物理气相沉积TiN复合涂层研究进展

张俊江

摘要：物理气相沉积（ PVD） TiN涂层是应用最广泛的一种表面强化技术。由于TiN 涂层具有高硬度、高粘着强度、低摩擦系数、好的抗腐蚀性的特点，已广泛应用于各个领域。特别是在工具行业， 70年代TiN涂层成功地用于刀具钻头等工具上，其使用寿命平均提高了2～ 10倍，引起了一场刀具革命。致使单一的TiN涂层在模具上的应用受到很大制约。原因在于一般模具钢基体较软，或涂层与基体结力不够，故在工作中钢基体不能有力支撑TiN涂层而发生早期破坏。而模具的质量和寿命高低直接影响工业制造的成本和零件的质量，因此人们寻找更为有效的办法。

关键词：物理气相沉积;TiN复合涂层进展;

前言：复合涂层质量指标主要通过涂层与基体结合强度来评定。因此，结合力决定了涂层是否可用。假如结合力差，镀层将发生脱落导致过早失效。镀层的结合力强度既取决于膜/基界面的物理和化学相互作用，同时也取决于界面区的显微组织。

一、PVD TiN涂层的发展概述

国内PVD涂层技术的研发工作始于20世纪80年代初，80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。用离子镀技术制备的TiN硬质耐磨涂层，显著提高了高速钢刀具的寿命，减少刀具更换的次数，由于TiN涂层的使用，改善了工件的表面质量、提高了产品的合格率、降低了摩擦系数、阻止了刀具刃部的温升，从而大大地节约了刀具费用，并保证了刀具长时间稳定可靠的工作，在高速切削和难加工材料条件下，效果更为明显，为数控机床自动化生产线的规模化和产业化提供了关键条件，经济效益非常显著，与此同时，TiN作为仿金装饰镀层，不仅颜色接近黄金，其使用寿命还远远超过仿金铜和黄金，因而有力地推动了小五金制品行业的发展。在20世界80年代，TiN几乎是惟一的商业化的硬质涂层材料，硬质薄膜的研究也绝大部分集中在氮化钛身上。物理气相沉积（PVD）TiN涂层在形成冲头和冲压模具上也试用成功，但是由于模具的工作环境和影响因素远较刀具复杂，因此单一的TiN涂层在模具上的应用受到了极大的制约，原因在于一般模具钢材基体较软，或涂层与基体结合力不够，故在工作中钢基体不能够有力的支撑TIN涂层而在试用中发生早期的破坏，而导致涂层的功能失效。依据涂层的发展过程将涂层分为三代：第1代涂层为单层均质涂层，如TiN和TiC，已经在工业生产和民用领域得到了应用;第2代为三元复合涂层，例如Ti（c，N）和（Ti，Ai）N和Ti（B，N），现正在进行更深入的研究并已应用于某些耐磨部件：第3代涂层为多元复合涂层和多层涂层TiC/TiN、Ti（‘C，N）/TiN。

二、物理气相沉积TiN复合涂层研究

1.复合镀层界面特征。为了改善膜一基结合力，仅优化膜的成分与结构是不够的，必须从膜和基体的整个体系来考虑，选择基体材料的组织、结构和性能，使其适合不同膜的沉积。一般而言，膜一基材料之间的物理、化学性能差异越大，其结合力越差。物理气相沉积（PVD）TiN是应用最广泛的一种表面强化技术。由于TiN涂层具有高硬度、高粘着强度、低摩擦系数、好的抗腐蚀性，已广泛应用于各个领域。但由于模具的工作条件和影响因素远比刀具复杂，致使单一的TiN涂层在模具上的应用受到很大制约。例如，TiN涂层刀具以70—100 m/min的高速度切削时，由于产生了强烈的摩擦热而使基体发生塑性变形及软化，涂层易于开裂;对于抗磨损抗腐蚀的工模具或零件，由于基體强度和膜/基结合力不够，不能给予TiN涂层以有力的支撑，涂层往往发生早期破坏。因此如何增强膜与基体结合力，是提高TiN涂层综合性能的关键问题。对大多数中碳合金结构钢零件，其硬度较硬质膜低得多，仅沉积几微米厚的硬质膜，难以有效地提高其耐磨性、疲劳强度以及抗塑陛变形能力。基体渗氮后，在其表面形成氮的化合物和扩散层，提高了零件表层硬度。渗氮件比未渗氮件更适合作为硬质膜的基体。渗氮与未渗氮件膜/基沿层深的显微硬度分布，以及一定载荷下膜/基沿层深的应力一应变分布渗氮提高了基体的承载能力，使膜的抵抗变形能力提高，同时由于膜层下形成了一个较平缓的硬度过渡区，载荷作用时，从膜层到基体的应力分布连续性较好。未渗氮基体则因膜层与基体的机械性能相差较大，弹性模量的不同使应力呈非连续分布，在膜/基界面处形成应力集中，若载荷超过基体屈服强度，使基体产生大量塑性变形。为协凋膜/基应变一致，在界面处必然对膜层产生很大的约束力，当其超过膜/基结合强度时，导致界面开裂和剥落。

2.氮化TiN复合涂层。在氮化+TiN复合涂层工艺中，对基体的氮化有几种工艺可供选择，传统的气体氮化、一般的离子氮化、离子注入和等离子氮化等，其中以等离子氮化的研究最多。一般认为氮化处理能提高钢构件的疲劳、磨损和腐蚀抗力。不锈钢的离子氮化和TiN复合工艺，经渗氮处理的不锈钢表面，虽能较大幅度提高其表面硬度，改善了耐磨性和抗咬合能力，但由于大量含氮析出，有损于不锈钢的抗蚀特性。TiN涂层本身具有高硬度，也具有良好的抗蚀能力，可现行工艺制备的TiN涂层很薄，仅几个斗m，且涂层与基体的结合力较差，在实际服役中，涂层易产生破裂和剥落，发生腐蚀。而通过复合处理正好弥补了两者的缺陷，不同表面状态下硬度与载荷的关系，可发现复合涂层表面显微硬度上升很快。离子氮化后所形成的较高硬度渗氮层对TiN涂层和钢基体之间起到一个良好的过渡作用，更为直观地反映出TiN涂层的高硬度特性，从而防止较软基底上涂覆的硬涂层过早开裂，增加承载能力。复合涂层剖面硬度梯度分布，表面与基体之间渗氮层，作为中间过渡层，使TiN获得更好强度基底的支撑。0.3 mm～0.5 mm的氮化层对硬涂层的支撑作用起到相当大的作用，这种复合涂层试样在一定条件下达到了滚动轴承钢100Cr6相同的疲劳极限。

结束语：TiN多元涂层和多层涂层由于能克服单一TiN涂层的不足综合不同组元和不同单层的优势，达到优良的结合强度、硬度、耐磨性和高温性能，因而成为今后物理气相沉积技术极有潜力的发展方向之一。目前由于工艺的复杂性、昂贵的设备造价、高的成本，所以还没有得到广泛的工业应用。今后应加强对TiN多元涂层和多层涂层结合力强化机理和高温性能的研究，进一步开发新型的高性能涂层，同时要降低成本以实现广泛的工业应用。

参考文献：

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