在高性能刀具涂層中，(Ti,Al)N類涂層的市場(chǎng)份額約占25%～55%。這是由于(Ti,Al)N類涂層的優(yōu)良性能，包括很高的硬度(25～38GPa)和較低的內(nèi)應(yīng)力(-3～5GPa)，并且在800℃時(shí)硬度只降低30%～40%；此外，還顯示出很高的抗氧化能力，在800℃時(shí)，氧化速度約為15～20μm/cm，這相當(dāng)于TiCN涂層在400℃時(shí)或TiN涂層在550℃時(shí)的氧化速率；最后，這種涂層的導(dǎo)熱率低，與TiN涂層相比，其導(dǎo)入的熱量低30%。
 
 目前，涂層行業(yè)還在做大量的工作，以進(jìn)一步改進(jìn)(Ti，Al)N類涂層的優(yōu)良性能，例如：
 
 ·把多弧工藝和濺射工藝組合起來；
 ·對(duì)多弧工藝中產(chǎn)生的大的液滴進(jìn)行過濾；
 ·優(yōu)化工藝參數(shù)(如弧流、偏壓、N2的分壓等)；
 ·優(yōu)化涂層的結(jié)構(gòu)(如避免柱狀結(jié)構(gòu)以提高抗腐蝕能力)；
 ·開發(fā)多層涂層以提高韌性和厚度；
 ·添加其它合金元素如鉻、釔(進(jìn)一步提高氧化能力)、鋯、釩、硼、鉿(進(jìn)一步提高韌性)以及硅(進(jìn)一步提高硬度和化學(xué)穩(wěn)定性)。
 
 這些優(yōu)化(Ti,Al)N類涂層工作的主要任務(wù)是，開發(fā)納米多層涂層和提高Al的含量。
 
 開發(fā)納米多層涂層和提高涂層的含Al量
 
 把現(xiàn)有的多層涂層工藝精細(xì)化就可以實(shí)現(xiàn)納米多層。在由TiNCrN層與AlN層交替涂覆形成的納米多層涂層中，層間的距離(交替的周期)對(duì)硬度的影響表現(xiàn)為硬度隨著周期的減小而提高，其原因是構(gòu)成多層的材料具有不同的彈性模量；當(dāng)層距變得更小時(shí)，硬度又會(huì)下降，這是因?yàn)楦鲗又g的界面變得不清晰所致，如果界面清晰，不會(huì)現(xiàn)出硬度降低的現(xiàn)象。關(guān)于涂層的結(jié)構(gòu)，有研究指出，AlN在層距大于10nm時(shí)為六方結(jié)構(gòu)，在10nm以下為立方結(jié)構(gòu)。
 
 涂覆納米涂層必須對(duì)陰極靶的控制與工件(刀具)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確的同步，因此，適用于對(duì)同一種工件的批量處理，如果處理的是不同尺寸的工件，那么層距就會(huì)變化，一把涂有層距變化的納米涂層刀具，其耐用度會(huì)由于切削溫度的變化而降低。要想在一次裝爐中在不同的工件上涂出不變的層距，涂層的成本會(huì)很高。
 
 與此同時(shí)，世界上著名的涂層公司都在研究提高(Ti,Al)N類涂層的Al含量，目的是提高硬度(主要是高溫硬度)、耐磨性、抗氧化能力，以改進(jìn)刀具的切削性能。為了與通常的TiAlN涂層有所區(qū)別，目前把Al含量超過50%的涂層稱為AlTiN。于是有了含Al量67%、75%，甚至80%的涂層，但Al的含量是有限變的，超過這個(gè)限度，涂層的性能反而變壞。實(shí)踐證明，一方面要盡量提高有效的鋁含量，同時(shí)又要保持不變的層距，這很難做到。因此，只有用新的原理才能有新的突破，下面介紹的納米復(fù)合物(Nanocomposite)涂層就可滿足上述要求。
 
