已由最初的单层发展到多层复合、梯度涂层、纳米复合结构，最近又新出现了混合式复合涂层，逐步缩短切削加工时间，提高加工效率，对加工制造业产生了深远的影响。刀具涂层的出现即大幅度的缩短了刀具切削加工时间又使得高速切削难题逐步被解决，刀具涂层材料将持续发展，可逐渐实现当代先进制造业高效率、高精度、高柔性和绿色化发展。
图 1 刀具材料与加工时间随年代的变化
3 、真空气相沉积技术
真空气相沉积是将反应室抽成真空，利用各种方法，使金属或金属氧化物成为气态原子或分子，入射沉积在金属或非金属表面，形成固态薄膜。真空镀膜相比传统的电镀法，具备耗能低、污染小、无毒、无废液、成本低、应用范围广、镀层质量高等优点，是镀膜领域发展前途很好的一项新技术。真空是涂层气相沉积的必要条件之一，在真空下活性反应气体氧气含量较低，并且具有气体分子间碰撞少，化学非活性，热导低，压力低的特点，所制备的薄膜孔隙率和杂质含量低; 真空度还会影响沉积离子的动能，改变涂层的生长机制，还可细化晶粒，影响涂层物相结构与分布，从而获得高硬度、高纯度的涂层。气相沉积是在合适的工艺参数条件下，通过气相中发生的物理、化学反应，在基体表面上形成具有特殊性能薄膜的方法。气相沉积技术根据涂层形成的基本原理包括: 化 学 气 相 沉 积 ( CVD ) 、物 理 气 相 沉 积( PVD) 、物理化学气相沉积( PCVD)。
3． 1 PVD 技术
PVD 是一种利用溅射或蒸发等之类的物理气相方法，在真空环境中的衬底上凝聚形成涂层的过程。目前，PVD 的主要方法有溅射镀膜、真空蒸发镀膜、电弧、空心阴极、活性反应等离子体镀膜。涂层沉积过程是在真空和气体放电( 即低气压等离子) ，大电流电弧放电，低电压条件下进行的。固态物质的涂层反应源蒸发或溅射后，与送入的反应气体通过电离、复合和反应等物理过程，生成新的固态物质，沉积在基体表面，形成均匀致密的硬质薄膜和它们的复合涂层薄膜。
随着高新科技的快速发展，物理气相沉积经过不断地改进出现了新的亮点，像多弧离子镀与磁控溅射兼容技术，非平衡磁控溅射技术，孪生靶技术等使得物理气相沉积技术不断地满足工业化大规模的发展。优点: PVD 技术制备出的薄膜具有硬度和强度高、热稳定性好、耐磨性好、化学性能稳定、摩擦系数低、组织结构致密等优点。与 CVD 相比低温沉积且薄膜内部的压应力状态对硬质合金精密复杂刀具的涂层更为适合。PVD 工艺无污染 ，可实现绿色化制造。PVD 涂层技术不仅广泛用于各种切削加工刀具、钻头等的涂层处理而且涂层成分也由单层涂层、多元涂层发展到多元复合涂层。缺点: PVD 技术制备涂层薄膜要求基体的清洁度高，而由于绕镀性差使得覆盖台阶、复杂零件等的能力差，工艺重复性不好且加工成本高。
3． 2 CVD 技术
CVD 是利用等离子体激励、加热等方法，使反应物质在一定温度和气态条件下发生化学反应并以生成的固态物质沉积在适当位置的基体表面，进而制得的固态薄膜或涂层的工艺技术。CVD 是一种非常灵活、应用广泛的制备涂层的化学气相生长法，即将含有组成薄膜元素的单种或多种化合物、单质气体供给放置有基体的真空反应室，借气相作用在基体表面上形成所要求的固态薄膜或涂层的方法。利用等离子和激光辐射技术还可以获取活化能，从而能在较低的温度下进行沉积。如今化学气相沉积技术不仅广泛应用于各种单晶、多晶或玻璃态无机膜材料的沉积且已成为无机合成化学的一个新领域。优点: CVD 可以在真空低的条件下沉积涂层，各种氮化物、碳化物、氧化物、硼化物、硅化物涂层的制备可在低于其熔点或分解温度的沉积温度下进行，设备简单，同一种膜的制备可选用不同的化学反应，灵活性比较大即反应原料的成分不仅可以调节和改变，又能控制涂层的特性和成分。又因为绕镀性好适合用于形状复杂的零件和沉积内壁、内孔等的镀膜。缺点: 工艺温度高在应用上受到限制，针对局部表面沉积涂层时没有 PVD 技术方便，沉积速率不是很高比溅射镀膜还要低，镀膜后需真空热处理。制备的涂层表面粗糙，需要采取措施解决环境污染问题。
