6-1 PVD和CVD硬膜的种类和分类

**个工业应用的硬膜是 TiN。由于TiN呈金黄色，原来的目标产品被用作装饰品等镀金的替代品，但由于它坚硬且具有降低摩擦系数的作用，因此将其应用于切削工具成为。例如，图 1 显示了通过各种成膜方法涂有 TiN 的各种工具钢的横截面结构。在所有这些截面中，观察面都是倾斜的，膜厚是实际的两倍以上。HCD法的TiN膜正下方的白色层是增强附着力的Ti膜，热CVD法的TiN正下方的灰色层是与基体中的碳反应形成的TiC或TiCN膜。

自涂层对刀具的作用得到证实以来，越来越受到更多领域的关注，其应用范围也逐渐扩大。随着应用范围的扩大，对各种性能提出了要求，对性能优于TiN的薄膜提出了要求，而新的硬质薄膜的开发发展至今仍在积极推进中。

新型硬质膜的主要开发目标是具有比 TiN 更高的硬度，如图 2 所示，以降低非润滑环境下的摩擦系数，并具有出色的耐热性（高温氧化特性）和耐腐蚀性抵抗等等。

（一）硬膜的种类和应用在硬度方面

耐磨性的参数之一是硬度，TiC和TiCN用作硬度高于TiN的硬膜。由于 TiC 比 TiN 更脆，具有中间特性的 TiCN（2500-3000HV）常用于冷锻和深冲冲压。由于金刚石在地球上存在的物质中硬度更高，因此开发了各种成膜方法，但成膜温度（通常为850℃或更高）高，后抛光困难。应用于实际产品的例子并不多。

(2) 从滑动特性来看硬质膜的种类和用途

硬膜的更大应用领域是工具，其目的是提高滑动性能，而降低摩擦系数是所有适用产品共同的更重要因素。如果硬膜用在润滑油等润滑环境中，即使是TiN也会充分发挥其润滑作用。然而，滑动部件上硬膜涂层的更终目标是在非润滑环境中应用。虽然 TiC 和 TiCN 的摩擦系数低于 TiN，但在非润滑环境下，大多数配合材料无法表现出滑动特性的影响。此外，用于滑动部件时，对对手的攻击性也是一个重要因素，CrN、CrVN等Cr系硬质薄膜已经开发出来，应用案例越来越多，但效果仅在润滑的环境。例如，图 3 显示了通过电弧蒸发法涂覆的高速工具钢 (SKH51) CrN 的横截面结构。

更近，DLC 薄膜受到了关注，因为它们在非润滑环境中的摩擦系数与配合材料无关，并且与其他硬质薄膜相比具有出色的滑动特性。

(3) 从高温氧化特性看硬质膜的种类及用途

当在大气中使用硬膜时，由于氧化从 TiN 的约 550°C 和 TiC 和 TiCN 的 450°C 转变为 TiO2，因此失去了膜的原始特性。但由于TiAlN在700℃左右几乎不被氧化，因此在雾化加工和重型切削刀具中常被用作耐热硬膜。作为示例，图4显示了通过等离子体CVD生成的TiAlN（更外层）/TiN膜的截面结构和截面的GDS分析示例。薄膜有两相，更外层是TiAlN，下面是TiN薄膜，可以确认薄膜中存在氯（Cl）。