 納米復(fù)合物(Nanocomposite)涂層
 
 通過同時(shí)沉積幾種性質(zhì)很不同的材料(如Ti、Al、Si)，且形成的組織成分沒有完全分解，就會(huì)形成兩相組織——TiAlN的納米晶粒鑲嵌在非晶態(tài)的Si3N4基體里，形成蜂窩結(jié)構(gòu)，其晶界能起阻斷裂縫進(jìn)一步延伸的作用。這個(gè)涂層除了有很高的硬度外，其耐熱性也很好，硬度可保持到1100℃，很適合高效、干式切削加工的需要。此外，把納米復(fù)合物涂層與納米多層結(jié)構(gòu)相結(jié)合，其性能更好。該多層涂層的層距為35。
 
 這種涂層結(jié)構(gòu)只有在多弧設(shè)備的陰極相互之間靠得很近的情況下才能實(shí)現(xiàn)，這就是瑞士platit公司開發(fā)的LARC技術(shù)和設(shè)備。
 
 為了使納米復(fù)合物涂層能經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，其涂層設(shè)備必須滿足以下條件：
 
 ·陰極必須相互靠得很近；
 ·有高度離子化的等離子體；
 ·能建立很高的磁場(chǎng)強(qiáng)度；
 ·能很快移動(dòng)的弧點(diǎn)。

#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

LARC技術(shù)的六大優(yōu)點(diǎn)
 
 為了滿足上述要求，platit公司開發(fā)出一個(gè)新的涂層設(shè)備，該設(shè)備采用了所謂LARC(LAteral Rotating ARC Cathods)——側(cè)裝的可旋轉(zhuǎn)的弧陰極技術(shù)。該涂層設(shè)備的靶是旋轉(zhuǎn)的水冷陰極，磁場(chǎng)由永久磁鐵和線圈產(chǎn)生，并可在垂直方向和徑向進(jìn)行控制。可旋轉(zhuǎn)的陰極及側(cè)立的布局是下述LARC技術(shù)六大優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)。
 
 1) 最佳的附著涂層
 
 所有高性能涂層最重要的前提是涂層與基體的附著性好，布置在側(cè)面的圓柱形的旋轉(zhuǎn)陰極可實(shí)現(xiàn)靶的“虛擬轉(zhuǎn)換(Virture Shutter)”，來代替用機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換。這種“虛擬轉(zhuǎn)換”的工作方式為：磁場(chǎng)向后轉(zhuǎn)180°，使陰極對(duì)著設(shè)備后壁的表面并被“點(diǎn)弧”，目的是在正式涂層過程開始前清洗靶面，并使大的顆粒沉積在后壁上，此時(shí)，刀具的表面由高強(qiáng)度的等離子體加以清潔；然后，陰極和磁場(chǎng)均旋轉(zhuǎn)180°，陰極弧不用熄滅就轉(zhuǎn)向刀具開始沉積過程，此時(shí)沉積到刀具基體上附著層是清潔的靶材，有很好的附著性，并顯著縮短了離子刻蝕的時(shí)間。
 
 2) 加大了靶的寬度
 
 可旋轉(zhuǎn)的圓柱形陰極相當(dāng)于一個(gè)很寬的平面陰極，比占有相同空間的平面靶的寬度增加了π倍。
 
 3) 提高了涂層的光潔度
 
 在通常的多弧工藝?yán)铮蟛糠值囊旱味际窃陂_始時(shí)散射出來，即在起弧時(shí)在靶的一個(gè)固定點(diǎn)上形成大的“熔池”，而這些大的液滴在LARC技術(shù)里都沉積在設(shè)備的后壁上。此外，在沉積時(shí)“液滴”的數(shù)量及大小取決于弧點(diǎn)移動(dòng)的速度等因素。對(duì)于目前流行的平面靶，弧點(diǎn)的多動(dòng)只靠磁場(chǎng)的作用，而在旋轉(zhuǎn)靶上弧點(diǎn)的移動(dòng)更快、更均勻，因?yàn)楦郊恿艘粋€(gè)靶的轉(zhuǎn)動(dòng)和寬磁場(chǎng)在垂直方向的擺動(dòng)。
 
 4) 可涂覆納米復(fù)合物涂層
 
 布置在側(cè)面的圓柱形陰極只需要不大的空間，因此可在一個(gè)很小的空間里配置更多的陰極，從而可在一個(gè)小型的設(shè)備里沉積不同的金屬成分。由于快速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得低熔點(diǎn)的金屬(純Al或AlSi)也能作為靶材，以替代貴重的合金靶(如Al25%/Ti75%或Al50%/Ti50%)。
 
