【正文】 能滿足切削加工日益提高的要求，國內(nèi)各大工具廠的涂層設(shè)備也到了必須更新?lián)Q代的時(shí)期。因此，瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)涂層技術(shù)，有計(jì)劃、有步驟地發(fā)展刀具涂層技術(shù)（尤其是PVD技術(shù)），對(duì)于提高我國的刀具制造水平具有重要意義?！∧湍ネ繉拥闹苽浼夹g(shù)　化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積硬涂層的發(fā)展可追溯到20世紀(jì)中期，聯(lián)邦德國金屬公司在工模具表面上得到了TiC涂層。20世紀(jì)60年代末，化學(xué)氣相沉積TiC和TiN涂層技術(shù)已經(jīng)成熟，并大規(guī)模用于涂層硬質(zhì)合金刀片及Cr12系列模具鋼[2]。CVD技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：適合鍍各種復(fù)雜形狀的部件，特別是有盲孔、溝槽的工件；涂層致密均勻；涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高。但CVD技術(shù)亦有其先天缺陷：一是沉積溫度高（500℃～1000℃），易造成刀具材料性能下降；二是涂層內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，易導(dǎo)致刀具使用時(shí)產(chǎn)生微裂紋；三是CVD工藝排放的廢氣、廢液會(huì)造成較大環(huán)境污染。正是這些缺陷限制了CVD的廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代末，開發(fā)了等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）技術(shù)，降低了化學(xué)氣相沉積的沉積溫度，可對(duì)高速鋼刀具進(jìn)行涂層處理。目前，CVD技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金車削類刀具的表面涂層，涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。國內(nèi)CVD技術(shù)的總體發(fā)展水平與國際水平基本保持同步。　物理氣相沉積常用于制備耐磨涂層的PVD技術(shù)有：濺射鍍、空心陰極離子鍍、電弧離子鍍、磁控濺射離子鍍?！R射鍍?yōu)R射鍍通常是利用低壓氣體放電產(chǎn)生等離子體，其正離子在電場(chǎng)作用下高速轟擊陰極靶，濺射出的靶材原子或分子飛向基體表面沉積成涂層。常用的濺射鍍技術(shù)為射頻濺射和磁控濺射。 MHz的高頻交變電場(chǎng)使氣體放電產(chǎn)生等離子體，射頻濺射既可濺射金屬靶材，也可濺射絕緣靶材。射頻濺射的缺點(diǎn)：電源昂貴，射頻輻射泄漏對(duì)人體有害。磁控濺射利用磁場(chǎng)控制二次電子運(yùn)動(dòng)，延長其在靶面附近的行程，增加與氣體碰撞的幾率，提高等離子體的密度，從而提高靶材的濺射速率，最終提高沉積速率[3]。為了提高基體上的離子電流密度（ICD），20世紀(jì)90年代，開發(fā)了非平衡磁控陰極。傳統(tǒng)磁控陰極的磁場(chǎng)集中在靶面附近，磁場(chǎng)將等離子體緊密地約束在靶面附近，基體附近等離子體很弱，基體不會(huì)受到離子和電子的較強(qiáng)轟擊。而非平衡磁控陰極的磁場(chǎng)大量向外發(fā)散，將等離子體范圍擴(kuò)展到基體（如圖11所示），形成大量離子轟擊，直接干預(yù)基體表面涂層沉積過程，改善涂層的性能。圖11　傳統(tǒng)磁控濺射和非平衡磁控濺射的特性Fig. 