3． 3 PCVD 技术
PCVD 是结合辉光放电的物理过程与 CVD，在低压辉光放电的阴极上放上样品，合适的温度下，通入适量的气体，利用相结合的化学反应和离子轰击过程，通过精确的监控来保证工艺参数的稳定。样品表面获得涂层不仅具有 PVD 的低温性而且还具有 CVD 的绕镀性，化学成分和结构性能易于调整，因而适用于 PVD、CVD 技术镀膜的某些范围有可能被取代。优点: PCVD 技术可实现低温沉积，绕镀性也比较好，制备出的薄膜还具有较高的膜基结合力。缺点: 真空度低、镀膜杂质含量较高、硬度低、沉积速率过快、化学反应不完全、PCVD 设备的腐蚀较严重。
4、 刀具涂层材料的分类及应用
刀具涂层的合理应用，不能仅根据涂层的成分和是否具有高的硬度、韧性、抗氧化性来选择，必须从实际的切削工况及不同的切削条件进行综合考虑，以达到获得最大经济效益的目的。如车削加工、钻削加工、铣削加工、螺纹加工，不同的加工方法有不同的加工特点，依据不同的加工特点来考虑刀具涂层的硬度、高温抗氧化性、韧性、薄膜致密性等哪个应该为首选因素。图 2 是几种典型的常用涂层刀具实物图。在金属切削加工刀具中，有许多经过镀膜技术处理的涂层刀具，如在刀具上涂覆金黄色的 Ti N、Zr N 涂层，在切削刀具上覆盖黑色或灰色的 Ti C、Cr N 涂层，在铣刀、钻头等工 具上 涂覆古 铜 色 的Ti Al N 涂层等一系列各种颜色的涂层刀具。刀具涂层材料的分类方法较多，即可以根据涂层材料的性质来分，也可以根据材料的种类及制备方法、应用、化学构成来分。
图 2 典型涂层刀具实物照片
表 1 是常见涂层材料的特征及应用情况。
表 2 是按照化学键的种类对涂层材料进行归纳分类。
5、 刀具涂层的发展历程
常规的过渡族金属氮化物涂层，像 Ti N、Cr N 等早已被广泛应用，但现代实际加工条件的愈加苛刻及更高的切削加工精度要求使得它们无法满足，故相继开发出成分多元化、功能多样化的涂层。新型涂层具有比传统涂层更高的硬度和抗高温氧化能力，已成为当今刀具涂层发展的重要方向，图 3 所示为刀具涂层提供的改性作用。
图 3 刀具涂层提供的改性作用
5． 1 常规涂层
(1) 氮化钛( Ti N) 涂层: Ti N 是利用 PVD 技术制备的一种最常见涂层，不仅可以提高刀具硬度、韧性、使用寿命，而且还有较高的抗氧化温度。该涂层相对来说具有一定的抗腐蚀、抗氧化及耐磨损能力，故应用于高速钢切削刀具或成形工具可获得良好的加工质量。
(2) 碳化钛( Ti C) 涂层: Ti C 涂层是涂层技术初期最早被开发出来的一种单一涂层，涂层的的硬度比 Ti N 高，较强的机械磨损性能和基体粘结力，在切削加工过程中可降低加工阻力和切削温度。其缺点是涂层脆性、韧性、抗弯强度较低，适合于刀具产生剧烈磨损及连续切削的场合。
( 3) 氮碳化钛( Ti CN) 涂层: Ti CN 涂层是由 Ti N 涂层加入合金化元素 C，Ti N 晶格中部分氮原子被碳原子所取代而形成的同时具有 Ti N 和 Ti C 优点和特征的三元涂层。Ti CN 在摩擦学应用的磨损机制要优于 Ti N，这是因为 Ti CN 涂层中由于 C 的存在作为润滑剂降低了摩擦磨损。但是，在温度高于400 °C 时该涂层就会失效，因此 Ti CN 涂层适合运用于工作温度低于 400 °C 高速钢刀具。
