硬質(zhì)涂層概況

硬質(zhì)涂層發(fā)展概況江蘇大學(xué)邵紅紅一、硬質(zhì)涂層沉積技術(shù)印刷用滾筒等離子陶瓷熱噴涂（耐磨損）等離子陶瓷熱噴涂泵部件(耐磨損）

電極軸（銅）隔離部等離子陶瓷熱噴涂

（耐磨損）拉線機(jī)械用引導(dǎo)滾筒等離子陶瓷熱噴涂

（耐磨損）熱噴涂存在的問(wèn)題：涂層厚,均勻性相對(duì)其他沉積方法差,難以應(yīng)用于精密部件噴涂材料受限制,必須在熔融條件下不發(fā)生分解、蒸發(fā)、升華、離解沉積表面需要機(jī)械或化學(xué)粗化，基體不能太薄電化學(xué)沉積（電鍍）與化學(xué)鍍需要基體導(dǎo)電受電力線變化影響，均勻性和致密度差仿形性差可沉積材料相對(duì)較少成本相對(duì)低沉積速度相對(duì)較快不需要基體導(dǎo)電鍍層均勻,致密,抗腐蝕性更好仿形性好,可對(duì)復(fù)雜部件施鍍除Pb、Cd、Sn、Bi，大多數(shù)金屬可沉積成本相對(duì)更高沉積速度相對(duì)較慢電鍍化學(xué)鍍電鍍化學(xué)鍍精密沖壓加工品的電鍍Ni化學(xué)鍍Ni-P沉積的硬質(zhì)材料有限(Cr,Ni,Ni-P…)沉積的硬質(zhì)材料硬度一般偏小(<1500Hv)復(fù)合沉積的復(fù)合均勻性較差,不能應(yīng)用于精密部件電鍍與化學(xué)鍍的局限性：化學(xué)氣相沉積（CVD）特點(diǎn)最先使用的氣相沉積技術(shù)優(yōu)點(diǎn)沉積溫度高,結(jié)合力比物理氣相沉積強(qiáng)缺點(diǎn)沉積溫度過(guò)高限制基底的適用范圍沉積溫度600℃-1200℃基底適用范圍(硬質(zhì)合金\陶瓷部件)熱變形大，應(yīng)用于非精密部件反應(yīng)氣體會(huì)污染環(huán)境PVD與CVD的區(qū)別導(dǎo)致不同領(lǐng)域的應(yīng)用沉積溫度低,應(yīng)用范圍廣熱變形小,可應(yīng)用于精密部件(刀具、模具)沒(méi)有廢氣排放，綠色環(huán)保物理氣相沉積（PVD）優(yōu)點(diǎn)：物理氣相沉積（PVD）類(lèi)型真空蒸鍍（EvaporationDeposition）離子鍍(IonPlating)濺射沉積(Sputtering)直流濺射濺射電源為直流電源，只適用金屬和半導(dǎo)體材料濺射

射頻濺射濺射電源為射頻電源，可濺射導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體材料磁控濺射靶材背后安置強(qiáng)磁體，增強(qiáng)氣體電離和電子對(duì)基體轟擊可實(shí)現(xiàn)低溫高速沉積濺射沉積特點(diǎn)濺射出粒子平均能量比真空蒸鍍產(chǎn)生的粒子大，薄膜與基體結(jié)合性好膜厚較真空蒸鍍均勻，材料的濺射特性差別不如其蒸發(fā)特性差別大，易控制成分任何材料（導(dǎo)電體、絕緣體、有機(jī)、無(wú)機(jī)）均能濺射成膜磁控濺射沉積技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的氣相沉積技術(shù)！磁控濺射儀可以稱為萬(wàn)能鍍膜機(jī)。金屬基合金涂層鐵基鉻基鎳層鉬層鈷基和鎳基合金涂層其他合金涂層陶瓷涂層氧化涂層氧化鋁／氧化鉭／氧化鉻碳化物涂層碳化鈦/碳化鎢/碳化鉻碳化鉿/碳化鋯／碳化硅氮化物涂層氮化鈦氮化鉿/氮化鋯／氮化硅立方氮化硼(CBN)／多元氮化物硼化物硅化物硬質(zhì)碳層非晶碳層/金剛石涂層硬質(zhì)涂層的分類(lèi)金屬基合金涂層硬度值(<1500Hv)不是很高,不能完全滿足硬質(zhì)涂層應(yīng)用的需要!陶瓷涂層的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)陶瓷涂層的應(yīng)用

Al2O3涂層高硬度（750－2100Hv）高熔點(diǎn)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定熱不良導(dǎo)體，阻止摩擦熱向基體擴(kuò)散抗腐蝕，抗磨損的理想材料主要沉積技術(shù)：CVD主要應(yīng)用刀具等碳化物涂層碳化鈦Ti-C（1000Hv－2800Hv）應(yīng)用最廣的碳化物涂層碳化鎢W-C（800－2100Hv）在高溫條件下能保持良好的硬度碳化鉻Cr-C具有碳化鈦、碳化鎢更強(qiáng)的抗氧化性。碳化硅SiC高硬度，高溫抗氧化性，抗腐蝕性與氧化物相比具有更高的硬度脆性增加涂層的沉積技術(shù)與沉積條件嚴(yán)重影響涂層性能氮化物涂層氮化鈦TiN研究應(yīng)用最多的氮化物涂層氮化鉿HfN相對(duì)氮化鈦和碳化鈦，提高溫度能保持較高硬度立方氮化硼c-BN（4000Hv）曾是金剛石之后發(fā)現(xiàn)最硬的材料之一需高溫沉積，成本高與碳化物相比，氮化物具有良好的韌性涂層沉積技術(shù)與沉積條件嚴(yán)重影響涂層性能TiN模具氮化鈦涂層應(yīng)用性能金黃色硬度2200Hv摩擦系數(shù)0.4-0.6磨損率10-17

