工具镀的资料

我国刀具PVD涂层技术发展的问题与对策与国外相比，我国刀具PVD涂层技术的研究和开发起步并不太晚，而且在发展初期大量引进了当时国际上最先进的各类涂层设备，八十年代后期国产涂层设备也得到了迅速发展，但该项技术真正广泛应用于高速钢刀具却是在九十年代中期。

到目前为止，虽然国内对硬质合金刀具TiCN涂层的研究已取得突破，但国内市场的涂层产品仍以TiN涂层为主。分析其原因，可归纳为以下几点：

（1）前期集中引进对国内PVD技术后续发展的影响

八十年代中期国外PVD技术及装备的集中引进虽然使我国发展该项技术有了一个高起点，同时也解决了高速钢刀具的涂层问题，但由于引进设备的厂家都是国内的刀具生产骨干企业（其刀具产品的国内市场占有率很高），这些先进涂层设备的引进在相当长一段时间内已可满足这些企业的生产要求，因此对国产PVD技术和设备的需求不太强烈，这在一定程度上影响了国产PVD设备在刀具制造领域的应用与发展；另一方面，八十年代中期PVD技术还处于发展初期，随着该项技术的不断发展，进入九十年代后新技术层出不穷，这些企业早期引进的技术亟待更新，但昂贵的价格使企业很难再次引进新技术和新设备，国内也因此错失了发展提高PVD技术的最佳时期。

（2）对新工艺的研发重视不够

尽管八十年代国内引进了当时最先进的PVD技术，但当时PVD技术尚处于发展初期，国内对其后续发展空间及发展速度无法充分估计；此外，物理涂层技术是集电子物理、材料、真空控制技术于一体的新型技术，在研究、生产、应用等方面对人员配置有较高要求，而大部分引进PVD技术的企业偏重生产，对开发人员及资金配置不足，难以推动工艺技术的进一步自主开发，新工艺、新技术仍需再引进，而再引进的费用十分昂贵（如Balzers公司的设备从TiN涂层工艺升级为TiCN涂层工艺，仅硬件改造费即需30万美元），因此影响了国内涂层技术新工艺和装备的研发。

（3）国产设备开发缺乏统一性、合理性及协作性

八十年代后期，国内一些真空设备制造厂及科研单位对PVD刀具涂层市场过于乐观，纷纷加大各类PVD涂层设备的开发力度，但由于缺乏对切削工艺及刀具涂层工艺的深入了解，与工具厂合作不够，因此开发的涂层设备大多无法满足刀具涂层工艺的要求，尤其是精密高速钢刀具涂层技术尚达不到批量生产水平。由于此类设备大多只能用于麻花钻的涂层，而麻花钻涂层费用极低，相应涂层设备的利润也很低，因此到九十年代以后，大部分真空设备制造厂已把发展方向转向其它行业（如装饰涂层等）。

（4）售后服务欠缺制约了国产涂层设备的推广应用

迄今为止，国内大部分涂层设备生产厂还不能提供完整的刀具涂层工艺技术（包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具应用技术等），这种技术不完整性给用户的生产带来许多技术问题；此外，由于设备生产厂不能提供长期技术服务，导致国产涂层设备难以保证长时期稳定、正常使用，从而极大限制了PVD涂层设备的推广应用。

（5）涂层质量不稳定制约了涂层技术的推广应用

引进设备的高昂成本导致涂层价格居高不下，涂层费用甚至可超过刀具价格的50%；由于引进渠道不一，设备选择依据不同，导致设备工艺水平相差较大，影响了涂层刀具的使用效果；由于国产涂层刀具质量不稳定，涂层刀具检验标准不完备，因此在应用领域内造成了涂层价格高、涂层质量不稳定且涂层后刀具性能改善不明显的不良印象，严重影响了刀具涂层技术的推广应用和快速发展。

（6）国内机械加工水平不高制约了涂层技术的快速发展

在二十世纪八十年代，我国数控机床的应用还十分有限，机械加工仍处于较低水平，高速钢刀具的应用占全部刀具的80%以上，硬质合金刀具仍以焊接刀具为主，可转位刀片以车削类刀具为主（一般多采用CVD涂层），整体硬质合金立铣刀、钻头、铰刀等应用较少，因此对PVD硬质合金刀具涂层的要求并不十分迫切，这在一定程度上也影响了涂层技术的进一步发展

对策建议

随着我国汽车、航空、航天、重机等工业的发展以及数控机床的迅速普及，我国机械加工技术正朝着高速加工、绿色制造的方向发展，高速滚齿、高速铣削以及干式切削工艺的应用对刀具涂层技术提出了更高要求。

以齿轮高速滚削加工为例，先进的工艺需要采用滚刀MoS2软涂层技术，与TiN涂层相比，使用寿命可提高一倍以上。在高速铣削加工中，硬质合金铣削类刀具多选用TiAlN、TiAlCN或TiNAlN涂层，单一的TiN涂层已不适合此类加工。市场的需求迫使国内必须加速PVD新技术的研究和开发。

