新材料文献综述

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1、文献综述1气相沉积技术及其在耐磨涂层上的应用气相沉积镀膜包括三个环节：镀料气化f气相输运f沉积成膜。为研究方便，人们把通过含有构成薄膜元素的挥发性化合物与气态物质，在固体表面上进行化学反应，口生成非挥发性固态沉积物的过程，称为化学气相沉积(CVD)；把通过高温加热金属或化合物蒸发成气相，或者通过电子、离子、光子等荷能粒子从金属或化合物靶上溅射岀相应的原子、离子、分子(气态)，月•在同体表而上沉积成膜的过程，称为物理气相沉积(PVD)o1.1化学气相沉积技术从沉积化学反应能量激活看，化学气相沉积可分为热CVD、等离子

2、体辅助化学气相沉积(PACVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)和激光辅助化学气相沉枳(LCVD)等。从沉积化学反应温度看，又可分为低温CVD(低于200°C)、中温CVD(500-800°C).高温CVD(900〜1200°C)和超高温CVD(>1200°C)oCVD技术的优点是适合涂镀各种复朵形状的部件，特别是有盲孔、沟槽的工件，涂层致密均匀，可以较好地控制涂层的密度、纯度、结构和品粒度，涂层与基体结合强度高。传统CVD的反应温度一般为900〜1200°C,在如此高的温度下，工模具钢会发生固态相变、晶粒长大

3、、变形，使基休性能下降。因此，在沉积后要增加热处理工艺加以补救。为了降低沉积温度口前主要方法有：等离子体活化，采用金属有机化合物，通过激光产生化学激发，选择合理的反应气体⑴。用CVD技术沉积的耐磨涂层以氮化物、氧化物、碳化物、硼化物为主，主要应用于金属切削刀具,这类涂层有TiN、TiC、TiCN、TaC、HfN、A12O3>TiB?等。1890年，徳国的Erlwein等利用CVD技术在白炽灯丝上形成TiC。后来，Arkel和Moers等又分别在灯丝上用CVD技术制取了高熔点碳化物。1952年联邦德国金属公司的冶金实

4、验室发现在1000°C下，在铸铁表面也能得到粘接很好的TiC涂层。1968〜1969年，联邦徳国克鲁伯公司和瑞典山特维克公司的TiC涂层刀片已先后投放世界市场。到1970年，美国、日木、英国等硬质合金制造商也相继开始了涂层刀片的研究与生产，美国TFS公司与联邦德国研制的TiN涂层刀片也相继问世。到20世纪60年代末，化学气相沉积TiC及TiN硬膜技术已逐渐成熟并大规模用于涂层硕质合金刀片及Crl2系列模具钢［2】。到20世纪八十年代中后期，美国已有85%的硬质合金工具釆用了表而涂层处理，其中CVD涂层占到99%；到

5、九I•年代屮期，CVD涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占80%以上⑶。尽管CVD涂层具冇很好的耐磨性，但CVD工艺亦冇其先天缺陷：一是工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹;三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染，与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触，因此自九十年代屮期以来，高温CVD技术的发展和应用受到一定制约。八十年代末，Krupp.Widia开发的低温化学气相沉积(PCVD)技术达到了实用水平，其工艺处理温度已降至450〜650°C,冇效

6、抑制了n相的产生，可用于螺纹刀具、铳刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂层，但迄今为止，PCVD工艺在刀具涂层领域的应用并不广泛。九十年代中期，中温化学气相沉积(MTCVD)新技术的出现使CVD技术发生了革命性变革。MTCVD技术是以含C/N的有机物乙月青(CH3CN)作为主要反应气体、与TiCL4>H2、N2在700〜900°C下产生分解、化学反应生成TiCN的新工艺。采用MTCVD技术可获得致密纤维状结晶形态的涂层，涂层厚度可达8〜10屮mMTCVD涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用，其寿命

7、可比普通涂层刀片提高一倍左右⑶。目前，CVD(包括MTCVD)技术主耍用于硬质合金车削类刀具的表面涂层，涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用CVD技术还可实现a-Al2O3涂层，这是PVD技术目前难以实现的，因此在干式切削加工中，CVD涂层技术仍占有极为重要的地位。1.2物理气相沉积技术物理气相沉积技术除传统的真空蒸发和溅射沉积技术外，还包括近30年来发展起來的各种离了束沉积、离了束辅助沉积和离了镀技术。真空蒸发镀膜是在真空条件下，用蒸发器加热镀料使Z气化，蒸发粒子流直接射向基体并在基体上沉积成

8、膜。加热方式有：电阻加热、电子束加热、高频感应加热、电弧加热、激光加热等。真空蒸发镀膜是发展较早的镀膜技术，应用较为广泛。蒸发粒子的能量只有0.1〜0.3eV,因此真空蒸发只用于镀结合强度要求不高的某些功能膜。溅射镀膜通常是利用气体放电产生等离了体，其止离了在电场作用下高速轰击阴极靶，溅射出的靶材原子或分子飞向基体农面沉积成膜。溅射镀膜初期是利用直流二极溅射