( 4) 钛铝氮( Ti Al N) 涂层，: Ti Al N/Al Ti N涂层是在 Ti N 基本结构中 Al 替代 Ti 而形成的具有立方 Na Cl 结构的复合涂层。该涂层中氧化铝的存在使薄膜导热性降低从而提高刀具的高温加工寿命。由于高硬度和耐磨性，以及良好的热稳定性能和时效硬化能力，是最先进的加工工艺( 例如: 高速干式切削) 的首选耐磨材料之一。Ti Al N 比 Ti N 涂层刀具具有高的硬度、氧化温度，好的红硬性、附着力，低的热膨胀系数及摩擦系数。切削性能优于Ti N，可应用于铸铁、不锈钢、高温合金的高速切削或干式加工。
(5) 铝钛氮( Al Ti N) 涂层: Al Ti N 和 Ti Al N 涂层区别在于铝和钛的比例不同，Al Ti N 涂层优异的力学和热学性能被广泛的应用于耐磨领域，这很大程度上归功于铝含量的增加。与 Ti N 涂层相比，Al Ti N 涂层作为刀具的保护层，可减少磨损量及更大的冲击周期所导致的断裂。由于晶粒细化后组织结构更加致密，Al Ti N 涂层比 Ti Al N 涂层硬度更高，同时兼具了 Ti Al N 涂层优良的综合机械性能，是高速干式加工的一种理想涂层。
(6) 氮化铬( Cr N) 涂层: Cr N 涂层基于高硬度，高的热稳定性，抗磨损和抗腐蚀性能，是一种受欢迎的低摩擦涂层。极高的变形表面和大晶粒尺寸的Cr N 结构可以为润滑剂提供微储藏，从而使 Cr N 涂层也适用于在润滑条件下工作的部件。另外，良好的抗粘结性能使 Cr N 刀具涂层在容易产生积屑瘤及切削 钛 合 金、铝 等 软 材 料 加 工 中 成 为 首 选 涂层。这种几乎无形的 Cr N 涂层涂覆在高速钢、硬质合金材质的车刀、铣刀、成形刀具上，可大大改善刀具的加工性能，因此，在工程中得到了广泛应用。
(7) 金刚石( Diamond) 涂层: CVD 金刚石涂层在刀具上的应用比较成熟，可为非铁金属材料加工刀具提供最佳性能，是加工陶瓷、石墨、金属基复合材料( MMC) 、高硅铝合金、碳-碳复合材料、高磨蚀材料等的理想涂层，这是因为刀具的磨损主要是由粘结、腐蚀、扩散等引起的热、化学磨损，硬颗粒刻划作用所导致的的机械磨损 ( 注意: 纯金刚石涂层刀具热稳定性差，在高温条件下会失去硬度和碳化。除此之外，与铁有很强的亲和力。故不适合加工钢铁件，以避免破坏涂层与刀具间的粘附层)。金刚石涂层刀具有很高的热导率、抗高温氧化性，刀具寿命高于没有涂层的硬质合金刀具，最适合用于表面光洁度要求高、抗腐蚀磨损和抗磨粒磨损的切削加工情况。
(8) 立方氮化硼( c-BN) : 立方氮化硼主要是在高温高压工艺下由人工合成的立方聚晶氮化物，硬度和热导率仅次于金刚石，具有热膨胀、密度较小和良好的热稳定性，低断裂韧性的特点。更重要的是，立方氮化硼不仅有金刚石的许多优良特性而且几乎不与铁族元素发生反应，对于黑色金属具有优异的化学和热稳定性。立方氮化硼涂层除了良好的耐磨性，还能切削加工高硬度和对刀具有严重磨损的合金材料，因此，加工冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金 、硬质合金等难加工材料时立方氮化硼往往成为最佳选择。切削、钻削、滚齿和攻丝等属于不同的加工，适用的涂层也各不相同，涂层结构方式有: 单涂层、双涂层或多涂层、复合化合物涂层、梯度涂层、纳米涂层及纳米复合涂层等类型，各自有其特定的使用场合。进一步提高了刀具的使用寿命，典型涂层结构如图 4 所示。
图 4 典型涂层结构
