硬质涂层概况

硬质涂层发展概况江苏大学邵红红一、硬质涂层沉积技术印刷用滚筒等离子陶瓷热喷涂（耐磨损）等离子陶瓷热喷涂泵部件(耐磨损）电极轴（铜）隔离部等离子陶瓷热喷涂（耐磨损）拉线机械用引导滚筒等离子陶瓷热喷涂（耐磨损）热喷涂存在的问题：涂层厚,均匀性相对其他沉积方法差,难以应用于精密部件喷涂材料受限制,必须在熔融条件下不发生分解、蒸发、升华、离解沉积表面需要机械或化学粗化，基体不能太薄电化学沉积（电镀）与化学镀需要基体导电受电力线变化影响，均匀性和致密度差仿形性差可沉积材料相对较少成本相对低沉积速度相对较快不需要基体导电镀层均匀,致密,抗腐蚀性更好仿形性好,可对复杂部件施镀除Pb、Cd、Sn、Bi，大多数金属可沉积成本相对更高沉积速度相对较慢电镀化学镀电镀化学镀精密冲压加工品的电镀Ni化学镀Ni-P沉积的硬质材料有限(Cr,Ni,Ni-P…)沉积的硬质材料硬度一般偏小(1500Hv)复合沉积的复合均匀性较差,不能应用于精密部件电镀与化学镀的局限性：化学气相沉积（CVD）特点最先使用的气相沉积技术优点沉积温度高,结合力比物理气相沉积强缺点沉积温度过高限制基底的适用范围–沉积温度600℃-1200℃–基底适用范围(硬质合金\陶瓷部件)–热变形大，应用于非精密部件反应气体会污染环境PVD与CVD的区别导致不同领域的应用沉积温度低,应用范围广热变形小,可应用于精密部件(刀具、模具)没有废气排放，绿色环保物理气相沉积（PVD）优点：物理气相沉积（PVD）类型真空蒸镀（EvaporationDeposition）离子镀(IonPlating)溅射沉积(Sputtering)直流溅射溅射电源为直流电源，只适用金属和半导体材料溅射射频溅射溅射电源为射频电源，可溅射导体、半导体和绝缘体材料磁控溅射靶材背后安置强磁体，增强气体电离和电子对基体轰击可实现低温高速沉积溅射沉积特点溅射出粒子平均能量比真空蒸镀产生的粒子大，薄膜与基体结合性好膜厚较真空蒸镀均匀，材料的溅射特性差别不如其蒸发特性差别大，易控制成分任何材料（导电体、绝缘体、有机、无机）均能溅射成膜磁控溅射沉积技术是应用最广泛的气相沉积技术！磁控溅射仪可以称为万能镀膜机。金属基合金涂层铁基铬基镍层钼层钴基和镍基合金涂层其他合金涂层陶瓷涂层氧化涂层–氧化铝／氧化钽／氧化铬碳化物涂层–碳化钛/碳化钨/碳化铬–碳化铪/碳化锆／碳化硅氮化物涂层–氮化钛–氮化铪/氮化锆／氮化硅–立方氮化硼(CBN)／多元氮化物硼化物硅化物硬质碳层–非晶碳层/金刚石涂层硬质涂层的分类金属基合金涂层硬度值(1500Hv)不是很高,不能完全满足硬质涂层应用的需要!陶瓷涂层的应用成为研究热点陶瓷涂层的应用Al2O3涂层高硬度（750－2100Hv）高熔点化学性质稳定热不良导体，阻止摩擦热向基体扩散抗腐蚀，抗磨损的理想材料主要沉积技术：CVD主要应用刀具等碳化物涂层碳化钛Ti-C（1000Hv－2800Hv）应用最广的碳化物涂层碳化钨W-C（800－2100Hv）在高温条件下能保持良好的硬度碳化铬Cr-C具有碳化钛、碳化钨更强的抗氧化性。碳化硅SiC高硬度，高温抗氧化性，抗腐蚀性•与氧化物相比具有更高的硬度•脆性增加•涂层的沉积技术与沉积条件严重影响涂层性能氮化物涂层氮化钛TiN研究应用最多的氮化物涂层氮化铪HfN相对氮化钛和碳化钛，提高温度能保持较高硬度立方氮化硼c-BN（4000Hv）曾是金刚石之后发现最硬的材料之一需高温沉积，成本高与碳化物相比，氮化物具有良好的韧性涂层沉积技术与沉积条件严重影响涂层性能TiN模具氮化钛涂层应用性能金黄色硬度2200Hv摩擦系数0.4-0.6磨损率10-17m3/Nm涂层成分正向多样化趋势发展多元氮化物TiAlNTiZrNTiHfNTiAlVNTiAlZrN二元、三元氮化物可明显提高一元氮化物（如氮化钛）的性能