多弧離子鍍技術(shù)及其在切削刀具涂層中的應(yīng)用

邱聯(lián)昌，李金中，王浩勝，唐智華

（贛州章源鎢業(yè)新材料有限公司，江西 贛州 341000）

多弧離子鍍作為物理氣相沉積技術(shù)的一個分支，是在真空蒸鍍和真空濺射的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新型涂層制備技術(shù)，也稱為真空弧光蒸鍍法，它把真空電弧放電用于電弧蒸發(fā)源。由于多弧離子鍍技術(shù)具有沉積速率高、涂層附著力好、涂層致密、操作方便等特點，因此在材料表面改性領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1963年Mattox提出并首次使用了離子鍍技術(shù)［1］；1972年Bunshah等開發(fā)出活性反應(yīng)蒸鍍（ARE）技術(shù)［2］；1973年Mulayama等發(fā)明了射頻激勵法離子鍍［3］；20世紀80年代，離子鍍已成為世界范圍內(nèi)的一項高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，主要產(chǎn)品有高速鋼和硬質(zhì)合金工具上的TiN、TiAlN耐磨層和TiN仿金裝飾涂層。1982年美國Multi-arc公司首先推出多弧離子鍍商品化設(shè)備，1986年我國開始了多弧離子鍍設(shè)備的生產(chǎn)。20世紀90年代，離子鍍技術(shù)取得了長足的進步，與80年代相比，離子鍍設(shè)備和工藝都有了重大的改進。近年來，國內(nèi)外根據(jù)不同使用要求，制造了各種離子鍍設(shè)備，有些已達到工業(yè)生產(chǎn)水平。

以下主要介紹多弧離子鍍技術(shù)的工作原理、特點、工藝參數(shù)和研究進展，以及多弧離子鍍技術(shù)在切削刀具涂層中的應(yīng)用。

1 多弧離子鍍的工作原理

多弧離子鍍技術(shù)的工作原理主要基于冷陰極真空弧光放電理論。圖1為多弧離子鍍工作原理示意圖［4］，點燃真空電弧后，陰極靶材表面上出現(xiàn)一些不連續(xù)、大小和形狀多樣、明亮的斑點，它們在陰極表面迅速地做不規(guī)則的游動，一些斑點熄滅時又有些斑點在其他部位形成，維持電弧的燃燒。陰極斑點的電流密度達104～105A/cm2，并且以1 000m/s的速度發(fā)射金屬蒸氣，其中每發(fā)射10個電子就可發(fā)射1個金屬原子，然后這些原子再被電離成能量很高的正離子（如Ti+），正離子在真空室內(nèi)運行時與其他離子結(jié)合（如與N-形成TiN），沉積在工件表面形成涂層［5］。

圖1 多弧離子鍍工作原理示意圖［4］

圖2為真空弧光放電示意圖［6］，真空弧光放電理論認為電量的遷移主要借助于場電子發(fā)射和正離子電流，這兩種機制同時存在，而且相互制約。在放電過程中，陰極材料大量蒸發(fā)，這些蒸發(fā)原子產(chǎn)生的正離子在陰極表面附近很短的距離內(nèi)產(chǎn)生極強的電場，在這樣強的電場作用下，電子足以能直接從金屬的費米能級逸出到真空，產(chǎn)生所謂的“場電子發(fā)射”。

圖2 真空弧光放電示意圖［6］

2 多弧離子鍍的技術(shù)特點

多弧離子鍍過程的突出特點在于它能產(chǎn)生由高度離化的被蒸發(fā)材料組成的等離子體，其中離子具有很高的動能。蒸發(fā)、離化、加速都集中在陰極斑點及其附近很小的區(qū)域內(nèi)。其特點如下：