5． 2 新型涂层
(1) 合金涂层: 因为固溶强化( 晶格畸变) 、共价键结合能增加( C 取代 N) 、沉淀硬化( 第二相析出) 、抗氧化能力改善、抗氧化元素的添加，如 Al，Zr，Cr 等所以硬度提高。例如 Al-Fe-Mn-Si 系多主元合金涂层是采用激光熔覆技术在铝合金表面制备而成，涂层表面的显微硬度相比于基体的硬度提高了 2 倍，激光熔覆制备的 Al Fe Mn Si Zn 多主元合金涂主要是具有简单 FCC 结构的 α-Al 固溶体且涂层中还生成了少量金属间化合物 Al13Fe4 和 Al6Mn，由于多主元合金涂层存在最为合适比例的韧性相和硬质颗粒，故表现出最优的耐磨性能。
(2) 类金刚石涂层: 类金刚石 ( Diamond-likecarbon coating，简称 DLC) 涂层的制备即可以用在高温或者等离子场中将碳的化合物电离或分解，在基体上发生化学反应而形成涂层的 CVD 技术制备，也可以由 PVD 制备。DLC 涂层不是由单质而是由sp2和 sp3键和几乎没有的 sp1键组成的，性质介于金刚石和石墨之间的亚稳态非晶碳，因此兼具了金刚石和石墨两者的优良特性。DLC 涂层由于硬度高、摩擦系数低、自润滑性好、热传导高、化学惰性和抗粘着而被用于软金属的铣削，大大提高了加工质量，具有很好的应用前景。
(3) 纳米复合涂层: 它是由孤立的纳米晶( 如nc-Ti N) 镶嵌在很薄的非晶层( 如 a-BN) 中形成的一种复合结构涂层。由于该涂层纳米晶硬度较高，非晶相塑性好，两相界面内聚能高，晶体相和非晶相在热力学上呈分离趋势; 细小的纳米晶内无法形成位错，晶粒间的薄非晶层可阻挡晶界滑移，大量的两相界面增加了微裂纹扩展阻力的特征。因此，纳米复合涂层在刀具上的应用，可发挥其高硬度 (＞ 40GPa) 、高韧性、优异的耐磨性能和高温热稳定性等优势，比普通涂层具有更好的耐腐蚀性能，适合用于高速切削、干式加工等工况。纳米复合涂层由传统 Me N( Me 包括 Ti、Cr、Zr、Ti Al、Cr Al 等) 涂层发展起来的，主要包括 Me-Si-N( nc-Me N/a-Si3N4) 和Me-B-N( nc-Me N，Me B2 / a-BN) 两类，通过向 Me N 涂层中分别添加 Si、B 等元素形成。涂层中的软质非晶相在一定程度上可缓冲外载荷引起的晶粒滑移，降低其抗弹性变形能力，同时也增加了涂层韧性。
图 5 是涂层中添加 Si 或 B 等元素后，由晶体结构向纳米复合结构转变的示意图。
图 5 纳米复合涂层微观结构演变示意图
(4) 多层复合涂层: 多层复合涂层是通过改变结构和化学成分的方法获得的，一般由两种不同的材料按一定的周期交替叠加形成，可集中每种材料的优异特性，控制每一层膜厚在几个纳米或更小量级，更重要的是能发挥协同作用效果，如超模量效应、超硬效应等。多层复合涂层可以在单一涂层原有性能的基础上，进一步提高其韧性、硬度及抗高温氧化性能来更好地满足现代难加工材料的高效加工。在生产应用方面，欧瑞康巴尔扎斯涂层公司已将 Al Cr O/Al Cr N 多层复合涂层应用于齿轮滚刀表面，并在工具镀膜行业已占有绝对优势，图 6 是其生产的多层膜截面形貌照片。
图 6 巴尔扎斯涂层公司生产的 Al Cr O/Al Cr N 多层复合涂层截面形貌