 由于多種原因，還不能用純Si制作靶，Si是用合金靶(如AlSi、CrSi、TiSi等)來沉積的，由這樣的靶沉積以后，AlSi還需要被分開，Si沒有進(jìn)入金屬相，而是納米晶粒鑲嵌在非晶態(tài)的基體里(如Si3N4)。這要求一個(gè)很高密度的等離子體和高強(qiáng)度的磁場(chǎng)，一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)快速移動(dòng)的弧點(diǎn)(不必?fù)?dān)心靶會(huì)燒穿)，所沉積的納米復(fù)合物涂層顯示出很小的晶粒尺寸，在晶粒之間沒有缺陷，邊界十分清晰，裂縫被阻斷在晶界上，硬度很高。
 
 5) 可涂覆納米梯度涂層
 
 因?yàn)榭墒褂枚鄠€(gè)“純”靶(如純Ti,Al和AlSi)，通過編程可很方便地涂覆復(fù)合物涂層，并且可在涂層過程中連續(xù)地改變成分—－梯度涂層。以LARC梯度涂層為例，開始時(shí)Al比Ti沉積滯后，形成一個(gè)最佳的附著層，此后，Al含量連續(xù)增加，以提高涂層的硬度、熱強(qiáng)度和抗氧化能力，快結(jié)束時(shí)，Al的含量下降，Ti的含量相對(duì)提高，形成金色的外表。
 
 6) 可涂覆多層納米涂層
 
 多層的納米涂層是周期性涂覆梯度層，通常高的硬度會(huì)產(chǎn)生高的內(nèi)應(yīng)力，采用梯度多層結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力可低至-3～-5GPa。
 
 小型的涂層設(shè)備
 
 第一臺(tái)LARC設(shè)備與現(xiàn)在刀具制造商現(xiàn)有的涂層設(shè)備相比是非常小的，這有很多原因：首先，涂層不應(yīng)是大的涂層服務(wù)商或刀具制造商的特權(quán)，中小企業(yè)應(yīng)自己能沉積最新的涂層；其次，新涂層代替現(xiàn)有的TiAlN涂層還有一個(gè)過程，納米結(jié)構(gòu)涂層的需求在最近幾年會(huì)不斷增加，到那時(shí)才會(huì)需要更大的設(shè)備。
 
 在掌握了小型的LARC涂層設(shè)備之后，放大是很容易的。難的是陰極必須設(shè)計(jì)成成雙的并且是相互緊挨著的，因?yàn)榧{米復(fù)合物涂層是多層結(jié)構(gòu)，AlN層和TiN層只能保持在10nm的范圍里，否則會(huì)造成硬度下降，這就要求陰極不能遠(yuǎn)離。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
 
 此外，較小的設(shè)備可以經(jīng)濟(jì)地涂覆少量的工件，用戶不必將完全不同的零件放在一起涂，一個(gè)小設(shè)備的生產(chǎn)效率絕不比大設(shè)備低，相反，柔性會(huì)更好，能保證企業(yè)的交貨周期。小設(shè)備為制造商帶來的效益不多，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看還是值得的。
 
 發(fā)展前景
 
 (Ti,Al)N類的涂層，目前是高性能刀具的主要涂層，進(jìn)一步發(fā)展納米涂層和AlTiN涂層，由于物理學(xué)上的制約條件而受阻，本文介紹的納米復(fù)合物涂層能夠突破這個(gè)限制，采用新的LARC技術(shù)，利用側(cè)面配置的可旋轉(zhuǎn)的圓柱形陰極就能獲得這樣的涂層，為了沉積有競(jìng)爭(zhēng)力的、能適合應(yīng)用條件的、簡(jiǎn)單或復(fù)雜的涂層結(jié)構(gòu)，人們需要的不是更大更貴的涂層設(shè)備，小型設(shè)備能使中小企業(yè)用LARC(設(shè)備沉積最新的納米結(jié)構(gòu)涂層)。