（1）最顯著的特點是從陰極直接產(chǎn)生等離子體。

（2）入射粒子能量高，涂層的致密度高，強度和耐久性好。

（3）離化率高，一般可達60％～80％。

（4）沉積速度快，繞鍍性好。

（5）設(shè)備較為簡單，采用低電壓電源工作比較安全。

（6）一弧多用，電弧既是蒸發(fā)源和離化源，又是加熱源和離子濺射清洗的離子源。

（7）外加磁場可以改善電弧放電，使電弧細碎，細化涂層微粒，增加帶電粒子的速率，并可以改善陰極靶面刻蝕的均勻性，提高靶材的利用率。

3 多弧離子鍍設(shè)備與技術(shù)研究進展

多弧離子鍍設(shè)備一般比較簡單，整個設(shè)備主要由真空鍍膜室、弧源、真空獲得系統(tǒng)、偏壓源等幾大部分組成?；≡词嵌嗷‰x子鍍設(shè)備的關(guān)鍵部件，現(xiàn)在國內(nèi)一般使用小弧源，直徑為60～80mm，厚度為直徑的1/2。少數(shù)離子鍍膜機采用柱狀弧源設(shè)計，一臺鍍膜機只裝一個柱狀弧源于真空室中央，工件置于四周。國外有些離子鍍膜機使用大弧源，直徑達100mm，厚度約為直徑的1/4，一臺鍍膜機上裝有12～32個弧源，待鍍工件置于真空室中央。目前國際上一流的PVD設(shè)備制造商有歐瑞康巴爾查斯、豪澤、蘇爾壽等。

歐瑞康巴爾查斯研發(fā)出擁有專利的P3eTM（強脈沖電弧蒸發(fā)）新工藝，使用該工藝可以制備具有高硬度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的氧化鋁涂層，支持層和氧化鋁層都是在低于600℃的溫度下通過單一渠道生成。

豪澤公司在電弧蒸發(fā)與磁控濺射技術(shù)的基礎(chǔ)上研制出第二代HIPIMS+技術(shù)（HIPIMS，高功率脈沖磁控濺射），該技術(shù)具有較高的沉積速率，可與電弧蒸發(fā)相媲美。由于第二代HIPIMS+技術(shù)采用的脈沖頻率達3.0ms、陰極峰值功率為幾百千瓦，因此該技術(shù)能夠獲得致密而無缺陷的涂層，與相應(yīng)的電弧蒸發(fā)涂層相比，HIPIMS+涂層表面更光滑、硬度更高、與基體的粘附性更好。HIPIMS+能更好地利用靶材，并在保持高硬度的同時擁有可調(diào)諧的應(yīng)力。此外，HIPIMS+可在低溫下制備一些涂層。使用HIPIMS+技術(shù)可制備許多物理氣相沉積涂層，如TiN、TiAlN、TiCN、CrN、Cr2N等。豪澤公司開發(fā)的Flexicoat系統(tǒng)，將各種工藝融合在一臺設(shè)備中，如PVD技術(shù)和PACVD技術(shù)、滲氮雙重處理、對靶磁控濺射（DMS）、高功率脈沖磁控濺射（HIPIMS），且隨時可以更新技術(shù)。在豪澤公司的涂層系統(tǒng)中，采用UBM（非平衡磁控濺射）+PACVD（等離子輔助化學(xué)氣相沉積）技術(shù)，可以制備Cr+W-C：H+DLC、CrN+W-C：H+DLC、Cr+W-C：H+Si-DLC涂層。

對于尺寸大而重的工件，蘇爾壽公司開發(fā)了最大裝載重量達2 700kg、最大裝載長度4 000mm、最大裝載直徑達1 600mm的PVD裝置。該公司研制的混合系統(tǒng)設(shè)備（電弧蒸發(fā)+磁控濺射）是一款多功能研發(fā)生產(chǎn)型設(shè)備，使用該設(shè)備可制備結(jié)合強度高、表面光滑致密的涂層，且可制備滲金屬DLC涂層。此外蘇爾壽公司開發(fā)出具有專利的AEGD（電弧增強輝光放電）技術(shù)，涂層前使用該技術(shù)對工件表面進行清理，涂層后可獲得極好的涂層與基體結(jié)合強度。

4 多弧離子鍍的主要工藝參數(shù)與涂層性能的關(guān)系

由于影響涂層質(zhì)量的因素多而復(fù)雜，因此研究工藝參數(shù)與涂層性能指標之間的關(guān)系，以實現(xiàn)涂層性能預(yù)測與工藝優(yōu)化設(shè)計，始終是研究人員致力的目標。國內(nèi)外研究表明多弧離子鍍的主要工藝參數(shù)有：基體沉積溫度、反應(yīng)氣體壓強與流量、靶源電流、基體負偏壓、基體沉積時間等。