笔者认为，要使我国新型PVD涂层技术得到快速而有序的发展，应努力做好以下几方面工作：

（1）加强项目的规划与管理

工具行业管理部门应加强PVD涂层项目的规划与管理工作，明确我国新型PVD涂层技术的短、中、长期发展目标，确立有计划、不间断发展的方针，并通过“官、产、学、研、商”的有机结合，使项目既有政策支持又有资金保障。我国在这方面也有过成功经验：在八十年代中期，为了在引进基础上立足于自行开发，提高工具行业涂层技术的整体水平，原机械工业部机床工具司组织了全行业力量对引进设备进行技术攻关，开发出的热阴极弧磁控等离子镀膜机已在工具行业成功地推广应用，并因此带动了国内TiN涂层刀具的普及应用。

（2）建立统一的研究、开发、服务体系

建立统一的研究、开发、服务体系，根据涂层技术的发展趋势和国内外市场需求，有系统地引进国际先进技术，加强对引进技术的消化吸收及协作研究工作，逐步增强自我开发能力，形成专利技术，最终实现满足国内市场需求和参与国际市场竞争的目的。

（3）建立刀具涂层技术的行业标准

建立涂层设备、涂层刀具的行业检验标准，严格控制涂层刀具质量，确保涂层技术的大面积推广应用。信息来源：工具技术切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。因此，涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。我国的刀具涂层技术经过多年发展，目前正处于关键时期，即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求，国内各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。因此，充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势，瞄准国际涂层技术先进水平，有计划、按步骤地发展刀具涂层技术（尤其是PVD技术），对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

国内商业应用PVD技术概况~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

国内PVD涂层技术的研发工作始于八十年代初，八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具TiN涂层工艺技术。由于对刀具涂层市场前景的看好，国内引进了热阴极离子镀及阴极电弧（多弧）离子镀技术与装备。技术及装备的引进摧动了国内刀具PVD涂层技术的第一次开发热潮，国内各大真空设备厂及科研单位纷纷展开了离子镀膜机的研制工作，并于九十年代初开发出多种PVD设备。但由于大多数的设备性能指标低，涂层工艺稳定性差，预期的市场效益未能实现，从而导致了近十多年国内刀具PVD涂层技术处于徘徊不前的局面。尽管九十年代末国内成功开发出了硬质合金TiN-TiCN-TiN多元复合涂层工艺技术，并达到了实用水平，但在随后的发展过程中也并未得到市场认可。随着我国汽车工业的迅速崛起、先进制造技术的大量引进及数控加工技术大面积的普及，自本世纪初，PVD技术在国内掀起了第二次开发热潮。与九十年代不同，目前国内

PVD技术的发展更具多元性及创新性，归纳起来有以下几种类型：

①

阴极电弧法（Cathode

Arc

Deposition

）

国内已由小圆型阴极电弧技术发展到大面积阴极电弧技术及金属材料，利用钽灯丝给工件加热、除气，利用电子枪增强离化率，不但可以得到厚度

3~5μm的TiN

涂层，而且其结合力、耐磨性均有不俗表现，甚至用打磨的方法都难以除去。但是这些设备都只适合于

TiN涂层，或纯金属薄膜。对于多元涂层或复合涂层，则力不从心，难以适应高硬度材料高速切削以及模具应用多样性的要求。3.

现代涂层设备(均匀加热技术、温度测量技术、非平衡磁控溅射技术、辅助阳极技术、中频电源、脉冲技术)

现代涂层设备主要由真空室、真空获得部分、真空测量部分、电源供给部分、工艺气体输入系统、机械传动部分、加热及测温部件、离子蒸发或溅射源、水冷系统等部分组成。3.1

真空室涂层设备主要有连续涂层生产线及单室涂层机两种形式，由于工模涂层对加热及机械传动部分有较高要求，而且工模形状、尺寸千差万别，连续涂层生产线通常难以满足要求，须采用单室涂层机。3.2

真空获得部分在真空技术中，真空获得部分是重要组成部分。由于工模件涂层高附着力的要求，其涂层工艺开始前背景真空度最好高于6mPa，涂层工艺结束后真空度甚至可达

0.06mPa

以上，因此合理选择真空获得设备，实现高真空度至关重要。就目前来说，还没有一种泵能从大气压一直工作到接近超高真空。因此，真空的获得不是一种真空设备和方法所能达到的，必须将几种泵联合使用，如机械泵、分子泵系统等。3.3

真空测量部分真空系统的真空测量部分，就是要对真空室内的压强进行测量。像真空泵一样，没有一种真空计能测量整个真空范围，人们于是按不同的原理和要求制成了许多种类的真空计。3.4

电源供给部分靶电源主要有直流电源(如

MDX)、中频电源(如美国

AE公司生产的

PE、PEII、PINACAL)；工件本身通常需加直流电源(如

MDX)、脉冲电源(如美国AE公司生产的

PINACAL+)、或射频电源(RF)。3.5

工艺气体输入系统工艺气体，如氩气(Ar)、氪气(Kr)、氮气(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氢气(H2)、氧气(O2)等，一般均由气瓶供应，经气体减压阀、气体截止阀、管路、气体流量计、电磁阀、压电阀，然后通入真空室。这种气体输入系统的优点是，管路简捷、明快，维修或更换气瓶容易。各涂层机之间互不影响。也有多台涂层机共用一组气瓶的情况，这种情况在一些规模较大的涂层车间可能有机会看到。它的好处是，减少气瓶占用量，统一规划、统一布局。缺点是，由于接头增多，使漏气机会增加。而且，各涂层机之间会互相干扰，一台涂层机的管路漏气，有可能会影响到其他涂层机的产品质量。此外，更换气瓶时，必须保证所有主机都处于非用气状态。3.6

