張俊江

摘要：物理氣相沉積（ PVD） TiN涂層是應(yīng)用最廣泛的一種表面強(qiáng)化技術(shù)。由于TiN 涂層具有高硬度、高粘著強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)、好的抗腐蝕性的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。特別是在工具行業(yè)， 70年代TiN涂層成功地用于刀具鉆頭等工具上，其使用壽命平均提高了2～ 10倍，引起了一場刀具革命。致使單一的TiN涂層在模具上的應(yīng)用受到很大制約。原因在于一般模具鋼基體較軟，或涂層與基體結(jié)力不夠，故在工作中鋼基體不能有力支撐TiN涂層而發(fā)生早期破壞。而模具的質(zhì)量和壽命高低直接影響工業(yè)制造的成本和零件的質(zhì)量，因此人們尋找更為有效的辦法。

關(guān)鍵詞：物理氣相沉積;TiN復(fù)合涂層進(jìn)展;

前言：復(fù)合涂層質(zhì)量指標(biāo)主要通過涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度來評定。因此，結(jié)合力決定了涂層是否可用。假如結(jié)合力差，鍍層將發(fā)生脫落導(dǎo)致過早失效。鍍層的結(jié)合力強(qiáng)度既取決于膜/基界面的物理和化學(xué)相互作用，同時(shí)也取決于界面區(qū)的顯微組織。

一、PVD TiN涂層的發(fā)展概述

國內(nèi)PVD涂層技術(shù)的研發(fā)工作始于20世紀(jì)80年代初，80年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機(jī)及高速鋼刀具TiN涂層工藝技術(shù)。由于對刀具涂層市場前景的看好，國內(nèi)引進(jìn)了熱陰極離子鍍及陰極電?。ǘ嗷。╇x子鍍技術(shù)與裝備。用離子鍍技術(shù)制備的TiN硬質(zhì)耐磨涂層，顯著提高了高速鋼刀具的壽命，減少刀具更換的次數(shù)，由于TiN涂層的使用，改善了工件的表面質(zhì)量、提高了產(chǎn)品的合格率、降低了摩擦系數(shù)、阻止了刀具刃部的溫升，從而大大地節(jié)約了刀具費(fèi)用，并保證了刀具長時(shí)間穩(wěn)定可靠的工作，在高速切削和難加工材料條件下，效果更為明顯，為數(shù)控機(jī)床自動化生產(chǎn)線的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化提供了關(guān)鍵條件，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著，與此同時(shí)，TiN作為仿金裝飾鍍層，不僅顏色接近黃金，其使用壽命還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過仿金銅和黃金，因而有力地推動了小五金制品行業(yè)的發(fā)展。在20世界80年代，TiN幾乎是惟一的商業(yè)化的硬質(zhì)涂層材料，硬質(zhì)薄膜的研究也絕大部分集中在氮化鈦身上。物理氣相沉積（PVD）TiN涂層在形成沖頭和沖壓模具上也試用成功，但是由于模具的工作環(huán)境和影響因素遠(yuǎn)較刀具復(fù)雜，因此單一的TiN涂層在模具上的應(yīng)用受到了極大的制約，原因在于一般模具鋼材基體較軟，或涂層與基體結(jié)合力不夠，故在工作中鋼基體不能夠有力的支撐TIN涂層而在試用中發(fā)生早期的破壞，而導(dǎo)致涂層的功能失效。依據(jù)涂層的發(fā)展過程將涂層分為三代：第1代涂層為單層均質(zhì)涂層，如TiN和TiC，已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)和民用領(lǐng)域得到了應(yīng)用;第2代為三元復(fù)合涂層，例如Ti（c，N）和（Ti，Ai）N和Ti（B，N），現(xiàn)正在進(jìn)行更深入的研究并已應(yīng)用于某些耐磨部件：第3代涂層為多元復(fù)合涂層和多層涂層TiC/TiN、Ti（‘C，N）/TiN。