11　The character of conventional and unbalanced magnetron sputtering　空心陰極離子鍍空心陰極離子鍍是在空心熱陰極弧光放電和離子鍍技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種沉積技術(shù)。它利用空心熱陰極弧光放電產(chǎn)生等離子體，等離子體的電子飛向陽極坩堝中的鍍料，使其融化、蒸發(fā)、離化，在基體負(fù)偏壓的作用下，鍍料離子和中性粒子轟擊基體并沉積形成涂層。空心陰極離子鍍的離化率高，高能中性粒子密度大，對(duì)基體的濺射清洗效果好，鍍層的附著性和致密性好，可獲得高質(zhì)量的金屬或化合物涂層?？招年帢O離子鍍廣泛應(yīng)用于裝飾、刀具、模具、精密耐磨件的涂層處理。在工具上鍍硬質(zhì)耐磨涂層效果良好，但由于工件架在坩堝的上方，裝卡工件系統(tǒng)比較復(fù)雜，操作麻煩，適合多品種、小批量的生產(chǎn)?！‰娀‰x子鍍電弧離子鍍是20世紀(jì)70年代研究出的涂層技術(shù)，它利用固體陰極靶的弧光放電使靶材蒸發(fā)并離化，靶材離子在加有負(fù)偏壓的基體上沉積形成涂層。電弧離子鍍具有離化率高、沉積速率大、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，可以沉積金屬涂層、合金涂層和各種化合物涂層（氮化物、碳化物、氧化物），已廣泛應(yīng)用于涂鍍刀具、模具的硬質(zhì)涂層，是目前應(yīng)用較廣的涂層技術(shù)。目前存在的主要問題是，從靶表面飛濺出微細(xì)液滴，在基體上冷凝致使涂層組織不均勻、表面粗糙度增加。因此，電弧離子鍍被排斥于光學(xué)和電子學(xué)的應(yīng)用范圍，并限制了在精密加工和摩擦學(xué)等方面的應(yīng)用。雖然現(xiàn)在已經(jīng)研究出多種磁過濾技術(shù)，可有效減少或消除微細(xì)液滴[4,5]。但是，過濾弧源存在的共同缺點(diǎn)是：（1）束流直徑小，通常在200 mm以下，而且不易組成多弧源陣列，使得大面積和大批量的工業(yè)生產(chǎn)不能實(shí)現(xiàn)；（2）傳輸效率有待進(jìn)一步提高，目前彎管結(jié)構(gòu)最高的傳輸效率為25%左右[6]，離子電流只是電弧電流的2%～3%。　磁控濺射離子鍍磁控濺射離子鍍是把磁控濺射和離子鍍結(jié)合起來的技術(shù)，在同一個(gè)裝置內(nèi)既實(shí)現(xiàn)了氬離子對(duì)磁控靶的穩(wěn)定濺射，又實(shí)現(xiàn)了荷能鍍料離子在基體負(fù)偏壓作用下到達(dá)基體進(jìn)行轟擊、濺射、注入及沉積過程。磁控濺射離子鍍可以在涂層與基體的界面上形成明顯的混合界面，提高了涂層的附著強(qiáng)度；可以消除涂層的柱狀組織，生成均勻的顆粒狀組織結(jié)構(gòu)，涂層組織致密，表面光滑。因此，磁控濺射離子鍍已成為涂層沉積的主流技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工模具耐磨涂層、裝飾涂層、防蝕涂層、磁性涂層，并不斷向各個(gè)行業(yè)擴(kuò)大和深化其應(yīng)用，包括光學(xué)元件、醫(yī)學(xué)生物材料、半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料等。較之CVD技術(shù)，PVD技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：沉積溫度在500℃以下，不影響基體材料強(qiáng)度，可用于高速鋼精密刀具的涂層處理；對(duì)環(huán)境無不利影響。自20世紀(jì)70年代以來，國外PVD技術(shù)得到迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用，到80年代末，工業(yè)發(fā)達(dá)國家高速鋼復(fù)雜工具進(jìn)行PVD涂層處理的比例已超過60%[7]?！