实现涂层的最佳化应用

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实现涂层的最佳化应用

当今，涂层技术的发展日新月异，涂层的新技术、新材料、新工艺和新设备不断推陈出新。随着应用者对涂层技术认识的不断深化，也为涂层技术的应用和发展迎来了一个灿烂的春天。 通常，涂层产生的薄膜其硬度可比基体材料硬度高出数倍，能提供优异的耐磨性；润滑膜的低摩擦系数能提供一定自润滑作用，从而降低摩擦功转化成的摩擦热；膜的良好化学稳定性可为工件提供保护屏障；膜层还能具备特殊的光学和电学特性以及制备纳米结构和厚度薄膜材料等。人们可以通过涂层技术获得性能各异的薄膜来满足各种应用的需要。 + Z; N* Y5 S6 c 8 p  r0 Z  B( @% g1 k但是，涂层毕竟是一项多学科、涉及知识面很广的专有技术。涂层基材的表面状态和显微组织、涂层工艺生产链中的预处理和后续处理、涂层工艺过程中的各项技术参数的设计和控制、涂层产品应用的工况条件与涂层的关联等，都将直接或间接影响涂层效果的良好发挥。这就是为什么同一种涂层工艺在不同的使用场合会得到不同，甚至是截然相反的结果。所以说，没有适用一切的“万能涂层”，只有适用于某种用途的个性化涂层。 $ _. p) K- [+ n7 L. P" z因此涂层的应用研究至关重要，然而，如何能获得涂层的最佳应用效果、优化涂层应用研究的问题，往往却被应用者所忽视。如何实现既经济又合理的涂层最佳化应用，在此，我们以Ceme Con公司在研究方面的一些应用实例来加以阐述。 . ^8 N, b, |; {" |/ S% H ' W' U' N" z9 {! N- [' t( R1、加工起动器环形齿轮的TiNALOX SN涂层滚刀 7 q- a0 m$ m" }6 P9 I * l$ E+ O4 @% ?% |德国Hay公司是起动器环形齿轮的生产商，因为该齿轮是用焊接毛坯制成的，所以工件表皮坚硬。此外，焊接毛坯的焊缝加工将对刀具产生巨大的拉应力，且硬的焊接材料非常耐磨。过去，由于人们无法在早期阶段发现刀具的凹陷磨损，常有大量废品产生。 / z( Z% g, U( n0 j3 f Ceme Con公司为该项作业提供了合适的滚刀涂层方案“Hay blue”。这个方案是建立在Ceme Con公司开发的SuperNitride TiNALOX? SN基础上的。这是一种氧和氮的单结构组合涂层，兼容了两种元素的优点，可以将其铝含量提高到80mol％AlN。而传统的涂层材料，其摩尔含量最高仅为65%AlN，因而具有更高的硬度和致密度，可比传统的TiAlN磨损减少30%～50%，提高了滚刀使用寿命。该涂层的一个重要特征是能发出鲜艳的蓝光，机械师可以据此对磨损情况作出更为准确的判断和评价，从而保证了加工过程的稳定性。 ' C1 l& b1 A8 p* a; {9 B 2、金刚石涂层在赛车部件上的应用 6 w/ e* {9 M0 ^7 A# X 钛和钛合金结合强度高、生物兼容性和化学耐蚀性好，已推广应用至赛车底盘部件，但其摩擦系数较高，存在着过早磨损。而金刚石涂层在已知材料中硬度最高，摩擦性能最好，被认为是磨损严重部件的优良防护涂层。在钛基材上涂一层耐磨特强的CVD金刚石涂层，结合了钛和金刚石两种材料的优良性能，使钛金刚石涂层的摩擦系数仅为0.08，赛车底盘的磨损由无涂层的1mm降至0.002mm，磨损降低了500个指数。同时，金刚石涂层的表面承受力从5N/mm2提高到1.5N/mm2 ，高摩擦负荷的结果显示，金刚石涂层只有轻微磨光。 7 t, C4 ]% N3 a% b# B6 q0 m目前，应用在钛基材上的金刚石耐磨涂层的工艺程序和沉积参数已开发出来，但只有在正确的工艺步骤下才能获得品质优良的金刚石涂层。采用金刚石悬浊液进行超音速预处理，可形成几百个纳米以上厚度的致密涂层，且密度很高。在制备过程中，每一特定应用的金刚石涂层质量均有区别，粗糙及较细的晶体涂层、不同的晶体形态和不同的涂层质地都可根据需要进行调整。涂后的真空处理可保持基材的机械性能。 # }" o; j# S* Q5 S( y 现在，在开展涂层应用研究方面所涉及的涂层材料已十分广泛。20世纪90年代已商品化的PVD涂层材料基本上是4种元素，即：Ti、Al、C和N，而一些我们从CVD或其他涂层工艺中得知的涂层材料（如Al2O3和CBN等）都无法通过PVD获得。 $ `: N' M6 B# k/ Z. k9 S& o/ Q" x- _从涂层材料的角度来讲，溅射技术可以算得上是最灵活的技术，Ceme Con公司研发的高能离子溅射技术（H.I.S?）可以在涂层工件上进行所有导电合金涂层的生产。其最近开发的高能脉冲溅射技术（H.I.P?）又使涂层材料家族中增添了许多绝缘性材料，如Al2O3及新的Supernitride。 8 a3 b% r" [: V2 W/ c( ^ . Q% k) \4 p2 s' w除了进一步开发新的涂层材料外，还有很多的方法是通过将现有大家所熟知的材料进行组合而获得的新性能。例如，在切削加工中，针对干式加工或强力车削加工设计的复合涂层CCplusC，即由硬质TiAlN涂层及其上覆盖的一层软质润滑C-N薄膜组成；HardFlex涂层由TiN-TiAlN组成，用于齿轮切削加工，在此类间隙式加工工况条件下，复合涂层结构能增加其韧性。 纳米厚度薄膜也有同样的作用，只是每一单层的厚度要小些。一些涂层的厚度变得只有几个原子厚度那么小，便使材料可以获得一些新的性能。 ) D4 ]) a# \& h7 _+ i) t $ P; F8 C. J9 M0 C2 i- c, M" [3 h对于纳米结构涂层来说，有时候单层的厚度比率足以影响到产品的性能。但是，对于用于切削刀具的三维涂层来说，在用户购买的大多数涂层设备上自行进行涂层，是难以对其比率进行控制的，这便制约了纳米涂层的应用。现在，通过一种新的极具潜力的方法，我们既可获得纳米结构涂层的优点又成功地避免了其局限性，这便是纳米合成法。在纳米合成层中，一种较硬的成份被嵌入到韧性矩阵中去。   \6 c' X1 X1 t! U" b) U4 q! F通过目前已有的技术，如金刚石涂层技术，我们也可以合成金刚石并产生各种单层或多层结构。 6 `. K7 z# u) E+ |$ [; b从上述的涂层技术及其应用研究的趋势中，我们可以清晰地看到未来涂层技术发展的一个重要特征，即涂层材料的多样性和涂层生产规模的灵活性。但是，新的应用研究产品从产生到获得商业应用仍然需要一段时间，比较好的模式是涂层的应用研究可由涂层服务商为主来进行，而使用部门则可将研究成果用于商业规模化生产。只有两者的紧密配合，才能使涂层的应用研究和产品的技术提升得到共同发展。