摘 要:介绍了欧洲刀具涂层技术最新发展状况,总结了近几年PVD技术的发展特点,叙述了欧洲涂层技术的发展模式,并对我国该技术的发展提出了建议。
关键词:欧洲, 刀具, 涂层技术, 发展模式
1 引言
自1980年Balzers将其物理涂层工具投入市场以来,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。
211 Balzers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BAI-830,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、BAI1200、RCS,包含了CVD技术和PVD技术两类,而目前PVD主要采用BAI1200、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。
BAI1200、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BALINIToRA, BALINIToRB, BALINIToRD, BALINIToR FUTURA NANO, BALINIToRX1TREME, BALINIToR HARDLUBE, BALINIToRX1CEED等薄膜涂层,目前其比较具有代表性的涂层为FUTURA NANO和X1CEED,FUTURANANO是一种纳米多层结构TiAlN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X1CEED则是一种单层的TiAlN,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。
212 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P80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P80,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015Lm。
该公司2002年所开发的P80涂层设备具有独特的创新性。P80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)/(A-Si3N4)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:如图6所示,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Ra0102~0103Lm(通常涂层为Ra011Lm左右),P80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。
213 CemeCon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CC800 PVD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 PTM技术,基于双极脉冲原理,在此基础上开发了SUPERTINoR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TINALOXoR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 PTM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 PTM技术为这一问题的解决提供了可能的方案。图9所示为该公司新近开发的Al2O3薄膜涂层,涂层温度低于450℃,与以往的概念不同,其HIP的AlOx涂层建立在HIS的TiAlN薄膜基础上,并在铸铁和高性能合金材料试验中取得了满意结果(见图11),使得PVDAlO涂层成为现实,也为物理涂层技术向半精加工或粗加工方面发展奠定了基础,同时也确立了PVD今后的一个发展方向。
此外,该公司提出了润滑薄膜涂层的概念,在薄膜TiAlBN结构中,通过硼含量的变化,适应切削条件的变化,在加工过程中产生所谓/insitu0现象,即通过硼向表面的扩散,形成BN、B2N3,从而得到有利于切削加工的润滑膜层。
此外,CemeCon另一颇具特色的技术是CVD金刚石涂层技术,2000年建立CCDiaoR生产线,使金刚石涂层技术达到工业化生产水平,其技术含量高,可以批量生产金刚石透明薄膜。图12所示为一种具有导电性的金刚石薄膜。214 PVT涂层公司PVT涂层公司也是上世纪80年代中期崛起的一家专业刀具涂层企业,可进行各种刀具、模具涂层加工。PVT公司以涂层设备销售为主,现在主要开发的涂层设备有4种:S2、M2、L3、L4,近几年销售设备约20台左右。