(5) 混杂涂层: 采用 Alloying + Nanocomposite概念: 可实现超硬、韧性提高、耐磨性改善、抗氧化性能提高、抗腐蚀性能提高。其过程是以金属和金属化合物为原材料在基体表面上进行合金化，制备金属化合物增强金属间化合物基体复合涂层。如金属间化合物 Fe3Al 密度低，且具有优良的抗磨损、抗高温氧化、抗腐蚀和硫化等性能。Fe3Al 相可有效增强 Ti C-Fe3Al 金 属陶瓷的韧性，Ti C 颗粒的加入使Fe3Al 的高温力学性能和硬度明显提高，研 制的Ti C / Fe3Al 复合涂层具有较好的抗高温氧化、耐高温冲蚀的能力，可解决淬硬钢难加工的问题。
(6) 高熵合金涂层: 高熵合金涂层是以简单的体心立方或面心立方固溶体结构呈现的。该涂层通过高熵简化高熵合金微结构，使微结构纳米化及非晶质化，且可设计合适的合金配方，从而使其具有较高的强度、硬度、韧性和优异的耐磨、耐高温、耐腐蚀性能。高熵合金涂层不仅可以强化一些特性还有着常用合金涂层不及的优异特性，用在刀具上使得刀具材料的很多缺陷得以改善。
(7) 功能梯度涂层: 是一种集各种组成要素于一体，结构单一或综合性变化，可设计性强的非均质复合涂层。功能梯度涂层由于空间梯度变化的引入，可有效提高涂层的力学性能和使用寿命。内部界面的不明显可使其功能和性能在厚度上呈梯度变化，用作涂层或中间层具有优良的隔热性能，连续功能梯度涂层可减小粘结失效、应力集中、开裂和剥落等缺陷，改进表面性能，减小高温条件下的残余应力和热应力。在硬质合金或高速钢刀具上沉积成分渐变的梯度涂层可显著改善膜/基结合力。单一涂层和梯度涂层的结构示意图如图 7 所示。
图 7 单一涂层和梯度涂层的结构示意图
(8) HI3 SIBONICA 涂层: SIBONICA ( ( Al，Ti) N / Si BNC( O) ) 涂层是利用新型的高离化混合 PVD工艺 HI3 技术制备的新一代刀具涂层，其抗氧化性能最佳。“混合工艺”指在同一涂层设备中采用多种涂层工艺沉积涂层或薄膜。HI3( 三重高离化) 混合技术结合了高离化等离子体辅助涂层( HIPAC) 技术的高离化溅射工艺，先进等离子体辅助电弧技术( APA-Arc) 的高离化电弧工艺。保证了优异的结合强度，并将引领高性能精密刀具和零件涂层当今和未来的发展。该技术制备的涂层在较高温度下仍然是稳定的非晶态且具有较低的导热性，可用在对涂层热屏障作用要求较高的加工场合，如非氧化陶瓷涂层切削刀具。
6、 最新涂层制备技术
目前，磁控溅射和电弧离子镀是用于沉积硬质涂层的两类主要 PVD 涂层技术。如今，工业上广泛应用的真空镀膜技术之一的传统磁控溅射技术，虽然具有低温沉积、表面光滑、沉积速率快、无颗粒缺陷等许多优点，。但金属离化率低，易生成粗糙多孔的薄膜，膜基结合力差，涂层易脱落失效。电弧离子镀技术虽然比磁控溅射技术具有金属离化率高和膜基结合力强的优点，但是存在一个严重的应用缺陷，即大颗粒缺陷对薄膜的污染问题，该问是否能够解决成为了电弧离子镀技术发展的瓶颈。为了进一步提高涂层性能及加速在机械加工行业的推广，对以下新涂层制备技术的成果转化已成为涂层领域的迫切需要。
6． 1 高功率脉冲磁控溅射技术
高功率脉冲磁控溅射( Hi PIMS) 技术是近年来发展起来的是一种为溅射靶材提供高离化率脉冲的PVD 技术，Hi PIMS 是新一代 PVD 涂层技术 。该技术比传统磁控溅射的脉冲峰值功率高 1000 倍或更高，可实现金属高离化率( ＞ 50% ) 。高功率脉冲磁控溅射技术具有磁控溅射无颗粒缺陷、表面光滑和电弧离子镀低温、离化率高、内应力可调、均匀沉积、膜基结合力强、涂层致密的优点，且离子束流不含大颗粒，相比于 其他电源，其放 电 的 占 空 比 低 ( ＜1% ) ，脉冲宽度( 通常介于 5 和 500 μs) 相对较小，在控制涂层微结构的同时可获得较高的膜基结合强度，降低涂层内应力，提高涂层的致密性、均匀性，特别是沉积材料到复杂几何形状工件不同区域的导向作用等，都存在着显著的技术优势，被认为是 PVD近些年来发展史上的一项尤为重要的技术突破。图8 为采用高功率脉冲磁控溅射与其他技术制备沉积的 Ti Al N 涂层刀具的切削性能对比。