m3/Nm涂層成分正向多樣化趨勢(shì)發(fā)展多元氮化物TiAlNTiZrNTiHfNTiAlVNTiAlZrN二元、三元氮化物可明顯提高一元氮化物（如氮化鈦）的性能TiAlN涂層性能硬度2200Hv－2700Hv摩擦系數(shù)0.4-0.9最高使用溫度800℃(>TiN500℃)沉積溫度300℃TiAlNTiN中Al的加入提高了TiN硬度和抗氧化能力是TiAlN性能優(yōu)于TiN的主要原因TiAlN涂層性能TiAlN是目前高速干式切削刀具最常用的涂層TiAlN切削性能TiAlN鉆孔試驗(yàn)TiAlN涂層性能Typicalphotographsoftoolwearaccordingtocoatingtypeinthecaseofcuttingspeed200m/minandfeedpertooth0.03mm/rev;(a)noncoating;(b)TiN;(c)TiAlN.noncoatingTiNTiAlN.TiAlN涂層應(yīng)用

TiAlN擠型模TiN/TiAlN鉆頭（4）硬碳涂層非晶碳層/類(lèi)金剛石層(DLC)兼有石墨和金剛石性能,優(yōu)異的固體潤(rùn)滑硬膜金剛石(sp3),石墨(sp2)DLC(sp3+

sp2)金剛石硬度100GpaDLC硬度7.4-60Gpa優(yōu)點(diǎn)摩擦系數(shù)小0.1,沉積溫度低可<200℃缺點(diǎn)適用于加工有色金屬,木材等不含鐵成分的材料使用溫度低<450℃,涂層應(yīng)力大PureDLCcoatingDLCSlidingparts,molds,insertsDLC切割刀片硬碳層金剛石涂層優(yōu)點(diǎn)具有很高的硬度,耐磨性能,摩擦系數(shù)低缺點(diǎn)采用CVD沉積技術(shù),沉積溫度高,基底材料范圍窄涂層應(yīng)力大,膜基結(jié)合能力差適用于加工有色金屬,木材等不含鐵成分的材料成本高,H2消耗量大新型涂層的研究趨勢(shì)涂層不僅向成分多元化發(fā)展，

也向組織結(jié)構(gòu)納米復(fù)合化發(fā)展1.新型涂層的研究背景新一代納米結(jié)構(gòu)涂層已經(jīng)吸引全世界的關(guān)注通過(guò)涂層的結(jié)構(gòu)納米化和不同物相復(fù)合納米化，可以獲得超硬涂層（>40GPa）通過(guò)涂層納米化，可改善涂層的綜合性能（韌性，抗腐蝕、抗氧化、結(jié)合性能等）超硬涂層應(yīng)用于傳統(tǒng)超硬涂層不能沉積的基體表面或應(yīng)用領(lǐng)域,使其在工業(yè)制造過(guò)程效率更高，通用性更強(qiáng)，成本更低新型涂層的研究背景2.納米結(jié)構(gòu)涂層的優(yōu)點(diǎn)更好的綜合性能（超硬度，高韌性,抗腐蝕性等）提高了涂層的抗磨損性能，提高了工件的使用壽命，迎合了工業(yè)界對(duì)生產(chǎn)效率的追求。更好的熱力學(xué)穩(wěn)定性,使用范圍更廣（C、B和鐵有很好的親和性,使DLC和c-BN的熱動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性差，適用范圍受限）可以在較低的溫度條件沉積出超高硬度涂層，擴(kuò)展了沉積基底的種類(lèi)和應(yīng)用范圍(傳統(tǒng)超硬涂層需高溫沉積,如金剛石等)沉積工藝比傳統(tǒng)的超硬涂層（金剛石，c-BN）更簡(jiǎn)單，成本更低DLC很好的固體潤(rùn)滑性能硬度20GPa抗氧化性不佳C與鐵親和力強(qiáng),不能用于加工鋼鐵材料,使用范圍限于有色金屬加工納米復(fù)合材料具有良好的抗氧化性硬度>40GPa可應(yīng)用于鋼鐵和有色金屬加工C-BN硬度高，但綜合性能不佳。韌性差,應(yīng)力大,結(jié)合性能差沉積溫度高成本最貴3.新型涂層的研究納米復(fù)合涂層納米多層復(fù)合涂層(nano-layeredfilm)納米混合復(fù)合涂層(nano-compositedfilm)nano-compositedfilmnano-layedfilm當(dāng)調(diào)制周期達(dá)到臨界值,涂層產(chǎn)生超硬效應(yīng)納米多層復(fù)合涂層TiN/SiNx納米多層膜無(wú)一般涂層的柱狀結(jié)構(gòu),致密熱穩(wěn)定性強(qiáng),高硬度(~50GPa),強(qiáng)抗腐蝕性TiN/SiNx納米多層膜TEM結(jié)構(gòu)非晶態(tài)SiNx晶態(tài)TiN

TiN/CNx納米多層膜Ti-Si-N納米混合復(fù)合涂層Si含量4-10at%硬度39-4