该公司也是采用大面积矩形阴极电弧蒸发技术,与Platit涂层技术相近,主要进行TiN、TiCN、A-lTiN、ZrN、CrN涂层。该公司在等离子刻蚀、清洗工艺开发方面极具特色,并且注重薄膜与基体结合结构的研究,涂层结合强度较为理想;此外公司也十分看重生产效率的提高,在大幅度提高抽气速率的同时,由通过强制冷方式缩短了冷却周期,从而提高了生产效率;通过附加PLC润滑膜技术进一步降低了薄膜表面的摩擦系数。
PVT的涂层技术和设备在中国、美国、欧洲、日本等世界范围内获得了多项专利技术,其专利技术包括了新型电弧蒸发源、电弧等离子导电装置、基体处理技术和装置等。其动态电磁控制蒸发器对电弧进行优化控制,使靶材各个部分能得到同等强度的电弧,均匀蒸发和离子化,靶材离子化率高达85%以上,很好地解决了颗粒或/液滴0问题,涂层微结构非常细密,涂层表面光亮。对基体独特的刻蚀清洗技术使得涂层被沉积到工件之前得到完全彻底的清洗,使得涂层与基体的结合力达到理想的指标。如图14b所示,采用新的刻蚀技术后,薄膜与基体的分界不再明显,薄膜已与基体溶为一体。
此外,在不额外增加成本、不额外增加涂层生产时间的情况下,PVD还可以进行独特的PLC(poly-mer like carbon)类高分子聚合物)冶金润滑膜层沉积,进一步降低涂层表面的摩擦系数。例如在A-lTiN涂层上再加上PLC涂层之后,针对不同的用途,可提高涂层刀具的使用寿命。
215 Metaplas Ionon公司
该公司成立于1984年,1987年在德国BevgischGladbach建立独立的涂层中心,主要以MAXITR耐磨涂层为主。1991年被Balche Durr AG公司购买,成立了Babcock Borsig AG公司,1992年开始生产制造设备,并扩大了涂层服务, 1997年兼并了KlocknevIononGmbH公司,业务范围扩展到等离子渗氮领域,即IONITR耐磨保护,1997年获得IONIT OXR专利,1999年注册了METALEUROP Coating Technology GmbH,并扩展到装饰涂层领域。2001年该公司被瑞士Sulzer公司收购,2002年扩大了Bergisch Gladbach的IONIT和IONIT OXR的生产规模,成为最大的工业等离子表面处理制造商。2003年兼并了美国前DB薄膜公司,开始从事MAXITR、IONITR、IONITOXR生产服务。
Metaplas Ionon的MAXITRPVD涂层标准系统有6种,规格从MZR303、MZR323、MZR333、MZR343、MZR373到MZR393,其硬涂层蒸发器为圆形阴极弧靶,最多可达24个;软涂层为矩形蒸发器,以溅射方式进行涂镀,工件采用外部加热方式。可进行TiN、TiCN、AlTiN、ZrN、CrN硬涂层及W-C:H软涂层。Metaplas公司尽管沿用了小面积阴极弧靶技术,但其AEGD(Arc Enhanced Glow Discharge)专利技术的应用,使得这项传统技术在工艺上有了极大突破。以氮铝钛涂层为例,其所开发的AlTiN-saturn涂层与传统的涂层有着明显的区别。如图15所示,这种薄膜组织细密,呈非柱状晶结构,表面几乎无/液滴0现象出现,Ra值可小于0115Lm,其使用温度高于900℃,适合于高速、干式切削加工。此外在对涂层刀具表面润滑性要求高的应用场合,如钻削、螺纹加工等,可在同一设备上利用磁控溅射技术,涂覆一层W-C:H膜,以提高其使用性能。
Metaplas公司另一显著特点是涂层设备的大型化,其24靶涂层设备可涂镀长度达4M的拉刀或类似零部件,并以达到工业化应用水平,如图16。Metaplas主要以涂层加工服务为主,涉及刀具、模具及耐磨零件等,包括滚刀、旋转类刀具、合金刀片、拉刀、丝杆及压辊、塑料推料蜗杆等,目前也开始从事PVD设备销售,最近3年已销售设备11台套。
3 当前PVD刀具涂层技术发展特点
从上述分析可以看出,在工业发达国家人们对涂层技术的发展愈来愈重视,物理涂层技术更是倍受青睐,应该肯定的是近几年来PVD正处于高速发展阶段,究其原因可归纳为以下几方面:高速切削加工时代的到来为其发展带来了良好的契机;复合型材料不仅可大幅度提高资源的利用率,并且可使部件的功能有极大的拓展,因此也更为人们所接受;此外随着人们对环境保护意识的增强,更为该项技术的发展拓宽了应用空间。
物理涂层经过30多年的发展,已成为工具制造业的一项关键技术,目前正处在蓬勃发展期,其发展速度超越了人们的想象,发展空间也出乎人们的意料。随着材料科学技术的进展,涂层技术也由单层薄膜发展到多层、梯度、纳米及纳米复合结构薄膜涂层,这些高新技术为机械制造业的发展起到了良好推动作用的同时,也使人们对其未来的发展充满了美好的憧憬。