机械传动部分刀具涂层要求周边必须厚度均匀一致，因此，在涂层过程中须有三个转动量才能满足要求。即在要求大工件台转动(I)的同时，小的工件承载台也转动(

II),并且工件本身还能同时自转(III)。在机械设计上，一般是在大工件转盘底部中央为一大的主动齿轮，周围是一些小的星行轮与之啮合，再用拨叉拨动工件自转。当然，在做模具涂层时，一般有两个转动量就足够了，但是齿轮可承载量必须大大增强。3.7

加热及测温部分做工模涂层的时候，如何保证被镀工件均匀加热比装饰涂层加热要重要得多。工模涂层设备一般均有前后两个加热器，用热电偶测控温度。但是，由于热电偶装夹的为置不同，因而，温度读数不可能是工件的真实温度。要想测得工件的真实温度，有很多方法，这里介绍一种简便易行的表面温度计法

(Surface

Thermomeer)。该温度计的工作原理是，当温度计受热，底部的弹簧将受热膨胀，使指针推动定位指针旋转，直到最高温度。降温的时候，弹簧收缩，指针反向旋转，但定位指针维持在最高温度位置不动，开门后，读取定位指针指示的温度，即为真空室内加热时，表面温度计放置位置所曾达到的最高温度值。3.8

离子蒸发及溅射源多弧镀的蒸发源一般为圆饼形，俗称圆饼靶，近几年也出现了长方形的多弧靶，但未见有明显效果。圆饼靶装在铜靶座(阴极座)上面，两者为罗纹连接。靶座中装有磁铁，通过前后移动磁铁，改变磁场强度，可调整弧斑移动速度及轨迹。为了降低靶及靶座的温度，要给靶座不断通入冷却水。为了保证靶与靶座之间的高导电、导热性，还可以在靶与靶座之间加锡(Sn)垫片。磁控溅射镀膜一般采用长方形或圆柱形靶材，3.9

水冷系统因为工模涂层时，为了提高金属原子的离化率，各个阴极靶座都尽可能地采用大的功率输出，需要充分冷却；而且，工模涂层中的许多种涂层，加热温度为

400~500?C，因此，对真空室壁、对各个密封面的冷却也很重要，所以冷却水最好采用18~20?C

左右的冷水机供水。为了防止开门后，低温的真空室壁、阴极靶与热的空气接触析出水珠，在开门前

10

分钟左右，水冷系统应有能力切换到供热水状态，热水温度约为

40~45?C。4.

工模具PVD

的工作步骤工模具

PVD

基本工艺流程可简述为：IQC→前处理→PVD→FQC，分别介绍如后。4.1

IQCIQC(In

Quality

Control)的主要工作除了常规的清点数量，检查图纸与实物是否相符外，还须仔细检查工件表面，特别是刃口部位有无裂纹等缺陷。有时对于一些刀具、刀粒的刃口，在体式显微镜下观察，更方便发现问题；另外，IQC

的人员还要注意检查待镀膜件有无塑胶、低熔点的焊料等，这些东西如果因漏检而混入镀膜程序，则将在真空室内严重放气，轻者造成整批产品脱涂层，重者使原本

OK

的产品报废，后果不堪设想。4.2

前处理工艺(蒸汽枪、喷砂、抛光、清洗)

前处理的目的是净化或粗化工件表面。净化就是要去除各种表面玷污物，制备洁净表面。通常使用各种净化剂，借助机械、物理或化学的方法进行净化。粗化与光蚀相反，其目的在于制备粗糙的表面以提高喷涂层或涂料装饰的结构强度。我们现在已有的前处理主要方法为：高温蒸洗、清洗、喷砂、打磨、抛光等方法。4.2.1高温蒸洗目前，PVD

车间常用的高温蒸洗设备是蒸汽枪。它的最大工作温度可达

145?C，气压在

3~5

巴左右。由于模具中经常带有一些细小孔、螺纹孔，孔内中常常有油污、残余冷却液等杂质，用常规清洗的方法难以除去。此时，高温蒸洗设备便可最大程度的发挥它的优越性。4.2.2清洗各厂工模涂层前清洗程序大致如下：1.超声波除蜡→2.过水→3.

超声波除油→4.过水→5.

超声波自换→6.过水→7.过纯水→8.强风干燥具体实施时，与我们所熟悉的装饰涂层前的清洗又有许多不同。这是因为装饰涂层的底材大多为不锈钢或钛合金，不容易生锈。此外，装饰涂层对水印、点痣等缺陷是绝对不允许的。因此，装饰涂层对纯水的水质要求极高，甚至要达到

15MΩ

以上。要保证清洗的高质量，可以通过反复清洗，并在高质量的纯水加超声波中长时间浸泡来得到。但是，工模的清洗就不同，尤其是一些热做模具钢，如果像装饰涂层那样去清洗，就会锈得一塌糊涂。由于工模涂层的原始表面状态，除了一些高标准的镜面模具以外，一般较装饰涂层要粗糙，因而，对涂层后的表面状态的要求也不象装饰涂层那样高，这就允许我们采取快速过水，用干燥、无油的压缩空气吹干，然后对工模强风干燥的方法来处理。而那些高标准的镜面模具，一般均为136

