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涂层方法对薄膜表面形貌的不同影响(3)
2006年8月8日 9:13  
③反应磁控溅射离子镀反应磁控溅射离子镀技术近几年已在刀具涂层领域展露了迅猛的发展势头。反应磁控溅射技术的特点是薄膜结构成分变化容易、组织细密,如图6所示为国外某公司磁控溅射TiAlN 涂层,其面形貌整体优于热阴极离子镀膜技术,但值得注意的是磁控溅射表面形貌随涂层成分、涂层工艺的改变而发生变化。图6~9都为同一公司的薄膜表面形貌,由于工艺上的差异导致了表面形貌上的区别。图7为工件边缘区域,基体材料表面本身粗糙度较差、薄膜表面粗糙、多空洞;图8、图9为复合性薄膜。从图中可以得出:磁控溅射表面涂层形貌受工艺影响较大;薄膜表面仍会出现个别极大的夹杂物,度超过5μm;薄膜的组织结构受基体形貌影响,可导致空洞及疏松现象的发生。图10 、图11为另一公司的磁控溅射薄膜表面形貌,其形貌与通常的磁控溅射方法相比存在较大区别,表面呈团絮状,也伴有大的夹杂物,尺度超过6μm,这种形貌更接近于化学气相沉积薄膜(见图13 和图14)。


图6 国外某公司磁控溅射涂层表面形貌1 图7 国外某公司磁控溅射涂层表面形貌2


图8 国外某公司磁控溅射涂层表面形貌3 图9 国外某公司磁控溅射涂层表面形貌4


图10 国外某公司磁控溅射涂层表面形貌1 图11 国外某公司磁控溅射涂层表面形貌2

④空心阴极加磁控溅射离子镀在磁控溅射上附加离化源技术是近年来反应磁控溅射技术的重要发展方向,离化源有效地提高了蒸发物的离化率,使得反应磁控溅射离子镀得以实现。国内某些有识之士则利用了这一技术原理开发了空心阴极加磁控溅射离子镀技术。图12为国内某企业采用该项技术涂覆的TiN薄膜表面形貌,目前该技术与阴极电弧法存在相同问题,即夹杂物较多且尺度偏大(接近4μm),所需进行的工作仍是应用基础工艺的研究开发。这项技术代表了一种研究方向,也利于不同薄膜的实现,从技术角度讲开发难度低于阴极电弧技术,但该项技术要实现在精密切削刀具领域的应用仍有很长的路要走。


图12 国内某公司空心阴极加磁控溅射涂层表面形貌

⑤化学气相沉积与上述的各种PVD涂层方法相比,CVD涂层表面形貌区别极大,图13 、14为国内某企业的TiN涂层表面形貌,表面呈片状和团絮状,粗糙、疏松。因此传统的CVD技术在满足现代精密加工要求的方面逊色于PVD技术,但通过增加某些工艺手段,在精密制造领域仍有其应用价值。


图13 国内某公司化学气相沉积涂层表面形貌 图14 国内某公司化学气相沉积涂层表面形貌

3、结果及讨论

本文通过对目前广泛采用的、并具有代表性的多种刀具涂层工艺技术的薄膜表面形貌观察分析,大体可以得出如下结论:①本文所研究的样品取自于工业化生产过程,随机取样,涉及各类企业,且样件直接采用实际切削刀具,表面未经特殊处理,因此试验结果代表了当前刀具涂层真实状况;②刀具涂层的工业化生产与实验室研究结果存在较大差异,从薄膜表面形貌分析,各类生产工艺过程都有某些缺陷,还有进一步调整、改进的必要;③热阴极离子镀涂层薄膜表面具有较好的形貌,夹杂物少、生产工艺稳定;④反应磁控溅射离子镀涂层可获得极为光整的薄膜表面形貌,但生产过程受工件状态、设备条件、工艺参数等影响,稳定性较差,且易生产个别极大的夹杂物;⑤阴极电弧离子镀技术在国外发展较为成熟,尽管薄膜表面形貌并不完善,但生产工艺稳定、薄膜组织结构均匀一致是其最大的特点。国内的阴极电弧离子镀技术尚缺乏深入的应用基础研究,与国外技术相比差距大,还难以达到广泛应用的水平;⑥空心阴极加磁控溅射离子镀技术借鉴于辅助离化源原理由国人所创,在思路上是一种创新,但目前缺乏机理性的研究,因此在工业化生产应用中与国内的阴极电弧技术相比,并无本质上的区别,薄膜表面粗糙、夹杂物多、组织疏松的现象有待改进。
 
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