近年来物理涂层技术的发展主要有如下特点:(1)薄膜的多元化及服务的个性化进入21世纪的PVD技术与上世纪90年代相比,已发生了极大变化,从单一的TiN、TiCN、TiAlN发展到现在的几十种涂层牌号,针对不同的切削加工应用条件,可对薄膜成分、结构进行选择,通过恰当的工艺手段,获取满意地切削效果。例如在齿轮加工中,除了对涂层刀具的使用寿命有严格要求外,如何保证齿轮的精度及表面质量同样至关重要,因此目前普遍采用的是复合膜层,即硬涂层+软涂层,当然对于不同的涂层公司而言,实现此目的的工艺方法不尽相同;而在高速铣削加工中,往往只采用硬质涂层。此外个性化服务的理念初步形成,例如Platit公司的涂层设备采用了开放式工作模式,可针对不同的用户随时开发更适合的涂层工艺。
(2)高速及干式切削涂层技术的开发
在高速加工或干式切削过程中,温度成为影响涂层刀具使用寿命的主要原因,因此提高薄膜的高温性能、保证涂层刀具的红硬性成为近几年PVD技术的开发热点。改进氮铝钛涂层,提高薄膜中Al的含量是有效方法之一,因此出现了所谓的AlTiN涂层(Al含量大于50%),应该说随着Al含量的增加(在一定范围内),薄膜的综合性能有所提高(见图17),但仍有一些关键技术有待解决:比如如何在生产过程中实现这种涂层,尤其当Al含量超过65%时;在这种涂层中如何控制AlN的晶体结构等。从最新的发展来看,各涂层公司已通过其它的薄膜技术解决了高速、高温切削加工问题,如Balzers的A-lCrN涂层、Platit的(nc-Ti1-xAlxN)/(A-Si3N4)涂层、CemeCon的TINALOXoR涂层、Metaplas的AlTiN-saturn涂层都具有优异的高温性能,并已成功应用于高速、干式切削加工领域。
(3)涂层薄膜组织结构的改善
目前在PVD市场中,阴极电弧离子镀技术仍占主导地位,但与先前不同,无论哪一个采用阴极电弧离子镀技术的公司,都试图通过硬件的开发及工艺的调整来改善涂层薄膜的组织结构,避免/液滴0和柱状晶的产生。尤其是随着纳米概念的出现,致使阴极电弧薄膜涂层组织发生了根本的改善,采用该技术得到的涂层表面Ra值已小于0.15Lm,因此使得阴极电弧涂层的综合性能得以提高,并为市场所接受。
(4)PVD涂层领域的新概念
众所周知与PVD技术相对应的是CVD技术,该项技术结合强度高、膜层厚,并且可以涂覆A-Al2O3涂层,因此更适合于中型、重型切削的高速、干式粗加工及半精加工领域。如何利用PVD技术,开发出Al2O3涂层工艺,实现厚膜涂层,将PVD涂层技术扩展到粗加工及半精加工领域,这一直是该行业亟待解决的难题。而CemeCon公司在该领域的研究已取得了突破性的进展,也预示着PVD技术新时代的到来。
另一具有里程碑意义的是纳米复合结构涂层,其数学模型由德国慕尼黑工业大学S Veprek教授提出,并在实验室条件下得到验证。此后S Veprek教授与SHM及Platit公司合作,在其实验室研究的基础上,开发出独具特色的柱形、旋转式阴极电弧靶,其P系列的涂层设备也正在逐步达到工业化生产水平。从理论上讲,这种涂层既具有十分高的显微硬度,又具有良好的表面质量(见图7),完全适合高速、高精度的切削加工。
4 结语
目前欧洲的PVD涂层技术对我国的市场影响极大,与上世纪80年代不同,这些世界水平的涂层公司已将最先进的技术、最好的服务模式搬到了中国。Balzers在中国开办了涂层加工中心,并建立了In house服务模式;PVT也是如此;而CemeCon公司则是在中国建立了其最大的海外合资公司,专门从事PVD涂层业务服务。
国外同行对国内工具涂层市场的预期,使我们不得不重新审视该项技术的发展。欧洲刀具涂层技术起步与我国相仿,基本上是在80年代中期,也多由中小企业发展而来,可以说目前已发展到了第5代技术水平;而国内还仍在第2代技术水平上下,其原因是欧洲各涂层公司坚持自己特色,追求稳步发展,紧随市场需求,建立多方联合开发体系,不断推出新技术、新产品,逐步满足市场的需要。
目前国内的涂层研究又成为热门话题,大专院校的理论分析研究基本与国外同行接轨,但如何指导工业化生产及进一步进行新理论的研究,应引起各层人士的思考及重视。
笔者认为,结合当前涂层技术日趋重要的地位和广泛的市场需求,在吸取先进技术的基础上发展自我知识产权的工业化涂层应用技术,仍具有极大的现实意义。从现在涂层技术的发展来看,该项技术仍处于发展过程的中期,随着市场需求的变化,其进一步的发展空间依然巨大,因此即便现在加强该领域的研究开发工作也为时不晚。参照欧洲企业的发展模式,院校与企业的有机结合将是其健康发展的重要途径之一。
参考文献略
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