∧湍ネ繉拥陌l(fā)展現(xiàn)狀　硬涂層由于TiN、TiC等單一二元涂層材料難以滿足提高涂層綜合性能的要求，因此涂層材料向多元涂層、多層涂層和納米復(fù)合涂層的方向發(fā)展?！《嘣餐繉佑餐繉硬牧现校に囎畛墒?、應(yīng)用最廣泛的是TiN。這是因?yàn)?，容易沉積得到高硬度、耐磨損的立方TiN相，并且TiN涂層具有漂亮的金黃色。但是TiN涂層硬度（2000 HV）不能適應(yīng)當(dāng)前切削加工的需要，同時(shí)TiN涂層的高溫抗氧化性較差，在550℃以上時(shí)就迅速氧化成金紅石相的TiO2，造成涂層刀具失效。另一種常用的硬涂層為CrN，CrN的硬度比TiN低，耐高溫性和韌性比TiN好。MX型過渡金屬氮化物、碳化物多為NaCl結(jié)構(gòu)，金屬原子M形成面心立方亞點(diǎn)陣，X原子占據(jù)此亞點(diǎn)陣的八面體間隙，由于X原子不一定占據(jù)全部的八面體間隙，這類化合物可以在較大的成分范圍內(nèi)保持面心立方結(jié)構(gòu)。理論分析表明，許多晶體結(jié)構(gòu)相同且金屬原子半徑差小于15%的過渡金屬氮化物、碳化物往往可以彼此互溶[8]。這就可以借鑒鋼的合金化思路，在二元涂層中加入合金元素，形成多元涂層，以提高涂層的綜合性能。如在二元TiN基礎(chǔ)上研制出的一些多元涂層TiCN、TiAlN、TiCrN、TiZrN等均表現(xiàn)出良好的性能。20世紀(jì)80年代后期，TiAlN作為改善TiN涂層的新涂層材料開始發(fā)展起來，與TiN涂層相比，TiAlN涂層不但具有高硬度和高溫抗氧化性，而且能夠應(yīng)用于高速切削刀具[9]。鋁含量低的Ti1xAlxN涂層為單一的立方結(jié)構(gòu)Ti1xAlxN相，隨x升高涂層的硬度、殘余應(yīng)力和彈性模量增加，晶格常數(shù)減??；，Ti1xAlxN涂層中出現(xiàn)較軟的六方結(jié)構(gòu)AlN相，然后隨x升高涂層的硬度、殘余應(yīng)力和彈性模量降低[10,11]。兩相共存的Ti1xAlxN涂層（～）的X射線衍射峰較低，可能是因?yàn)橥繉又写嬖诩{米晶或非晶結(jié)構(gòu)，這類涂層具有引人注目的機(jī)械性能。另一方面，高鋁含量的Ti1xAlxN涂層的抗氧化性更好，x = ℃以上[10]。Ti1xAlxN涂層高溫抗氧化性好的原因是：在高溫氧化過程中，鋁離子向表面擴(kuò)散并形成富鋁的致密氧化層，阻止氧向涂層內(nèi)部進(jìn)一步擴(kuò)散，從而提高了Ti1xAlxN涂層的高溫抗氧化性[12,13]。據(jù)計(jì)算，AlN在CrN中的固溶度比在TiN中的固溶度大，Makino等人[14,15]沉積得到了x = 。因此，向TiAlN涂層中加入適量的鉻，可以獲得更高鋁含量的立方結(jié)構(gòu)涂層，即提高涂層的抗氧化性，又不使涂層的機(jī)械性能降低。另一方面，CrN的抗氧化性和韌性比TiN好，在涂層的鋁含量不變的情況下，CrTiAlN涂層的抗氧化性和韌性有可能比TiAlN涂層好。為了同時(shí)提高TiAlN涂層的機(jī)械性能和抗氧化性，向涂層中添加鉻元素。研究表明，向TiAlN涂層中添加少量的鉻就能提高涂層的抗氧化溫度，℃，℃[16]。Yamamoto等人[17]，低偏壓時(shí)涂層為六方結(jié)構(gòu)，偏壓高于50V時(shí)涂層完全為立方結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)證明，℃，硬度達(dá)到3500 HV，其耐磨性比TiAlN涂層的耐磨性好。同時(shí)，在干鉆灰鑄鐵試驗(yàn)中，兩種CrTiAlN涂層麻花鉆的壽命都比TiAlN涂層麻花鉆的壽命高[18]?！《鄬佑餐繉佣鄬咏Y(jié)構(gòu)的界面效應(yīng)，可以提高涂層的硬度、改善涂層韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力。