硬质涂层概况.ppt

硬质涂层发展概况 江苏大学 邵红红 一、硬质涂层沉积技术 热喷涂存在的问题： 电化学沉积（电镀）与化学镀 电镀与化学镀的局限性： 沉积的硬质材料有限(Cr,Ni,Ni-P…) 沉积的硬质材料硬度一般偏小(1500Hv) 复合沉积的复合均匀性较差,不能应用于精密部件 化学气相沉积（CVD）特点 最先使用的气相沉积技术 优点 沉积温度高,结合力比物理气相沉积强 缺点 沉积温度过高限制基底的适用范围 沉积温度600℃-1200℃ 基底适用范围(硬质合金\陶瓷部件) 热变形大，应用于非精密部件 反应气体会污染环境 物理气相沉积（PVD）优点： 沉积温度低,应用范围广 热变形小,可应用于精密部件(刀具、模具) 没有废气排放，绿色环保 物理气相沉积（PVD）类型 真空蒸镀（Evaporation Deposition） 离子镀(Ion Plating) 溅射沉积(Sputtering) 溅射沉积特点 溅射出粒子平均能量比真空蒸镀产生的粒子大，薄膜与基体结合性好 膜厚较真空蒸镀均匀，材料的溅射特性差别不如其蒸发特性差别大，易控制成分 任何材料（导电体、绝缘体、有机、无机）均能溅射成膜 磁控溅射沉积技术是应用最广泛的气相沉积技术！磁控溅射仪可以称为万能镀膜机。 硬质涂层的分类 金属基合金涂层 铁基 铬基 镍层 钼层 钴基和镍基合金涂层 其他合金涂层 陶瓷涂层 氧化涂层 氧化铝／氧化钽／氧化铬 碳化物涂层 碳化钛/碳化钨/碳化铬 碳化铪/碳化锆／碳化硅 氮化物涂层 氮化钛 氮化铪/氮化锆／氮化硅 立方氮化硼(CBN)／多元氮化物 硼化物 硅化物 硬质碳层 非晶碳层/金刚石涂层 陶瓷涂层的应用Al2O3涂层 高硬度（750－2100Hv） 高熔点 化学性质稳定 热不良导体，阻止摩擦热向基体扩散 抗腐蚀，抗磨损的理想材料 主要沉积技术：CVD 主要应用 刀具等 碳化物涂层 碳化钛Ti-C （1000Hv－2800Hv） 应用最广的碳化物涂层 碳化钨 W-C（800－2100Hv） 在高温条件下能保持良好的硬度 碳化铬Cr-C 具有碳化钛、碳化钨更强的抗氧化性。 碳化硅SiC 高硬度，高温抗氧化性，抗腐蚀性 与氧化物相比具有更高的硬度 脆性增加 涂层的沉积技术与沉积条件严重影响涂层性能 氮化物涂层 氮化钛TiN 研究应用最多的氮化物涂层 氮化铪HfN 相对氮化钛和碳化钛，提高温度能保持较高硬度 立方氮化硼 c-BN（4000Hv） 曾是金刚石之后发现最硬的材料之一 需高温沉积，成本高 与碳化物相比，氮化物具有良好的韧性 涂层沉积技术与沉积条件严重影响涂层性能 氮化钛涂层应用 涂层成分正向多样化趋势发展 多元氮化物 TiAlN TiZrN TiHfN TiAlVN TiAlZrN 二元、三元氮化物可明显提高一元氮化物（如氮化钛）的性能 TiAlN涂层 TiAlN涂层性能 TiAlN涂层应用 （4）硬碳涂层 非晶碳层/类金刚石层(DLC) 兼有石墨和金刚石性能,优异的固体润滑硬膜 金刚石(sp3),石墨(sp2) DLC (sp3+ sp2) 金刚石硬度100Gpa DLC硬度7.4-60Gpa 优点 摩擦系数小0.1, 沉积温度低可200℃ 缺点 适用于加工有色金属,木材等不含铁成分的材料 使用温度低450℃,涂层应力大 硬碳层 金刚石涂层 优点 具有很高的硬度,耐磨性能,摩擦系数低 缺点 采用CVD沉积技术,沉积温度高,基底材料范围窄 涂层应力大,膜基结合能力差 适用于加工有色金属,木材等不含铁成分的材料 成本高,H2消耗量大 1.新型涂层的研究背景 新一代纳米结构涂层已经吸引全世界的关注 通过涂层的结构纳米化和不同物相复合纳米化，可以获得超硬涂层（40 GPa ） 通过涂层纳米化，可改善涂层的综合性能（韧性，抗腐蚀、抗氧化、结合性能等） 超硬涂层应用于传统超硬涂层不能沉积的基体表面或应用领域,使其在工业制造过程效率更高，通用性更强，成本更低 新型涂层的研究背景 2.纳米结构涂层的优点 DLC 很好的固体润滑性能 硬度20GPa 抗氧化性不佳 C与铁亲和力强,不能用于加工钢铁材料,使用范围限于有色金属加工 纳米复合材料 具有良好的抗氧化性 硬度40GPa 可应用于钢铁和有色金属加工 3.新型涂层的研究 纳米复合涂层 纳米多层复合涂层(nano-layered film) 纳米混合复合涂层(nano-composited film) 纳米多层复合涂层 TiN/SiNx 纳米多层膜 无一般涂层的柱状结构,致密 热稳定性强, 高硬度 (~50 GPa),强抗腐蚀性 TiN/SiNx 纳米多层膜TEM结构 TiN/CNx纳米多层膜 Ti-Si-N纳米混合复合涂层