別利芳［7］對多弧離子鍍制備TiC薄膜的工藝與性能進行了研究，得出各工藝參數(shù)對涂層顯微硬度和涂層/基體結(jié)合力的影響程度。對顯微硬度影響程度的主次順序是反應(yīng)氣體流量、沉積時間、基體負偏壓、靶源電流；對涂層/基體結(jié)合力影響程度的主次順序是沉積時間、反應(yīng)氣體流量、基體負偏壓、靶源電流。黃建斌［8］采用多弧離子鍍方法制備了TiN/Cu納米復(fù)合涂層，研究了工藝參數(shù)對涂層硬度的影響，結(jié)果表明對顯微硬度影響程度的主次順序是反應(yīng)氣體壓強、沉積時間、基體沉積溫度、基體負偏壓。

4.1 基體沉積溫度

基體沉積溫度對涂層的生成、生長及涂層的性能產(chǎn)生直接的影響。根據(jù)吉布斯的吸附原理可知，溫度越高基體對氣體雜質(zhì)的吸附越少。因此，一般說來，基體沉積溫度高，有利于涂層的生成、生長，增大沉積速率；也有利于提高涂層與基體的附著力，使涂層晶粒長大，表面平整光亮。但溫度太高，會引起晶粒粗大，強度和硬度下降。

孫偉等人［9］采用多弧離子鍍技術(shù)在高速鋼表面沉積了TiN涂層，研究了不同沉積溫度下TiN涂層的表面硬度與涂層/基體的結(jié)合力，結(jié)果表明在保證基體材料不過熱的前提下，提高沉積溫度有利于提高TiN涂層的性能。并得出了最佳的沉積溫度為500℃，此時TiN涂層的硬度、涂層/基體結(jié)合力與刀具性能最佳。

對刀具進行涂層時，為使涂層與基體牢固結(jié)合，提高涂層質(zhì)量，需在涂層前將基體加熱到一定溫度。對于高速鋼刀具一般為500℃左右，硬質(zhì)合金刀具一般在900℃左右。

4.2 反應(yīng)氣體壓強與流量

反應(yīng)氣體的壓強與流量大小直接影響涂層的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及性能。毛延發(fā)等人［10］在W18Cr4VCo5高速鋼基體上采用多弧離子鍍技術(shù)制備了TiAlN涂層，研究了N2分壓對熔滴形成的影響，結(jié)果表明隨N2分壓的增加，涂層中顆粒和熔滴的密度、直徑減小，主要是通過靶材表面零中毒，不形成氮化物從而提高材料的熔點引起的。Kourtev等人［11］指出，隨著氮流量的增加，液滴的尺寸不僅會縮小，而且涂層表面的液滴密度也會大大降低，這樣必然會改善涂層的表面粗糙度。

黃元林等人［12］在LF6基體上采用多弧離子鍍膜機制備了Ti（C，N）/TiN多元多層涂層，研究了反應(yīng)氣體流量對涂層性能的影響，結(jié)果表明在（N2+C2H2）總流量一定的情況下，隨C2H2流量增大，Ti（C，N）涂層中C含量增多，使涂層硬度提高，但韌性變差，表面變粗糙。

4.3 靶源電流

弧斑的數(shù)目與靶源電流成正比，陰極斑點的數(shù)目隨著靶源電流的增大而增加，較多的弧斑可以使燃燒的穩(wěn)定性增加。胡佳帥［13］等應(yīng)用多弧離子鍍膜技術(shù)在65Mn鋼基體上制備了CrN薄膜，結(jié)果表明在一定的靶源電流范圍內(nèi)，CrN薄膜厚度隨靶源電流的升高而增加，通過對靶源電流大小的控制可以實現(xiàn)對薄膜制備厚度的控制。但是對于一定的靶材，增加靶源電流，意味著靶材整體溫度的升高，產(chǎn)生的液滴會隨之增多，而且液滴的尺寸也會增大，這些液滴大大降低了涂層的各種性能。一般而言，用于裝飾涂層時靶源電流應(yīng)小些，而對刀具進行涂層時靶源電流可稍微大些。