據(jù)此開發(fā)了多層涂層，多層涂層可分為2類：一類是單層厚度為微米級(jí)的多層涂層；第二類是單層厚度為納米級(jí)的超點(diǎn)陣涂層。絕大多數(shù)多層涂層屬于第一類，如TiN/TiC、TiN/TiAlN、TiN/TiCN/TiC等多層涂層，已成功地應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀具上，使用壽命比單一TiN涂層刀具提高一倍以上。目前，研究較多的是納米多層超點(diǎn)陣涂層，如TiN/VN[19]、TiN/NbN[20]、TiN/CrN[21]、TiAlN/CrN[22]等超點(diǎn)陣涂層。這類多層超點(diǎn)陣涂層的硬度與周期層厚有很大關(guān)系，當(dāng)周期層厚為幾納米時(shí)，涂層的硬度可達(dá)到50 GPa。在形狀復(fù)雜的零件表面沉積超點(diǎn)陣涂層時(shí)很難控制每層的厚度，同時(shí)在高溫環(huán)境下各層間的元素相互擴(kuò)散也會(huì)導(dǎo)致涂層硬度降低?！〖{米復(fù)合超硬涂層納米復(fù)合涂層是由納米晶和非晶相組成的復(fù)合涂層。S. Vep?ek等[23,24]提出了納米晶與非晶相超硬復(fù)合材料的概念，他認(rèn)為在納米晶尺寸小于10 nm時(shí)，位錯(cuò)增殖源不能開動(dòng)，非晶相對(duì)位錯(cuò)具有鏡像排斥力，可阻止位錯(cuò)的遷移，即使在高應(yīng)力下位錯(cuò)也不能穿過非晶相基體。另一方面，非晶相可以很好的容納隨機(jī)取向的晶粒錯(cuò)配。這種材料表現(xiàn)為脆性斷裂，強(qiáng)度、硬度與彈性模量成比例，其強(qiáng)度由納米裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力所確定。按此思路研制的ncTiN/aSi3NncW2N/aSi3NncVN/aSi3N4等納米復(fù)合涂層的硬度高達(dá)50 GPa[25]。納米復(fù)合涂層具有高的硬度，良好的機(jī)械性能，有望替代現(xiàn)有的一些硬質(zhì)涂層。CrN涂層具有優(yōu)異的抗氧化性能，阻礙其作為刀具涂層的是它的硬度較低（1800 HV）。在保持CrN抗氧化性的同時(shí)提高硬度的方法有兩種，一種方法是加入合金元素，形成多元復(fù)合涂層；另一種方法就是按照S. Vep?ek提出的設(shè)計(jì)理念形成納米晶/非晶相超硬復(fù)合材料，CrSiN系統(tǒng)可能形成ncCrN/aSi3N4超硬復(fù)合材料。　軟涂層MoS2具有層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)原子以共價(jià)鍵結(jié)合，層間以范德瓦爾斯力結(jié)合，在臨近的硫原子層間容易發(fā)生滑動(dòng)，是常用的固體潤滑材料。MoS2涂層在真空或惰性氣體中摩擦系數(shù)低，耐磨壽命高，已被成功地應(yīng)用于真空和太空環(huán)境中[26]。近來，MoS2涂層在大氣和高濕度條件下的應(yīng)用正在不斷被重視，從環(huán)境和成本方面考慮，在切削加工、藥品、食品、服裝行業(yè)中，使用固體潤滑涂層代替液體潤滑劑具有很大的優(yōu)勢(shì)。例如，在切削加工中，切削液及其處理費(fèi)用占加工費(fèi)用的16%，而切削工具的費(fèi)用只占4%；另一方面，切削液對(duì)環(huán)境的污染較為嚴(yán)重，甚至危害工人健康。采用固體潤滑涂層刀具可以實(shí)現(xiàn)干切削或減少切削液的用量，從而降低加工費(fèi)用，并改善環(huán)境。但MoS2涂層在潮濕環(huán)境中，其摩擦系數(shù)升高，耐磨壽命降低[27]。