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。2 1 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 2 0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、BAI12 0 0、RCS ,包含了CVD技术和PVD技术两类 ,而目前PVD主要采用BAI12 0 0、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 5 7家涂层服务中心 ,其涂层设备超过 4 0 0台。BAI12 0 0、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BALINIT○R A ,BALINIT○R B ,BALINIT○R D ,BALINIT○RFUTURANANO ,BALINIT○RX TREME ,BALINIT○RHARDLUBE ,BALINIT○R X 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X CEED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 5 2HRC。图 1 X CEED剖面图而目前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 10 0 0℃ ,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 4 0 0m/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。图 2 X CEED使用寿命曲线图 3 AlCrN涂层剖面图(a)(b)图 4 AlCrN涂层红硬性及抗氧化性能曲线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 194 7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 ;2 0 0 0年在PL5 0和PL2 0 0的基础上 ,建立了整套的涂层系统 ,实现了交钥匙工程能力 ;2 0 0 2年通过研究纳米结构涂层 ,开发出了旋转靶π80
涂层设备 ;2 0 0 3年nACoR纳米结构涂层达到工业应用水平。截止到 2 0 0 4年 ,Platit公司共生产了约 10 0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 :iPL5 0、PL2 0 0、MO2 0 0、PL10 0 0及π80 ,应用领域主要涉及刀具、模具及耐磨零部件。图 5 π80 设备原理示意图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 80 0mm ,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 5 μm。该公司 2 0 0 2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) / (α 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 5 0GPa ,且高温硬度更是十分突出 :如图 6所示 ,当温度达到12 0 0℃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 0 2～ 0 0 3μm(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。图 6 (nc Ti1-xAlxN) / (α Si3 N4)涂层高温性能曲线图 7 LARC与普通ARC涂层表面状况2 3 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CC80 0PVD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。图 8 致密立方晶格TiN涂层结构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HIS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HIPTM 技术 ,基于双极脉冲原理 ,在此基础上开发了SUPERTIN○R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○R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 10 0 0℃ ,可用于铸铁、不锈钢及高温合金的切削加工。也正是由于HIPTM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HIPTM 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Al2 O3薄膜涂层 ,涂层温度低于4 5 0℃ ,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。图 9 PVDκAl2 O3 涂层图 10 “过程”涂层此外 ,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“insitu”现象 ,即通过硼向表面的扩散 ,形成BN、B2 N3,从而得到有利于切削加工的润滑膜层图 11 PVD (TiAlN) +Al2 O3 涂层切削试验此外 ,CemeCon另一颇具特色的技术是CVD金刚石涂层技术 ,2 0 0 0年建立CCDia○R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。(a) (b)图 12 CCDia○R金刚石涂层2 4 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
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