二、物理氣相沉積TiN復(fù)合涂層研究

1.復(fù)合鍍層界面特征。為了改善膜一基結(jié)合力，僅優(yōu)化膜的成分與結(jié)構(gòu)是不夠的，必須從膜和基體的整個(gè)體系來考慮，選擇基體材料的組織、結(jié)構(gòu)和性能，使其適合不同膜的沉積。一般而言，膜一基材料之間的物理、化學(xué)性能差異越大，其結(jié)合力越差。物理氣相沉積（PVD）TiN是應(yīng)用最廣泛的一種表面強(qiáng)化技術(shù)。由于TiN涂層具有高硬度、高粘著強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)、好的抗腐蝕性，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但由于模具的工作條件和影響因素遠(yuǎn)比刀具復(fù)雜，致使單一的TiN涂層在模具上的應(yīng)用受到很大制約。例如，TiN涂層刀具以70—100 m/min的高速度切削時(shí)，由于產(chǎn)生了強(qiáng)烈的摩擦熱而使基體發(fā)生塑性變形及軟化，涂層易于開裂;對于抗磨損抗腐蝕的工模具或零件，由于基體強(qiáng)度和膜/基結(jié)合力不夠，不能給予TiN涂層以有力的支撐，涂層往往發(fā)生早期破壞。因此如何增強(qiáng)膜與基體結(jié)合力，是提高TiN涂層綜合性能的關(guān)鍵問題。對大多數(shù)中碳合金結(jié)構(gòu)鋼零件，其硬度較硬質(zhì)膜低得多，僅沉積幾微米厚的硬質(zhì)膜，難以有效地提高其耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及抗塑陛變形能力?；w滲氮后，在其表面形成氮的化合物和擴(kuò)散層，提高了零件表層硬度。滲氮件比未滲氮件更適合作為硬質(zhì)膜的基體。滲氮與未滲氮件膜/基沿層深的顯微硬度分布，以及一定載荷下膜/基沿層深的應(yīng)力一應(yīng)變分布滲氮提高了基體的承載能力，使膜的抵抗變形能力提高，同時(shí)由于膜層下形成了一個(gè)較平緩的硬度過渡區(qū)，載荷作用時(shí)，從膜層到基體的應(yīng)力分布連續(xù)性較好。未滲氮基體則因膜層與基體的機(jī)械性能相差較大，彈性模量的不同使應(yīng)力呈非連續(xù)分布，在膜/基界面處形成應(yīng)力集中，若載荷超過基體屈服強(qiáng)度，使基體產(chǎn)生大量塑性變形。為協(xié)凋膜/基應(yīng)變一致，在界面處必然對膜層產(chǎn)生很大的約束力，當(dāng)其超過膜/基結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)致界面開裂和剝落。

2.氮化TiN復(fù)合涂層。在氮化+TiN復(fù)合涂層工藝中，對基體的氮化有幾種工藝可供選擇，傳統(tǒng)的氣體氮化、一般的離子氮化、離子注入和等離子氮化等，其中以等離子氮化的研究最多。一般認(rèn)為氮化處理能提高鋼構(gòu)件的疲勞、磨損和腐蝕抗力。不銹鋼的離子氮化和TiN復(fù)合工藝，經(jīng)滲氮處理的不銹鋼表面，雖能較大幅度提高其表面硬度，改善了耐磨性和抗咬合能力，但由于大量含氮析出，有損于不銹鋼的抗蝕特性。TiN涂層本身具有高硬度，也具有良好的抗蝕能力，可現(xiàn)行工藝制備的TiN涂層很薄，僅幾個(gè)斗m，且涂層與基體的結(jié)合力較差，在實(shí)際服役中，涂層易產(chǎn)生破裂和剝落，發(fā)生腐蝕。而通過復(fù)合處理正好彌補(bǔ)了兩者的缺陷，不同表面狀態(tài)下硬度與載荷的關(guān)系，可發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層表面顯微硬度上升很快。離子氮化后所形成的較高硬度滲氮層對TiN涂層和鋼基體之間起到一個(gè)良好的過渡作用，更為直觀地反映出TiN涂層的高硬度特性，從而防止較軟基底上涂覆的硬涂層過早開裂，增加承載能力。復(fù)合涂層剖面硬度梯度分布，表面與基體之間滲氮層，作為中間過渡層，使TiN獲得更好強(qiáng)度基底的支撐。0.3 mm～0.5 mm的氮化層對硬涂層的支撐作用起到相當(dāng)大的作用，這種復(fù)合涂層試樣在一定條件下達(dá)到了滾動軸承鋼100Cr6相同的疲勞極限。

結(jié)束語：TiN多元涂層和多層涂層由于能克服單一TiN涂層的不足綜合不同組元和不同單層的優(yōu)勢，達(dá)到優(yōu)良的結(jié)合強(qiáng)度、硬度、耐磨性和高溫性能，因而成為今后物理氣相沉積技術(shù)極有潛力的發(fā)展方向之一。目前由于工藝的復(fù)雜性、昂貴的設(shè)備造價(jià)、高的成本，所以還沒有得到廣泛的工業(yè)應(yīng)用。今后應(yīng)加強(qiáng)對TiN多元涂層和多層涂層結(jié)合力強(qiáng)化機(jī)理和高溫性能的研究，進(jìn)一步開發(fā)新型的高性能涂層，同時(shí)要降低成本以實(shí)現(xiàn)廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

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