為了提高M(jìn)oS2涂層在大氣中的摩擦性能，主要的方法是通過共沉積各種物質(zhì)形成MoS2基復(fù)合涂層，共沉積的物質(zhì)有：Au、Pb、Ti、Cr、Zr、W、WSe2等[28,29]。共沉積的作用為：改善涂層結(jié)構(gòu)，提高涂層致密性；避免氧化吸潮，提高涂層的抗?jié)裥阅?；彌散?qiáng)化，提高涂層耐磨壽命[30]。由于沉積工藝的不同，復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)分為混合結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)兩種?！《嘣浲繉覵immonds等[31]用射頻磁控濺射法分別共濺射Au、Ti、Cr、WSe2制備復(fù)合涂層，并研究共沉積物質(zhì)對(duì)涂層性能的影響。結(jié)果顯示，四種共沉積物質(zhì)都明顯提高M(jìn)oS2涂層的摩擦性能，其中WSe2的效果最好，其次為Au、Ti、Cr。而Ti、Cr能明顯提高涂層的硬度。英國Teer涂層公司用非平衡磁控濺射離子鍍法沉積MoS2金屬復(fù)合涂層，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層為非晶體，不呈現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)金屬含量增加時(shí)，可觀察到離散的金屬，也可能發(fā)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)，但這種涂層的承載能力有所下降。研究表明[32]，在MoS2涂層中分別加入金屬Ti、Zr和Cr，涂層性能并沒有較大差異，金屬含量為10%～20%時(shí)復(fù)合涂層的耐磨性最好，而只需加入約5%W涂層的耐磨性能就很好。MoS2Ti復(fù)合涂層，與純MoS2涂層相比，硬度更高，附著性更好，耐磨性更好，耐濕性能更好，而且保持了純MoS2涂層的低摩擦系數(shù)[33,34,35]。在大量的切削和成型應(yīng)用中，MoS2Ti復(fù)合涂層顯示出優(yōu)異的效果。Ti/～。而摩擦性能的改進(jìn)是以摩擦系數(shù)的提高為代價(jià)的，摩擦系數(shù)隨Ti含量的增加而增加。然而，Ti/，涂層的耐磨性變的很差，與含Ti較少的試樣相比，其比磨損率增加了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)[36]。雖然目前成功制備了高性能的MoS2金屬復(fù)合涂層，但是金屬原子在涂層中的存在形式和金屬元素的攙雜對(duì)涂層性能的影響機(jī)理仍不清楚。　多層軟涂層多層結(jié)構(gòu)涂層中金屬單層和MoSx單層的厚度一般分別為幾納米或幾十納米。多層結(jié)構(gòu)MoSx/Au、MoSx/Ni、MoSx/Ti和MoSx/Pb復(fù)合涂層在潮濕空氣中的摩擦性能和耐磨性都比純MoS2涂層好[37,38]。因?yàn)榻饘賹拥募尤胱柚沽硕嗫字鶢罱M織的形成，提高了涂層的致密性[39]。研究發(fā)現(xiàn)[34]，當(dāng)MoSx層厚度為20 nm時(shí)，隨金屬層（Ti和Pb）厚度增加，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)升高，耐磨性下降。金屬層厚度固定在最小值（4 nm Pb或5 nm Ti），MoSx層厚度為50 nm時(shí)涂層的耐磨性最好。　硬軟復(fù)合涂層軟硬復(fù)合涂層通常有兩種方式，一是層狀復(fù)合，即在硬涂層上再鍍軟涂層；二是混合復(fù)合，即硬質(zhì)相和軟質(zhì)相均勻混合在一起。研究發(fā)現(xiàn)[40,41]，在硬質(zhì)涂層（TiN、TiCN、CrN）上沉積MoS2Ti涂層形成的復(fù)合涂層能大大提高加工工具的性能。TiNMoS2混合涂層的硬度可達(dá)到20 GPa，這種復(fù)合涂層具有一定的應(yīng)用潛力[42,43]?！∧湍?