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10-17

m3/Nm涂层成分正向多样化趋势发展多元氮化物TiAlNTiZrNTiHfNTiAlVNTiAlZrN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TiN

TiN/CNx纳米多层膜Ti-Si-N纳米混合复合涂层Si含量4-10at%硬度39-4