TiAlN涂层性能硬度2200Hv－2700Hv摩擦系数0.4-0.9最高使用温度800℃(TiN500℃)沉积温度300℃TiAlNTiN中Al的加入提高了TiN硬度和抗氧化能力是TiAlN性能优于TiN的主要原因TiAlN涂层性能TiAlN是目前高速干式切削刀具最常用的涂层TiAlN切削性能TiAlN钻孔试验TiAlN涂层性能Typicalphotographsoftoolwearaccordingtocoatingtypeinthecaseofcuttingspeed200m/minandfeedpertooth0.03mm/rev;(a)noncoating;(b)TiN;(c)TiAlN.noncoatingTiNTiAlN.TiAlN涂层应用TiAlN挤型模TiN/TiAlN钻头（4）硬碳涂层非晶碳层/类金刚石层(DLC)兼有石墨和金刚石性能,优异的固体润滑硬膜金刚石(sp3),石墨(sp2)DLC(sp3+sp2)金刚石硬度100GpaDLC硬度7.4-60Gpa优点摩擦系数小0.1,沉积温度低可200℃缺点适用于加工有色金属,木材等不含铁成分的材料使用温度低450℃,涂层应力大PureDLCcoatingDLCSlidingparts,molds,insertsDLC切割刀片硬碳层金刚石涂层优点具有很高的硬度,耐磨性能,摩擦系数低缺点采用CVD沉积技术,沉积温度高,基底材料范围窄涂层应力大,膜基结合能力差适用于加工有色金属,木材等不含铁成分的材料成本高,H2消耗量大新型涂层的研究趋势涂层不仅向成分多元化发展，也向组织结构纳米复合化发展1.新型涂层的研究背景新一代纳米结构涂层已经吸引全世界的关注通过涂层的结构纳米化和不同物相复合纳米化，可以获得超硬涂层（40GPa）通过涂层纳米化，可改善涂层的综合性能（韧性，抗腐蚀、抗氧化、结合性能等）超硬涂层应用于传统超硬涂层不能沉积的基体表面或应用领域,使其在工业制造过程效率更高，通用性更强，成本更低新型涂层的研究背景2.纳米结构涂层的优点更好的综合性能（超硬度，高韧性,抗腐蚀性等）提高了涂层的抗磨损性能，提高了工件的使用寿命，迎合了工业界对生产效率的追求。更好的热力学稳定性,使用范围更广（C、B和铁有很好的亲和性,使DLC和c-BN的热动力学稳定性差，适用范围受限）可以在较低的温度条件沉积出超高硬度涂层，扩展了沉积基底的种类和应用范围(传统超硬涂层需高温沉积,如金刚石等)沉积工艺比传统的超硬涂层（金刚石，c-BN）更简单，成本更低DLC很好的固体润滑性能硬度20GPa抗氧化性不佳C与铁亲和力强,不能用于加工钢铁材料,使用范围限于有色金属加工纳米复合材料具有良好的抗氧化性硬度40GPa可应用于钢铁和有色金属加工C-BN硬度高，但综合性能不佳。韧性差,应力大,结合性能差沉积温度高成本最贵3.新型涂层的研究纳米复合涂层纳米多层复合涂层(nano-layeredfilm)纳米混合复合涂层(nano-compositedfilm)nano-compositedfilmnano-layedfilm当调制周期达到临界值,涂层产生超硬效应纳米多层复合涂层TiN/SiNx纳米多层膜无一般涂层的柱状结构,致密热稳定性强,高硬度(~50GPa),强抗腐蚀性TiN/SiNx纳米多层膜TEM结构非晶态SiNx晶态TiNTiN/CNx纳米多层膜Ti-Si-N纳米混合复合涂层Si含量4-10at%硬度39-43GPa晶粒大小5-10nm混合复合涂层不需要严格的旋转设备，比纳米多层涂层制备简单得多非晶态SiNx阻碍TiN晶体边界的滑移，并且细化TiN晶粒使涂层产生超硬效应结束语采用硬质涂层制备技术，不但可大幅度提高工件的质量和性能，成倍地延长使用寿命，而且它们大多在技术上成熟，工艺上简便，经济上可行，能够取得事半功倍的效果。谢谢！