等不锈钢，可以借用装饰涂层的清洗法。总而言之，工模涂层前的清洗方法因工模所使用的材料的不同而不同，因工模涂层前的表面状态的不同而不同，且不可千篇一律。下面是几种材料生锈由难到易的排序，供参考：不锈钢、硬质合金、金属陶瓷合金、DC53、高速钢、8407

有一种自动清洗机型号为

CR288，产自德国。该机一次最大清洗量为

80KG，主要用于清洗刀具、小型零部件、或小尺寸的模具。它共有三个清洗缸，里面的溶液分别为自来水+清洗剂、自来水、去离子水。除了常见的超声波、大水冲洗、喷淋、摆动、热风干燥等功能外，该机另外一个优点是最后设有抽真空步骤，可以使水分尽快挥发掉。自动清洗机内存十种工艺，均由供方预先设定。一至九可分别用于不同类型的产品、不同的表面状态的净化处理。第十种用于加注清洗剂。4.2.3喷砂喷砂法是借助压缩空气使磨料强力冲刷工件表面，从而去除锈蚀、积碳、焊渣、氧化皮、残盐、旧漆层等表面缺陷。按磨料使用条件，喷砂分为干喷砂与湿喷砂两类。喷砂的工艺参数主要有枪距、倾角、装夹台旋转速度、移动速度、行程、往返次数、喷砂时间、喷砂气压。我们已使用过的参数有枪距：30~70mm;

倾角

30~70?C;

装夹台旋转速度

10~30；往返次数

3~9

次；喷砂气压：1.8~3.5

巴等。具体操作时，根据工件表面脏污程度，工件硬度，工件表面几何形状等因素，选取上下限。我们在干喷砂机中所选用的磨料为玻璃珠，适合喷一些硬度介中的材料，如油钢、模具等；在液体喷砂机中所选用的磨料为氧化铝，硬度较高，适合喷一些硬度高的材料，如硬质合金材料。对于工模涂层而言，喷砂所使用的磨料粒度也很重要。如果磨料粒度过大，则工件表面太粗糙；如果磨料粒度太小，又会降低冲击力度，甚至嵌在工件表面，清洗难以去除，从而使工件涂层附着力降低。为此，欧洲一些国家，对工模涂层前喷砂所用磨料粒度做过仔细研究，严格到必须保证

85%以上的晶粒度在中

A、B

两点范围内才能使用。相比之下，我国磨料的供应商还缺乏这方面的共识，我们也很少有做这方面的检验。4.3

PVD

涂层工艺(加热、离子清洗、涂层、冷却、工艺气体、气压、温度、溅射功率)4.4

FQCFQC

的英文全拼为：“Function

Quality

Control”，意思是功能质量控制，它有别与一般意义上的

OQC(Out

Quality

Control)

。FQC

的内容主要包括外观检查、层深检查、附着力检查、耐磨性检查、抗蚀性检查、模拟性测试等方法。我厂目前应用的主要有外观检查、层深检查和附着力检查。由于我们所接触的产品大多都是不允许做破坏性检查的，因而我们在镀膜时，每批都会放进随批试样。做层深检查和附着力检查的时候，大多数情况下，实际上是对随批试样进行检查。因为试样与产品在原材料、热处理状态、装夹位置等方面都难于一致，所以这样检测出的结果，与产品实际值会有一定的误差。有时可能还会有相当大的误差，只能做参考使用。当然，必要的时候，我们也可以通过制作模拟件，达到准确测量的目的。4.4.1外观检查对于开门取件后的产品，应仔细检查表面有无裂纹、掉涂层、疏松等缺陷。对于刀具、刀粒，还需在显微镜下仔细检查它们的刃口状态。4.4.2层深检查层深检查有切片金相观察法、X-ray

检查法、用单色光做光源的光学测试法、球磨仪测试法等多种方法。工模涂层的层深检查是在球磨仪上进行的。方法是先用直径为

10mm

的钢球与测试表面滚磨，然后在显微镜下测量磨痕的有关数据，带入公式中，即可方便算出层深。这种层深检查法的特点是：方便适用，误差稍大。但这种误差应用于工模上面影响不会太大。有兴趣的同事还可参阅有关的说明书。附着力的检查方法有很多，各个厂根据自己产品的特点，都制定了相应的检测方法。其中，比较权威的方法有两种，一种是在洛氏硬度计上，以圆锥型金刚石压头做压痕试验，在显微镜下观察，以压痕周边裂纹的多少来判断涂层附着力的高低。该方法对金刚石压头的形状要求很高，不但严格要求中心点在圆的中心，而且金刚石圆锥的圆度必须十分规则。遗憾的是，目前，我国还没有它的国家或行业标准；另一种方法是划痕法，我国有些涂层发起较早的科研部门，也是采用的该方法，有专门的国家行业标准可供查询。5.

工装夹具的处理6.

涂后处理工艺(喷砂、涂脂技术，抛光处理)7.

检测技术(结合力的检测、层深的检测、酸蚀)8.

