高速鋼、硬質合金、工具鋼和不銹鋼是常用的涂層基體材料。本文提供了應用于刀具、模具、易磨損部件以及其他零部件的涂層及其制備工藝的基本信息。

    物理/化學氣相沉積

    物理氣相沉積（PVD）是一系列涂層工藝的統稱。其中，最常見的PVD工藝包括蒸發（采用陰極電弧或電子束源）和濺射（采用磁場強化陰極，或圓柱形/空心陰極源）。

    PVD過程在真空中進行，工作氣壓通常為10-2至10-4mbar。在涂層過程中，到達基體的陽離子具有較高的能量，因此通常涉及到對基體材料的轟擊效應。此外，在金屬的沉積過程中，可以向真空室內充入一些反應氣體，如氮氣、乙炔、氧氣等，生成不同成分的化合物涂層。以上這些作用使得涂層和基體間具有很高的結合力。

    PVD的應用范圍在不斷擴大，總體來說，可分為功能性涂層和裝飾性涂層兩大類。

沉積后爐腔中基體轉架和樣品的裝夾

    功能性PVD涂層用來提高刀具或零部件的壽命以及綜合性能，因此能夠減少每件產品的制造成本，例如高速鋼立銑刀表面的TiN涂層。

    裝飾性PVD涂層用來美化產品的外觀，同時提高其耐磨性。這類涂層可以同時改善外觀和性能，例如不銹鋼門把手上的鋯基涂層，這種黃銅色涂層的耐磨性和耐腐蝕性比真正的黃銅更高。

    化學氣相沉積過程是一種氣氛控制的過程，通常在約1052℃（1925°F）的CVD反應器中進行。在此過程中，不同的氣相在CVD反應器中發生反應，生成的固相沉積到受熱的基體表面，形成涂層薄膜。隨著不同的反應氣體通入反應器，在刀具基體上生成了不同的涂層。例如，TiN涂層由以下化學反應獲得：

    TiCl4 + N2 + H2 → TiN + 4HCl + H2（1000℃）TiC可由以下化學反應獲得：

    TiCl4 + CH4 + H2→ TiC + 4HCl + H2（1030℃）這些反應的最終產物（硬度高、耐磨性好的涂層）以化學或冶金的方式與基體相結合。CVD涂層具有優異的耐磨損和抗擦傷性能。

    涂層的基本原理

    PVD或CVD涂層應用于刀具的根本原因其實很簡單——降低制造成本，用戶能夠在更快的切削速度和更大的進給量下體驗到更長的刀具壽命。節約的成本計算起來更容易：

    減少預防性維護和更換刀具所占用的停機時間+提高生產效率+因提高刀具壽命降低的刀具成本=顯著且實在的節省成本使用涂層所產生的成本節省可直接算入凈利潤。

    在特定的使用場合中，涂層在其性能上會有一些變化，以提升其使用性能。其中，兩種主要的特性是所有涂層的基礎：高的顯微硬度和潤滑性（低摩擦系數）。

    PVD涂層和CVD涂層的平均相對顯微硬度超過硬質合金，高硬度使切削刀具、成型工具以及磨損部件在抵抗磨粒磨損時受到更好的保護。

物理氣相沉積（PVD）基本原理

    至于潤滑方面，涂層的摩擦系數能夠遠低于未涂層基體。例如，在成型工具中，降低摩擦系數意味著阻力減小，從而降低了工具受到的作用力。在切削應用中，降低摩擦系數意味著加工過程中產生的切削熱更少，從而延緩了切削刃的破裂。在涉及到滑動組件的應用中，涂層極大地減緩了材料發生粘結的趨勢，減少摩擦并使滑動組件的移動更加自由靈活。

    工具壽命的提升

    保守估計，PVD或CVD涂層刀具的壽命比未涂層刀具長兩到三倍。在某些應用中，涂層刀具的磨損壽命相較于未涂層刀具甚至能延長10倍以上。合適的基體和涂層的匹配對刀具壽命能夠起到顯著的提升效果，但難點在于如何根據特定的應用領域來做出選擇。從被加工件的材質、刀具基體的失效模式到刀具的公差等，眾多的變量都是在選擇涂層工藝及涂層成分時需要考慮的。

 TiN涂層花鍵拉刀

    一般來說，當材料和公差允許時，在許多領域中，CVD涂層比PVD涂層的效果更好。CVD工藝使得涂層與基體間建立了冶金和擴散型的結合。這種結合方式比PVD工藝中的物理結合的強度更高。但CVD工藝存在的問題是其沉積溫度過高（1052℃），限制了CVD工藝的應用，因為在某些應用條件下基體材料難以承受如此高的溫度。