4.4 基體負偏壓

基體負偏壓是多弧離子鍍在涂層時的一個不可忽略的工藝參數(shù)，基體負偏壓在涂層前預(yù)轟擊時，可以清除工件表面吸附的氣體和污染物；在涂層期間，又為離子提供能量使涂層與基體緊密結(jié)合?；w負偏壓在離子鍍中有舉足輕重的作用，調(diào)整基體負偏壓可以調(diào)整沉積離子的能量，以控制涂層質(zhì)量。

張皓揚等人［14］研究了基體負偏壓對TiAlN涂層性能的影響，結(jié)果表明：涂層表面液滴的密度和直徑隨基體負偏壓的增加而減少；涂層的顯微硬度在一定范圍內(nèi)隨著負偏壓的增加而增加；涂層的速率并不是隨著基體負偏壓的升高一直提高下去；涂層的孔隙率隨著基體負偏壓的升高而降低。宮永輝等人［15］研究了脈沖負偏壓對TiAlN/TiN多層膜生長及液滴的影響，結(jié)果表明：TiAlN/TiN復(fù)合涂層沉積速率隨脈沖負偏壓峰值的提高先升高后降低；脈沖負偏壓對TiAlN/TiN復(fù)合涂層的表面形貌有很大影響，液滴的密度和直徑隨脈沖負偏壓峰值的提高而減小。隨著負偏壓峰值的提高，元素濺射產(chǎn)額的差異增大，涂層中Al元素含量逐漸降低，Ti元素含量逐漸升高。

4.5 基體沉積時間

涂層顯微硬度隨著沉積時間的延長，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在特定的沉積參數(shù)下進行涂層時，涂層生長過程中出現(xiàn)應(yīng)力并產(chǎn)生應(yīng)力積累，應(yīng)力足夠大時將阻礙后續(xù)物料的成膜，故涂層厚度呈非線性增加。隨著沉積時間的延長，涂層厚度逐漸增加，顯微硬度也逐漸變大。但沉積時間過長時，生長應(yīng)力會阻礙后續(xù)膜的到達，使沉積速率下降，涂層內(nèi)晶粒之間的應(yīng)力增加。測定硬度時壓頭壓入涂層，涂層由于局部受力而導(dǎo)致破裂剝落，壓頭打在較軟的基體上，因此硬度測定值下降。

隨著沉積時間的延長，涂層/基體結(jié)合力也呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但沉積時間對結(jié)合力的影響低于對顯微硬度的影響。

5 多弧離子鍍技術(shù)在切削刀具涂層中的應(yīng)用

5.1 多弧離子鍍制備單層涂層

TiN為面心立方結(jié)構(gòu)，呈金黃色，是目前最常用于切削刀具的涂層，它具有高硬度、高黏著強度、低摩擦系數(shù)、抗腐蝕性好等特點。但TiN涂層的抗氧化溫度較低，使用溫度達500℃時，涂層明顯氧化而被燒蝕［16］。多弧離子鍍由于具備沉積速率高、結(jié)合強度好的突出優(yōu)勢，而成為物理氣相沉積TiN涂層的主要方法。

張少峰等人［17］采用多弧離子鍍涂層工藝，制備了TiN涂層高速鋼鉆頭和TiN涂層硬質(zhì)合金銑刀，進行了有TiN涂層和無涂層刀具的切削對比試驗。結(jié)果表明：有TiN涂層的高速鋼鉆頭使用壽命是無涂層鉆頭的5～7倍，有TiN涂層硬質(zhì)合金銑刀的使用壽命是無涂層銑刀的3～11倍。

作為TiN硬質(zhì)薄膜最有前景的替代材料，TiAlN涂層比TiN具有更高的硬度、抗高溫氧化性、熱疲勞性能、耐蝕性能、膜基結(jié)合力和低的表面粗糙度［18］。TiAlN涂層刀具壽命比TiN涂層刀具壽命高3～4倍。TiAlN涂層與TiN涂層主要性能比較［19］如表1所示。TiAlN涂層刀具切削高合金鋼、不銹鋼、鈦合金及Ni基高溫合金時，比TiN涂層刀具使用壽命提高3～4倍。另外，在TiAlN涂層中Al濃度較高時，切削過程中表面會生成很薄的非晶態(tài)Al2O3惰性保護膜，可更有效地用于高速切削［20］。