涂层剥离技术(TiN/TiAlN

的剥离技术、CrN/DLC/CrAlTiN

的剥离技术、硬质合金的表面涂层剥离技术)9.涂层刀具的应用技术(涂层的正确选择、涂层刀具的正确使用涂层对刀具的优化非常大，由于高速切削加工比传统切削加工所产生的温度要高，应用涂层，可以发挥其耐高温、抗氧化及加硬材质等作用。例如，氮化铬(CrN)涂层可降低磨擦系数，改善光洁度及排屑情况

PVD涂层技术简介PVD即物理气相沉积，是当前国际上广泛应用的先进的表面处理技术。其工作原理就是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时把蒸发物或其反应物沉积在基底上。它具有沉积速度快和表面清洁的特点，特别具有膜层附着力强、绕射性好、可镀材料广泛等优点。

PVD涂层性能特点

镀膜的属性

·金属外观

·颜色均匀一致

·耐久的表面，在各种基本的空气和直射阳光环境条件下永久保持良好外观。

·颜色深韵、光亮

·经济，可减少清洗和擦亮电镀黄铜或金色所必须的时间和成本。

·对环境无害，避免化学中毒和VOC的散发。

·具生物兼容性

镀膜特性

·卓越的附着力-可以折弯90度以上不发生裂化或者剥落(PVD镀膜持有很高附着力和耐久力)。其它的技术，包括电镀，喷涂都不能与其相比。

·可以蚀刻出任何能够想象出的设计图案。

·可以使用在内装修或者室外

·抗氧化，抗腐蚀。

PVD膜层抵抗力

·耐腐蚀，化学性能稳定。·抗酸

·在常规环境下，户内或者户外，都抗氧化，不褪色，不失去光泽并不留下痕迹。·正常的使用情况下不会破损。

·不褪色。

·容易清除油漆和笔迹。

·在强烈的阳光，咸的湿地和城市环境下，都不失去光泽，不氧化，不褪色，不脱落和爆裂。

膜层颜色种类繁多，表面细腻光滑，富有金属光泽，永不褪色。

在烈日、潮湿等恶劣环境中不变色、不脱落，性能稳定。

高度耐磨损，耐刮擦，不易划伤。

可镀材料广泛，与基体结合力强。

高真空离子镀膜技术——对人体和生态环境真正无害。

经济性：节约(减少)了一般镀铜(金)产品所需清洁磨光的时间和花费，使用一块软布和玻璃清洁剂即可清洁干净PVD膜层。

PVD装饰涂层颜色系列

PVD可以在不锈钢、铜、锌铝合金等金属上镀制金色、黄铜色、玫瑰金色、银白色、黑色、烟灰色、紫铜色、褐色、紫色、蓝色、酒红色、古铜色等颜色，并能根据您的要求提供所需的颜色及质量。

应用范围

PVD技术广泛应用于门窗五金、厨卫五金、灯具、海上用品、首饰、工艺品，及其它装饰性制品的加工制造。

如今PVD在日用五金领域已相当普及，许多世界领先的五金制造商都已开始PVD产品的开发和大批量生产。PVD丰富的色彩使其非常容易搭配，优异的抗恶劣环境，以及易清洗、不褪色的性能使其深受消费者喜爱。特别是的明星产品——铜色系列涂层，被全世界广泛采用，并用来代替铜及镀铜制品。模具及精密零件PVD表面强化处理技术模具及精密零件PVD表面强化处理技术近年来，PVD镀膜技术在模具的工作表面强化处理中的应用越来越多，其突出的优点是可有效提高模具使用寿命，同时镀膜温度低，在250℃～500PVD表面涂层处理技术在成都地区尚属空缺，成都敏捷引进瑞士PLATIT公司先进的涂层设备及技术，用于精密零件及模具表面处理，提高模具型面硬度、耐磨性、抗热性、抗腐蚀性等，可使零件及模具使用寿命提高3-5倍，大大提高了模具材料的利用率。PVD表面涂层处理技术，目前已在省内外企业获得应用和认同，涉及的模具包括冷冲模、塑料模、热锻模、挤压模等，涉及的零件有各种易磨损的部件，例如录音机磁头外壳拉伸模，对其材料为YG20硬质合金的模具工作零件进行PVD涂覆TiN处理，寿命从原来的13万次提高到45万次以上，物理气相沉积技术是通过加热或离子轰击（喷射）使坚固的高纯度涂层材料（金属，如钛、铬和铝）蒸发。同时，加入反应气体（例如氮或含碳气体），这些气体与金属蒸气反应生成化合物，然后沉积在工具或模具上形成薄而高度粘附的涂层。我公司联合四川西华大学探索该技术各个涂覆层如TiN、TiAlN、TiCN-MP、TiCN、TiAlCN、GRADVIC、ZrN、CrN、CROMVIC、AlTiN、DLC(类金刚石涂层)等材料对模具型面的硬度、耐磨性、抗热性、抗腐蚀性、自润滑性等的影响，研究开发综合性能更好的复合涂层和纳米涂层。PVD复合涂层性能优良，具有不可轻视的应用潜力。国内PVD技术在模具产业的应用与推广才处于起步阶段，主要以单层TiN系涂层为主。手机行业已将模具的涂层写入标准条件中，目前国内只有少数大型企业获得初步应用，模具包括冷冲模、塑料模、热锻模、挤压模等多类模具，使用寿命平均提高3-5倍以上。Q1:请问什么是PVD？

