TiN系涂层多元多层强化研究进展（四）

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承, 　　Helmersson等发现在单晶TiN/VN或TiN/NbN多层叠加膜中，当每层厚度为2～4nm时，其硬度高达50GPa，是这些氮化物常规涂层硬度的2.5倍。不仅硬度大幅度提高，抗裂纹能力也明显增强。文献[31]采用多靶磁控溅射技术制备了TiN/NbN、TiN/TaN、TiN/TaWN、TiN/AlN、NbN/TaN、TiN/Si3N4、W/SiC和W/Mo等8种纳米多层膜体系并研究了各体系纳米多层膜的生长方式、界面结构及显微硬度随调制周期的变化，认为界面共格应变或其他原因所导致的交变应力场对薄膜造成的强化作用是纳米多层膜产生超硬效应的主要原因之一。除氮化物纳米膜外，采用脉冲电源，用对阴极非平衡磁控溅射法UBM制备氧化物纳米多层膜也获得成功。但是在TiC/TiB2、TiN/TiB2、TiN/TiC、NbN/VN等膜系中却发现硬度与薄膜的调制波长λ无关。由此看来，纳米多层的强韧化机理研究还要做许多深入细致的工作。　　总之，由于纳米复合结构的薄膜具有不寻常的性能特点，通过合理的组装，一定会制备出更多符合不同服役条件要求的先进涂层来。　　2.3复合涂层及复合工艺　　随着物理气相沉积研究的不断深入，多层复合涂层不断出现，传统的物理气相沉积和其他一些新的技术或工艺复合，极大拓宽了TiN涂层的研究领域。　　在复合涂层中过渡层的选择也是一个研究热点，如过渡层采用化学镀NiP、电镀Ni、电刷镀Ni或对基体磷化氧化处理、离子氮化等。充分发挥各种涂层的性能，使TiN涂层的结合力、耐磨性、抗氧化能力等得到更大程度的改善。文献[35]分别制备了电刷镀NiW、电刷镀CoW、化学镀NiP及离子氮化与TiN复合涂层，并研究了不同过渡层结合力的影响，发现4种TiN复合涂层的结合力和硬度均明显高于单层TiN，研究认为中间层在沉积TiN过程中发生晶化反应和析出弥散的中间相或第二相、双层强化及界面扩散层的形成起到改善韧性的重要作用。　　材料金刚石膜具有优良的力学、热学、电学、光学性能，其硬度达100GPa，金刚石涂层是近几年研究成功的新型刀具涂层。文献介绍了这样一种制备方法：首先用激光蒸发法在钢表面附上一层纳米TiN，再用CVD法把金刚石纳米粒子沉积到TiN涂层上，然后再镀上一层TiN，金刚石纳米粒子镶在第二层TiN薄膜中形成纳米复合涂层，这种涂层结构不但具有良好的硬度、耐热冲击的能力，而且与钢基体有极强的附着力。　　文献[37]采用非平衡磁控溅射及等离子体源离子注入的混合技术在Cr18N9Ti不锈钢基体上制备基体/TiN/Ti(N，C)/DLC梯度薄膜，减少由于金属基体上非金刚石相造成的内应力大、结合力差的情况。拉曼光谱分析梯度膜的外层为典型的金刚石结构，梯度膜的硬度19.1GPa，弹性膜量147.8GPa。　　近年来，有些复合涂层技术已经获得了商业上的应用，如德国Klink公司的预氮化+TiN涂层技术就已实用化。首先将刀具在离子镀氮化装置中进行处理，然后再置于PVD系统中镀膜，使刀具涂层性能获得大幅度的提高。但该技术仍存在明显的缺点：经上述双重处理的刀具实际上在等离子体中经历了两次清洗及加热，结果导致刀刃被严重刻蚀和钝化，降低了强化层的寿命，并使刀具锋利度降低。为避免在上述两台装置中的重复加热、溅射清洗和冷却消耗能源，并减少离子刻蚀对刀具刃口的伤害，合理的工艺是在电弧离子镀装置的同一个真空室内进行离子氮化及镀膜处理。广东省顺德世创金属科技公司近期从俄罗斯引进的5TANKIN-NBC1多功能电弧等离子体镀膜机系统便是具备上述功能的先进涂层设备。　　近年来,随着真空技术及气相沉积的发展并采用载能粒子束辅助(离子束、快中性分子轰击等)、激光束等先进技术逐步制备出了性能优越的高质量TiN纳米单层、多层复合膜，并逐步实现了低温沉积，使涂层的硬度、抗疲劳、耐磨性、塑变抗力、抗腐蚀能力、内应力等得到显著改善。利用纳米技术实现对常规TiN涂层的改造，深入研究等离子体薄膜的微观沉积及纳米薄膜的强韧化机理，充分发挥TiN复合涂层的优势,将会极大的拓宽TiN涂层的应用领域。　　3.结语　　综上所述，在最近十年来，为了满足工模具和耐磨零件、精密零件对硬质涂层日益增长的需要，科技工作者在TiN涂层的基础上不懈地开发了不少新的涂层材料。笔者有意识地选择了众多国内研究者的文献，足见我国在此领域的研究成果的丰硕。但形成鲜明反差的是，这些工模具涂层技术的实际商业应用却长期徘徊不前，先进涂层材料的制备成果得不到实际应用。从商业应用角度看，与国际水平相比，有专家认为，我国的PVD刀具涂层技术仍落后于先进国家十年左右。目前国外刀具涂层技术已发展到第四代水平，而国内总体水平仍在第二代，且以单层膜为主。据统计，我国1999年自己的工模具涂层市场规模仅为7512万元。究其原因，有国产镀膜设备发展落后的制约，有新技术推广和产业政策导向和科技体制诸问题。　　在进入21世纪以后，我国材料和表面工程的科技工作者和有作为的企业家们一个十分重要的任务就是在进行技术创新、研发更多实用的先进耐磨涂层的同时，要把更多的精力转向工业推广和实现实际商业应用，扎扎实实把我国的工模具涂层加工搞上去，使我国的涂层加工产业和整个制造业真正受益于涂层技术的科技进步。

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