淺析硬質(zhì)涂層的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢
經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，硬質(zhì)涂層的發(fā)展已經(jīng)上了一個(gè)新的臺階。從二十世紀(jì)七十年代化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)制備TiN開始，經(jīng)歷了物理氣相沉積技術(shù)的出現(xiàn)，TiAlN涂層的廣泛應(yīng)用，直至如今的AlTiN，CrAlN，TiAlSiN，金剛石等一系列新型涂層的誕生和應(yīng)用。硬質(zhì)涂層已經(jīng)呈獻(xiàn)百花齊放的態(tài)勢。
硬質(zhì)涂層的市場隨著加工技術(shù)的更高要求而不斷擴(kuò)大，在國內(nèi)也具有越來越大的市場。硬質(zhì)涂層在工具上的應(yīng)用按照市場占有量的劃分主要為：刀具涂層70％，模具涂層25％，零部件涂層5％。硬質(zhì)涂層技術(shù)主要有陰極電弧離子鍍技術(shù)和磁控濺射技術(shù)。目前國際上最富盛名的涂層公司主要有瑞士的Balzers，Platit和Sulzer，德國的CemeCon和PVT，英國的Teer等公司。其中，只有CemeCon和Teer公司是采用磁控濺射技術(shù)，而其它公司都以陰極電弧離子鍍技術(shù)為主。電弧技術(shù)和磁控濺射技術(shù)的區(qū)別主要為：電弧技術(shù)可以獲得接近90％的離化率和較快的沉積速率，但存在液滴的問題；磁控濺射技術(shù)可以獲得平整的表面，但離化率和沉積速率都相對較低。
目前，兩種技術(shù)都在不斷向前發(fā)展。Balzers公司采用的是最傳統(tǒng)的小圓弧技術(shù)，但是通過提高圓弧靶的直徑的方式，提高了冷卻效率，使得液滴的尺寸相對傳統(tǒng)圓弧更小。PVT公司采用的是矩形電弧技術(shù)，用增大面積和加長電弧運(yùn)動軌跡的方法提高靶材的冷卻，使得液滴尺寸小于1微米。Platit公司采用的是柱狀電弧技術(shù)，在電弧工作的同時(shí)，靶管旋轉(zhuǎn)，使靶材獲得充分的冷卻，其宣稱的液滴尺寸為0.01微米量級。磁控濺射技術(shù)也在不斷進(jìn)展，Teer公司提出的閉合磁場非平衡磁控濺射技術(shù)能夠大幅度提高離化率，成為磁控濺射膜層質(zhì)量提升的關(guān)鍵。隨著中頻孿生磁控技術(shù)和非平衡磁控濺射技術(shù)的結(jié)合，磁控濺射技術(shù)已經(jīng)能夠獲得與電弧技術(shù)相當(dāng)?shù)膬?yōu)質(zhì)膜層。
2000年以后，在國內(nèi)許多城市都出現(xiàn)了很多國外公司的硬質(zhì)涂層加工中心。尤其以長江三角洲居多，Balzers，CemeCon，IonBond，Hauzer等在蘇州建廠，Platit，Teer，Sulzer在上海建廠，更多廠家在常州設(shè)有設(shè)備。同時(shí)，PVT在哈爾濱和東莞，Balzers在天津、漢中、成都、株洲都開始設(shè)立加工中心。還有很多世界上二三流的公司也涌入國內(nèi)，在廣東，上海，天津等地從事鍍膜服務(wù)。工具的硬質(zhì)涂層服務(wù)有地域性的限制。這通常是由于工具使用廠家比較分散，且對工具涂層時(shí)間要求常為2到3天而形成的。從國際經(jīng)驗(yàn)看，一個(gè)涂層加工中心的有限服務(wù)范圍為200公里。
我國引入硬質(zhì)涂層技術(shù)是從上世紀(jì)八十年代開始的，當(dāng)年有工業(yè)部組織國內(nèi)幾家大型國有刀具生產(chǎn)廠，如哈一工，上海工具廠等，從美國Multi-Arc公司引入的電弧技術(shù)沉積TiN涂層。后來對國外設(shè)備進(jìn)行了測繪和仿制，但是沒有形成真正的生產(chǎn)能力。國內(nèi)長期從事硬質(zhì)涂層生產(chǎn)的主要企業(yè)是成都工具研究所，主要使用Balzers的CVD沉積TiN技術(shù)。進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，國內(nèi)越來越多從事工具行業(yè)的專家認(rèn)識到工具涂層的重要性，也有越來越多的廠家開始大規(guī)模的使用涂層工具。近年來，國內(nèi)的部分高等院校、研究單位和公司投入了大量的精力從事硬質(zhì)涂層的研究和產(chǎn)業(yè)化嘗試。目前國際上流行的TiAlN和AlTiN都開始逐步被國內(nèi)廠商掌握，并開始實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
未來隨著工業(yè)需求的不斷增加，對硬質(zhì)涂層的要求也將愈發(fā)嚴(yán)格。未來的涂層將有兩大趨勢：超硬涂層和低摩擦系數(shù)涂層。
1.超硬涂層
超硬涂層一般是指維氏硬度在40GPa以上的硬質(zhì)涂層。主要有：
1)金剛石涂層(硬度為50-100GPa，與晶體取向有關(guān))
2)立方氮化硼(e-BN)涂層(硬度為50-80GPa)
3)類金剛石涂層(DLC，因工藝不同硬度可在10GPa-60GPa的寬廣范圍內(nèi)變動)
4)碳氮涂層(CNx，硬度可達(dá)15GPa-50GPa)
5)納米復(fù)合涂層和納米多層涂層(TiN/NbN納米多層涂層硬度為51GPa，TiYN/VN納米層涂層硬度高達(dá)78GPa)
2.低摩擦系數(shù)涂層
低摩擦系數(shù)涂層主要包括鉬基涂層(二硫化鉬)，和碳基涂層(金剛石、類金剛石、碳氮涂層等)，摩擦系數(shù)均可達(dá)到0.1以下。
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