傳統(tǒng)工業(yè)金屬材料的表面優(yōu)化處理方法主要包括滲碳、滲氮、碳氮共滲等表面化學(xué)熱處理方法，這些方法雖然可以通過(guò)改變金屬材料表面的成份和組織，從而改善材料表面的機(jī)械性能，這些基于常規(guī)熱擴(kuò)散原理，往往處理溫度較高，處理時(shí)間很長(zhǎng)、能耗大，金屬基底容易軟化，不能作為最終熱處理，而且效率很低。
上世紀(jì)中期開(kāi)發(fā)的工具鍍層主要著眼于提高鍍層的耐磨性，往往將硬度作為一個(gè)最主要性能指標(biāo)。應(yīng)用比較廣泛的刀具鍍層主要有Ti基Cr基鍍層，最典型的鍍層有TiC、TiN、
CrTiAlN等鍍層。
Ti基鍍層以TiN為主，通過(guò)添加其它元素進(jìn)一步改善鍍層性能。TiN鍍層是國(guó)內(nèi)外刀具鍍層研究最為成熟的代表之一，也是一種最為常用的硬質(zhì)鍍層。TiN鍍層憑借其硬度高、摩擦系數(shù)低，而且紅硬性好，韌性、高溫抗氧化性也不錯(cuò)的優(yōu)勢(shì)而被廣泛地應(yīng)用到許多領(lǐng)域，其中最典型的應(yīng)用就是切削刀具和仿金裝飾鍍層。在高速切削的條件下，TiN鍍層的硬度、抗氧化、摩擦系數(shù)等性能仍然滿足不了使用要求。TiC鍍層硬度比TiN更高，但其脆性比較大，在使用過(guò)程中容易崩落。
在新型鍍層的研發(fā)歷程中，TiN和TiC通常被認(rèn)為是第一代硬質(zhì)鍍層。應(yīng)用和研究發(fā)現(xiàn)，TiN鍍層的性能可以通過(guò)TiN與其他氮化物、碳化物、硼化物進(jìn)行混合和復(fù)合，以及用其他金屬元素部分或全部取代TiN中的Ti而得到改善，其中最為典型的兩種鍍層是Ti(C，N)和(Ti，A1)N，這些鍍層又被譽(yù)為第二代硬質(zhì)鍍層。氮碳化鈦Ti(C，N)被認(rèn)為是TiN和
TiC的固溶體，硬度高于TiC和TiN，具有較低的摩擦系數(shù)和磨損率，具有TiC和TiN的綜合性能，兼有兩者的特性和優(yōu)點(diǎn)，可以進(jìn)一步提高切削刀具的生產(chǎn)效率和使用壽命，是一種
較理想的刀具鍍層材料。Ti(C，N)鍍層刀具性能的改善歸因于Ti(C，N)和硬質(zhì)合金刀具優(yōu)異的結(jié)合力，但Ti.C-N的熱穩(wěn)定性和抗氧化性能不如TiN和TiC。如今，Ti(C，N)鍍層己廣泛用于切削工具、鉆頭、模具等機(jī)械、汽車(chē)制造和航天航空等領(lǐng)域。
隨著復(fù)合鍍層的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，人們?nèi)砸訲iN為基本組元，采用其他金屬元素，包括A1、Zr、Ta等替代或部分替代Ti；與N對(duì)應(yīng)的元素則加入C成為C、N化合物，進(jìn)而形成三元、
四元甚至多元鍍層，以實(shí)現(xiàn)提高鍍層的性能的目的，常見(jiàn)的鍍層除了Ti—C-N之外，還有Ti．B-N、Ti．A1．N鍍層等"·引。用多組元技術(shù)來(lái)改善PVD鍍層的性能，以適應(yīng)不同需要成為PVD技術(shù)發(fā)展方向之一。
含Cr元素的鍍層常被用于高溫下需要有好的抗腐蝕性能和高硬度的應(yīng)用領(lǐng)域，與已經(jīng)廣泛應(yīng)用的TiN鍍層相比，Cr基鍍層與鐵襯底有更好的結(jié)合強(qiáng)度。如NCr-N系列鍍層，因具有較好的膜基結(jié)合、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)，被作為耐磨鍍層用于工具和切削刀具的表面強(qiáng)化，在表面防腐和裝飾業(yè)也有一定的應(yīng)用。另外，’在PVD方法制備鍍層
的過(guò)程中，Cr原子的濺射產(chǎn)額比Ti原子的濺射產(chǎn)額高，使得Cr-N系列鍍層具有比T．N高的制備效率，有利于大批量的工業(yè)生產(chǎn)，Cr基鍍層被視為一種具有發(fā)展?jié)摿Φ牡毒咤儗印?/p>
實(shí)踐中，在提高鍍層硬度的同時(shí)往往脆性增大，然而某些受沖擊的加工條件對(duì)切削刀具韌性要求高，單純提高硬度不能滿足使用要求。操作中往往通過(guò)制作多層膜的方法來(lái)改善鍍層韌性，或增加過(guò)渡層、滲或注入層等措施提高鍍層膜基結(jié)合力。Holleck等[把多層鍍層分為三類(lèi)：一類(lèi)是低單層數(shù)的鍍層，如TiN／TiC／TiN多層，TiC／(Ti，A1)N多層，
TiN／TiCN／TiC多層，因工藝相對(duì)容易，目前絕大多數(shù)多層鍍層屬于此類(lèi)；第二類(lèi)是由兩種不同鍍層組成的高層數(shù)鍍層，如TiC／TiB2多層；第三類(lèi)是超點(diǎn)陣鍍層，由化學(xué)鍵和原子半徑及點(diǎn)陣常數(shù)相近的鍍層組成的高層數(shù)鍍層，一般周期厚度為5．25nm。最早的超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)鍍層是TiNⅣN和TiN烈bN，這種結(jié)構(gòu)的鍍層較同種材料組成的勻質(zhì)鍍層具有更高的硬度和韌性。 Herranentl認(rèn)為：多層結(jié)構(gòu)鍍層中增加了大量的界面并減小了晶粒尺寸，便于晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)的調(diào)整，降低殘余應(yīng)力，有利于提高鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，優(yōu)化鍍層的硬度和韌性比，實(shí)現(xiàn)鍍層的多功能性能。
相關(guān)鏈接