表1 TiAlN涂層與TiN涂層主要性能比較［19］

莫繼良等人［21］采用多弧離子鍍技術(shù)在高速鋼麻花鉆上沉積了TiAlN單層涂層，并將TiAlN涂層高速鋼麻花鉆對1Cr18Ni9Ti不銹鋼進行了干態(tài)鉆削試驗。結(jié)果表明：在高速鋼麻花鉆基體上所制備的TiAlN涂層具有良好的力學(xué)性能，可以使高速鋼麻花鉆的使用壽命提高4倍以上。

5.2 多弧離子鍍制備多層涂層

隨著高速切削、干式切削等機械加工技術(shù)的進步，單層涂層已不能滿足對刀具涂層日益苛刻的工作要求。采用形成多層結(jié)構(gòu)的方法，可在充分利用單層涂層原有優(yōu)良綜合力學(xué)性能優(yōu)勢的條件下，進一步提高其硬度、韌性和高溫抗氧化性能，是目前提高刀具涂層切削性能的重要技術(shù)措施［22-23］。目前研究和應(yīng)用較多的是雙層涂層和3～7層的多層復(fù)合涂層。涂層的成分更具有針對性且成分更為復(fù)雜化，另外涂層的厚度也趨向納米化，每一層的成分和厚度都可以根據(jù)實際情況來控制［24］。

潘應(yīng)君等人［25］采用多弧離子鍍技術(shù)在高速鋼表面制備TiN/AlN納米多層涂層，通過對比試驗表明，TiN/AlN納米多層膜涂層刀具比TiN單層涂層刀具具有更長的使用壽命，如表2所示。

表2 涂層刀具壽命試驗結(jié)果［25］

5.3 多弧離子鍍制備DLC涂層

DLC（Diamond Like Carbon，類金剛石）涂層是一種非晶態(tài)碳涂層，含有sp2和sp3雜化的碳原子空間網(wǎng)絡(luò)，具有接近金剛石的高硬度，表面非常平滑，粗糙度可達Ra0.01μm好于金剛石涂層的表面粗糙度（Ra=0.53μm）。DLC涂層摩擦系數(shù)低（0.005～0.200），只有鋼的1/6～1/12，在切削加工中有自潤滑功能，有效地解決了切削加工中切削液帶來的污染問題，可減少或免除切削液［26］。因此，DLC涂層以其特有的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于切削工具領(lǐng)域，如鉆頭、銑刀、硬質(zhì)合金刀片等。

DLC涂層方式有CVD法，也有PVD法。三菱神戶工具公司新開發(fā)的PVD法制備的DLC涂層最高硬度可達Hv8 000，涂層中氫、碳團及不純物質(zhì)少，其品質(zhì)與金剛石涂層相當［27］。Doerwald等［28］在豪澤公司的Flexicoat系統(tǒng)上，使用PACVD方法，制備了DLC涂層并對高強度鋁合金進行了切削，結(jié)果表明類金剛石涂層在干切削中具有良好的抗黏鋁性。王秀蘭等［29］采用真空磁過濾電弧離子鍍方法，在GT35基體上制備了DLC涂層，結(jié)果表明涂層的粗糙度可達0.015μm，納米硬度約為55GPa。袁鎮(zhèn)海等［30］采用真空陰極電弧沉積設(shè)備在硬質(zhì)合金刀片上制備了DLC涂層，用于切削鋁青銅和共晶鋁硅合金，結(jié)果表明DLC涂層刀具使用壽命明顯高于未涂層刀具。

6 結(jié)語

多弧離子鍍興起于20世紀80年代，幾十年的時間里該技術(shù)有了突飛猛進的發(fā)展，作為物理氣相沉積技術(shù)之一，具有其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性，如離化率高、繞鍍性好、一弧多用等。由于多弧離子鍍工藝可鍍性好，基體和靶材的限制少，因此，在切削刀具涂層行業(yè)的應(yīng)用在逐步擴大，并將占據(jù)越來越重要的地位。

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