A1:PVD是英文PhysicalVaporDeposition的缩写，中文意思是“物理气相沉积”，是指在真空条件下，用物理的方法使材料沉积在被镀工件上的薄膜制备技术。

Q2:请问什么是PVD镀膜？什么是PVD镀膜机？

A2:PVD(物理气相沉积)技术主要分为三类，真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜和真空离子镀膜。相对于PVD技术的三个分类，相应的真空镀膜设备也就有真空蒸发镀膜机、真空溅射镀膜机和真空离子镀膜机。

近十多年来，真空离子镀技术的发展是最快的，它已经成为了当代最先进的表面处理方法之一。我们通常所说的PVD镀膜，指的就是真空离子镀膜；通常所说的PVD镀膜机，指的也就是真空离子镀膜机。

Q3:请问PVD镀膜的具体原理是什么？

A3:离子镀膜（PVD镀膜）技术，其原理是在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质电离，在电场的作用下，使被蒸发物质或其反应产物沉积在工件上。

Q4:请问PVD镀膜与传统的化学电镀（水电镀）相比有何优点？

A4:PVD镀膜与传统的化学电镀的相同点是，两者都属于表面处理的范畴，都是通过一定的方式使一种材料覆盖在另一种材料的表面。

两者的不同点是：PVD镀膜膜层与工件表面的结合力更大，膜层的硬度更高，耐磨性和耐腐蚀性更好，膜层的性能也更稳定；PVD镀膜可以镀的膜层的种类更为广泛，可以镀出的各种膜层的颜色也更多更漂亮；PVD镀膜不会产生有毒或有污染的物质。

Q5:请问PVD镀膜能否代替化学电镀？

A5:在现阶段，PVD镀膜是不能取代化学电镀的，并且除了在不锈钢材料表面可直接进行PVD镀膜外，在很多其他材料（如锌合金、铜、铁等）的工件上进行PVD镀膜前，都需要先对它们进行化学电镀Cr(铬)。PVD镀膜主要应用在一些比较高档的五金制品上，对那些价格较低的五金制品通常也只是进行化学电镀而不做PVD镀膜。

Q6:请问采用PVD镀膜技术镀出的膜层有什么特点？

A6:采用PVD镀膜技术镀出的膜层，具有高硬度、高耐磨性（低摩擦系数）、很好的耐腐蚀性和化学稳定性等特点，膜层的寿命更长；同时膜层能够大幅度提高工件的外观装饰性能。

Q7:请问PVD能在镀在什么基材上？

A7:PVD膜层能直接镀在不锈钢以及硬质合金上，对锌合金、铜、铁等压铸件应先进行化学电镀铬，然后才适合镀PVD。

Q8:请问PVD镀膜能够镀出的膜层种类有那些？

A8:PVD镀膜技术是一种能够真正获得微米级镀层且无污染的环保型表面处理方法，它能够制备各种单一金属膜（如铝、钛、锆、铬等）、氮化物膜（TiN[钛金]、ZrN〔锆金〕、CrN、TiAlN）和碳化物膜（TiC、TiCN），以及氧化物膜（如TiO等）。

Q9:请问PVD镀膜膜层的厚度是多少？

A9:PVD镀膜膜层的厚度为微米级，厚度较薄，一般为0.1μm～5μm，其中装饰镀膜膜层的厚度一般为0.1μm~1μm，因此可以在几乎不影响工件原来尺寸的情况下提高工件表面的各种物理性能和化学性能，并能够维持工件尺寸基本不变，镀后不须再加工。

Q10:请问PVD镀膜能够镀出的膜层的颜色有哪些？

A10:我们目前能够做出的膜层的颜色有深金黄色，浅金黄色，咖啡色，古铜色，灰色，黑色，灰黑色，七彩色等。通过控制镀膜过程中的相关参数，可以控制镀出的颜色；镀膜结束后可以用相关的仪器对颜色值进行测量，使颜色得以量化，以确定所镀出的颜色是否满足要求。

Q11:请问目前PVD镀膜技术主要应用在哪些行业？

A11:PVD镀膜技术的应用主要分为两大类：装饰镀和工具镀。装饰镀的目的主要是为了改善工件的外观装饰性能和色泽同时使工件更耐磨耐腐蚀延长其使用寿命；这方面主要应用五金行业的各个领域，如门窗五金、锁具、卫浴五金等行业。工具镀的目的主要是为了提高工件的表面硬度和耐磨性，降低表面的摩擦系数，提高工件的使用寿命；这方面主要应用在各种刀剪、车削刀具（如车刀、刨刀、铣刀、钻头等等）等产品中。

Q12:请问PVD镀膜的成本是不是很高？

A12:虽然使用PVD镀膜技术能够镀出高品质的膜层，但是PVD镀膜过程的成本其实并不高，它是一种性价比非常高的表面处理方式，所以近年来PVD镀膜技术发展得非常快。PVD镀膜已经成为五金行业表面处理的发展方向涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。

涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。

涂层方法

目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD)法和化学气相沉积(CVD)法。前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5µm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10µm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至