    PVD工藝的使用范圍更加廣泛。這主要是因為PVD工藝相對較低的沉積溫度（196~510℃）以及更加合適的涂層厚度（2~5μm）。這些特性使得PVD工藝更加適用，尤其是在需要保持接近的公差范圍以及基體材料對溫度敏感的情形下。

    例如，當采用CVD工藝制備高速鋼立銑刀表面涂層時，刀具的直線度和同心度將會受到影響。因此，PVD工藝更適用沉積立銑刀用涂層。對大多數材料來講，只要選擇了合適的沉積溫度，更低的沉積溫度意味著沉積時基體幾乎不發生變形。

    當然，在選擇合適的涂層工藝時，許多其他的因素也需要加以考慮。這些方面，為刀具和零部件提供涂層服務的公司會提供必要的指導。

    金屬切削刀具涂層自從四十多年前誕生以來已經獲得了巨大的發展。隨著涂層的進步，對多種切削情況下涂層不同行為表現的認識也在提高，促進了對涂層性能的深度強化。

    過去幾年間涂層后處理技術產生了跨越式的進步。隨著厚涂層的發展以及Al2O3涂層實現工業應用，這些后處理技術開始用來讓CVD涂層的表面更加光滑。人們發現光滑的涂層表面不僅可以減少摩擦，還能減緩被加材料與涂層表面發生粘結的趨勢，從而減少積屑瘤的產生。這可稱之為第一代后處理工藝。

    未經后處理的涂層刀具不連續切削54個零部件（上）和經后處理的同種涂層刀具不連續切削80個零部件（下）的磨損情況

    表面平滑工藝是一種輕度的噴砂過程，可以去除因涂層晶粒生長不均勻導致的粗糙表層，而僅有少量涂層會被同時去除。隨著對噴砂過程的控制程度越來越高，精確地去除涂層表面薄層成為可能。例如去除可轉位刀具前刀面上TiN涂層表面的“閃光點”，不僅能夠保證涂層上表面的光滑，同時保留了前刀面上金黃色TiN涂層以便于觀察磨損情況，這種工藝可稱之為第二代后處理工藝。

用于汽車制造業的CVD涂層模具

    在鍍膜過程中，尤其是CVD中，有時涂層會受到拉應力，這是由于涂層和基體熱膨脹系數的不同所導致。這種拉應力狀態可能會在涂層中造成缺陷并進一步轉化成裂紋。這些裂紋的進一步擴展最終將導致切削刃失效。更多時候，這些裂紋在切削過程中產生，特別是不連續的切削加工。

    由于涂層是陶瓷材料，所以其抵抗拉應力的能力很差，但抵抗壓應力的能力卻很強。裂紋和其他缺陷無法在壓應力狀態下生長。隨著第二代后處理工藝的發展，噴砂處理對減小CVD涂層的拉應力有顯著作用。

    此外，隨著后處理工藝的不斷發展和對各種后處理工藝參數的控制，人們有望將拉應力狀態轉變為壓應力狀態。這樣做能夠提高切削刃抵抗因剝落導致失效的能力，尤其是在不連續的加工過程當中。

    銑削過程中會產生兩種裂紋，一種來自于切削刃每次進入切削狀態時受到的沖擊。另一種來自于加工過程中，銑刀在進入銑削時切削刃快速升溫，退出銑削時快速降溫所造成的熱循環。在涂層內有壓應力時，沖擊和熱循環需要先克服壓應力，然后再產生拉應力，拉應力不斷變大直到超過刀具切削刃失效的臨界點才會導致刀具的失效，所以這種壓應力對銑刀的好處尤為明顯。

    當涂層具有壓應力時，就需要更多的切削時間和應力來產生大到足以破壞切削刃的裂紋。壓應力對切削壽命的提升通常在30%以上，特別是涉及到重型沖擊和高速切削的加工條件時。

    上圖顯示了一個劇烈不連續加工過程——凸輪軸加工過程的刀具壽命，通過抵抗切削刃的剝落使得刀具壽命提升了48%。產生這一結果的原因是采用了最新一代的后處理工藝，從而使整個涂層結構中都具有壓應力。這種壓應力甚至能延伸到基體中去，從而顯著地提升了切削刃抵抗剝落的能力。

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責任編輯：王元

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