图 8 采用不同 PVD 工艺沉积 Ti Al N 涂层后，刀具切削高强钢时后刀面磨损情况对比
6． 2 离子束辅助沉积技术
离子束辅助沉积技术是由物理气相沉积和离子437注入形成的一种新型的表面材料处理技术。它是在物理气相沉积的同时，用一定能量的离子束轰击正在生长的沉积薄膜表面并将额外的能量传递到沉积薄膜的材料上，增强薄膜结构的致密性，提高薄膜性能，同时通过改变薄膜表面环境来影响沉积薄膜的成分、结构、性质的过程。离子束溅射沉积期间应用的辅助离子束有助于增加吸附原子的迁移率，从而获得更光滑的表面质量，更小的晶粒尺寸，更高的膜基结合强度，相对较低的压缩特性的内应力，而小尺寸的晶粒和存在的压应力都有助于材料获得较高的硬度。离子束辅助沉积技术制备的涂层的硬度要比大量相同成分样品的硬度高得多。该技术保持了离子注入的优点，且在离子束辅助沉积过程中，可选择改变离子束的能量、离子束流密度、以及离子束的入射角度和入射离子的种类，同时又可单独的改变这些参数，制备常规制膜技术很难制备的涂层薄膜，因此，这项技术近几年来引起了广泛的重视。
6． 3 磁过滤电弧离子镀技术
磁过滤电弧离子镀技术是结合电弧离子镀技术设备简单、沉积速度快、工作温度低、离化率高、绕镀性好、入射离子能量高、工作电压低的优点，同时利用磁场过滤技术解决电弧离子镀技术制备薄膜时产生的影响薄膜表面质量，破坏薄膜连续性生长，降低薄膜综合性能的大颗粒污染问题，是一项具有非常重要工程意义的涂层薄膜制备技术。它是利用电弧放电的原理，在真空室中，靶材放电产生等离子体，并用过滤器滤掉等离子束流中存在的中性大颗粒，获得纯净离子束，之后在样品表面沉积形成涂层。磁过滤电弧离子镀( MFAIP) 技术利用磁场对等离子体以及大颗粒的不同作用将大颗粒过滤掉，制备出的薄膜或涂层可以有效地排除沉积过程中有不良影响的大颗粒和中性微粒。与其他沉积技术相比，不但可以通过调整设备参数控制薄膜的成分而且该技术还可获得晶粒微细、膜基结合力强、致密性良好、硬度高的涂层薄膜，在工业化生产中具有更广泛的应用前景。
7 、小结
近年来，随着材料制备技术的不断升级换代，新型超强、超硬材料也在不断涌现，并伴随着高速高精切削、干切削，以及以车代磨等新工艺的推广，都将对刀具切削性能不断提出更高要求，而性能优异的刀具涂层是实现刀具高端、高速加工的必要条件。刀具涂层的使用环境非常苛刻和复杂，涂层表面要承受 900 ～ 1000 °C 以上的高温和超过 1 GPa 的应力载荷，除强烈的磨削、粘着和摩擦/化学磨损外，间断摩擦带来的热疲劳也常导致涂层失效; 不同工况条件下，切削不同材料时，磨损机理也不相同，低速切削时主要为磨料磨损，随着切削速度的提高，切削温度的增加，粘结磨损和化学磨损会越来越突出; 通常每一种刀具涂层材料都会有最为合适的加工对象。鉴于以上，在设计刀具涂层时，要综合考虑结合强度、硬度、韧性、热稳定性和化学稳定性、弹性模量、导热、膨胀系数和摩擦系数等，制备多功能涂层。随着低温、低压气相沉积技术的进步，特别是等离子体、离子束等辅助沉积技术的出现，不断促进刀具涂层的更新换代，推动新型涂层刀具的产业化发展。
来源：天津职业技术师范大学 天津市高速切削与精密加工重点实验室 天津
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