用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。

金刚公司推出的各种新型涂层

涂层

颜色

硬度HV

厚度µm

摩擦系数

最高使用温度℃

说明ZrCN复合

兰灰

2500

1-4

0.3

550

通用性强TiN单层

金黄

2300

1-4

0.4

500

高性价比涂层

TiAlN复合紫色

3200

1-4

0.5

800

通用性强AlTiN复合

黑

3400

1-4

0.5

900

高速、高硬度加工TiAlCrN

亚黑

3500

1-4

0.6

1000

特殊加工领域

TiCN渐层

灰黑

3000

1-4

0.4

400

高韧性通用涂层

CrN渐层

银亮

2000

3-15

0.5

700

适用加工铜、钛、模具

DLC

黑彩

1000~4000

0.5-2

0.05

400

适用于有色金属、石墨、塑胶

涂层材料

涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前，又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。

工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是TiN，但TiN与基体结合强度不及TiC涂层，涂层易剥落，且硬度也不如TiC高，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点，它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性质，并形成不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩刃。所以，目前生产的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推荐用于加工钢料的GC4000系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的CN系列刀片、日本东芝公司的T715X和T725X涂层刀片中均有TiCN涂层成份。TiCN基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可提高2~3倍。

TiAlN、CrN、TiAlCrN是近几年来开发的硬质涂层新材料。TiAlN涂层刀片已商品化。它的化学稳定性和抗氧化磨损性能好，用其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和镍合金时的刀具寿命可比TiN涂层高3~4倍。此外，TiAlN涂层中如果有合适的铝浓度，切削时在刀具前刀面和切屑的界面上还会产生一层硬质的惰性保护膜，该膜有较好的隔热性，可更有效地用于高速切削。例如，美国Kennametal公司推出的H7刀片，系TiAlN涂层，是专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而设计的。CrN是一种无钛涂层，适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其它软材料，化学稳定性好，不产生粘屑。TiAlCrN是一种梯度结构涂层，不仅具有高的韧性和硬度，而且摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优于TiN。

德国某公司开发了Supernitride涂层系列，其中超级氮化钛涂层有很高的含铝量，可形成稳定的氧化层(氧化温度达1000℃

此外，纳米超薄膜涂层工艺已日趋成熟。据报道，日本某公司推出了一种高速强力型钻头，它是在韧性好的K类(WC+Co)硬质合金基体上交互涂覆了1,000层TiN和AlN超薄膜涂层，涂层厚度约2.5µm。使用表明，该钻头的抗弯强度与断裂韧性可大幅度提高，其硬度则与CBN相当，刀具寿命可提高2倍左右。该公司还开发出ZX涂层立铣刀，超薄膜镀层数达2,000层，每层厚度约1nm，用该立铣刀加工60HRC的高硬度材料，刀具寿命远高于TiCN和TiAlN涂层刀具。第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，瑞士某公司推出的纳米结构涂层(AITiN/SiN)立铣刀，其涂层硬度为45GPa，氧化温度1100℃这涂层是利用气相沉积方法在硬质合金或高速钢的基体上涂覆一薄层耐磨性好、难熔的金属或非金属化合物，例如陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料。国外工具镀的发展1．引言

自1980年Balzers将其物理涂层工具投人市场以来，几十年来，欧洲地区该项技术的应用及发展在世界领域起到了举足轻重的作用，随着现代机械加工业高速加工时代的到来，世界各国也愈加注重涂层技术的应用与发展。欧洲刀具涂层技术自上世纪80年代中期以来得到了广泛发展，尤其是物理涂层技术，可以说代表了当前世界最高水平。目前，欧洲物理涂层设备制造厂有十余家，涂层服务中心六十多家，主要采用阴极电弧及磁控溅射技术，在机械工业较发达国家或地区已形成了完备的服务体系。

2．欧洲刀具涂层技术最新状况

目前欧洲在刀具涂层领域较有影响的涂层设备制造及服务公司有瑞士的Balzers公司、Platit公司，德国的CemeCon公司、PVT公司、Metaplas公司（公司总部位于美国）等，现将这些公司的最新状况介绍如下。

2.1Balzers公司

Balzers公司是目前世界上规模最大的刀具涂层公司，自上世纪70年代开始从事物理涂层技术的研发，以工具、精密零件涂层及装饰镀膜为主；1980年推出了热阴极离子镀膜机BAI830，完成了成套技术的开发工作，成功地应用于高速钢刀具涂层并达到了工业化生产水平。在20多年里的发展过程中，该公司一直坚持设备制造、成套技术转让及涂层服务的方针，其所开发的设备主要有BAI830、BAI830C、BAI730D、BAIl200、RCS，包含了CVD技术和PVD技术两类，而目前PVD主要采用BAIl200、RCS设备，该类设备以阴极电弧技术为主，也可附加磁控溅射靶进行WC/C膜的涂层。到目前为止，Balzers公司在全球已开办了57家涂层服务中心，其涂层设备超过400台。

BAIl200、RCS采用了圆形平面阴极靶技术和辐射加热技术，可进行快速镀膜生产，该公司更注重新型涂层薄膜材料的开发，目前在该类设备中可进行BALINITA，BALINITB，BALINITD，BALINITFUTURANANO，BALINITX.TREME，BALINITHARDLUBE，BALINITX.CEED等薄膜涂层，目前其比较具有代表性的涂层为FUTURANANO和X.CEED。

FUTURANANO是一种纳米多层结构TiAIN薄膜，据称最新的技术可达到上百层，这种涂层适合于高速钢及硬质合金材料，用于钻削、车削或干式切削的高速加工；而X.CEED则是一种单层的TiA1N，与传统的涂层不同，这种只用于硬质合金刀具的涂层工艺，可使刀具具有优异的红硬性、抗氧化性，即使在恶劣的加工条件下，其薄膜与基体仍具有良好的结合强度，因此可适应于断续切削加工方式，该类涂层可用于加工钛合金、铟铬镍合金等材料的加工，被加工材料硬度可达到52HRC。

而目前Balzers最具代表性的涂层是一种无钛涂层，称为G6，即AlCrN涂层。与传统的TiN、TiCN、TiAlN相比，G6具有更高的红硬性及抗氧化性能，使用温度可达到1000℃，这种涂层工艺适合于硬质合金及高速钢材料涂层，用于铣削和车削加工，切削速度可达400m/min以上。据介绍该类涂层不仅适合于精加工，也可用于粗加工，从某种角度而言，其拓宽了PVD的应用领域。

2.2瑞士Platit涂层公司

瑞士Platit公司是近几年涌现出来的一家较著名的刀具涂层公司，其为BCI集团的成员，隶属于WBloschAG公司。WBlosch成立于1947年，主要从事表壳镀金及宝石行业；1977年开办了PVD（物理涂层）部；1979年建立了真空沉积生产厂；1985年开始从事硬质薄膜的生产；1987年注册了PLATIT品牌；1992年组装出第一台涂层设备；2000年在PL50和PL200的基础上，建立了整套的涂层系统，实现了交钥匙工程能力；2002年通过研究纳米结构涂层，开发出了旋转靶π80涂层设备；2003年nACoR纳米结构涂层达到工业应用水平。

截止到2004年，Platit公司共生产了约100台涂层设备。Platit在捷克、斯洛文尼亚、美国、中国香港、西班牙、Scandinacia设有涂层加工中心，其涂层设备共五个系列：iPL50、PL200、MO200、PL1000及π80，应用领域主要涉及刀具、模具及耐磨零部件。

Platit主要采用矩形大面积平面靶阴极电弧涂层技术，该技术起源于上世纪90年代中期，使每一阴极靶材完全覆盖有效涂层区域，最大靶材高度可达800mm，由于成功地解决了电弧的控制技术，与同类技术相比其真空炉内涂层均匀性得以大幅度提高，通常炉内不均匀性可控制在10%以内，绝对偏差小于0.5μm。

该公司2002年所开发的π80涂层设备具有独特的创新性。π80设备与传统的涂层设备有较大的区别，首先引入了纳米结构薄膜概念，以（nc-Ti1-xAlxN）/（αSi3N4）纳米复合相结构薄膜为例，在强等离子体作用下，纳米TiAlN晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4体内，这种结构使薄膜硬度可达到50GPa，且高温硬度更是十分突出，当温度达到1200℃时，其硬度值仍可保持在30GPa；其二，在工业化生产设备中虽然仍采用了阴极电弧技术，但蒸发源已由原来的平面形式变换成可转动的圆柱形靶，由此带来的好处可能是多方面的，例如可以自动清洁、靶材利用率高、涂层表面粗糙度可达到Ra0.02～0.03μm（通常涂层为Ra0.1μm左右），π80与其它传统的涂层设备相同可进行TiN、TiAlN、AlTiN、nACo、TiCN-Mp、TiAlCN、CrN、ZrN、DLC等涂层。

2.3CemeCon涂层公司

CemeCon是一家专门从事涂层技术开发及涂层服务的公司，创建于1986年，1988年开发制造了第一台CC800PVD专用涂层设备，并在德国、美国、丹麦及中国设立有涂层加工服务中心。公司目前生产的PVD涂层设备主要有三种，分别为SX、ML、XL，到目前为止设备销售约90台左右。

CemeCon公司采用的是磁控溅射离子镀技术，该项技术兼有空心阴极离子镀和阴极电弧离子镀的优点，涂层组织致密，同时也选择了大面积矩形靶材技术，从而进一步保证了涂层的均匀性；该技术可涂镀多种单层、多层或复合薄膜，如TiN、TiC、TiCN、ZrN、CrN、WC/C、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CBN、AlO等。CemeCon公司所开发的H.I.S磁控溅射技术，成功地解决了磁控溅射离子镀技术在实际应用中许多关键性技术难题，诸如离化率、离子能量的提高等，并在刀具涂层方面达到了工业化生产水平。从我们了解的情况分析，该涂层技术具有薄膜组织致密、涂层均匀、产品一致性好的特点，尤其适合于可转位刀片及中小尺寸刀具的涂层加工。

CemeCon公司最新的工艺技术为H.I.P技术，基于双极脉冲原理，在此基础上开发了SUPERTIN涂层，一种致密立方晶格超级氮化物，该涂层在中等切削条件下加工不锈钢或有色金属，与传统的氮化钛相比具有明显的优势；而TINALOX则是利用该技术开发的一种高速加工用硬质薄膜，其除具有较高的表面硬度外，还具有良好的抗高温性能，使用温度也可达到1000℃，可用于铸铁、不锈钢及高温合金的切削加工。也正是由于H.I.P技术的开发成功使得AlOX涂层成为可能，这种非导体的薄膜材料具有优异的高温性能，如何通过PVD的方法实现氧化铝镀膜，一直是业界所关心的问题，而H.I.P技术为这一问题