1 引言

　　眾所周知突梦，刀具表面涂層技術(shù)是應(yīng)市場需求而發(fā)展起來的一項優(yōu)質(zhì)表面改性技術(shù)摘形，由于該項技術(shù)可使切削刀具獲得優(yōu)良的綜合機械性能邢侵，不僅可有效地提高刀具使用壽命蛔颖，而且還能大幅度地提高機械加工效率糊晋，因此該項技術(shù)已與材料缤媒、加工工藝并稱為切削刀具制造的三大關(guān)鍵技術(shù)。為滿足現(xiàn)代機械加工高效率际器、高精度岔冯、高可靠性的要求，世界各國都十分注重涂層技術(shù)的發(fā)展焕数。目前我國刀具涂層技術(shù)的發(fā)展正處在一個十分關(guān)鍵的時刻纱昧，尤其是PVD涂層技術(shù)，一方面原有的技術(shù)已不能滿足切削加工日益變化的要求堡赔；另一方面國內(nèi)各大工具廠涂層設(shè)備已到了必須更新?lián)Q代的時期，因此有計劃设联、按步驟的發(fā)展PVD技術(shù)善已，不僅能促進我國切削刀具產(chǎn)品技術(shù)水平的提高，而且還可獲得巨大的經(jīng)濟效益和社會效益离例。

　　2 國際刀具涂層技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　刀具涂層技術(shù)目前仍可劃分為兩大類换团，即CVD(化學(xué)氣相沉積)和PVD技術(shù)(物理氣相沉積)。

　　2.1 國際CVD技術(shù)的發(fā)展

　　CVD技術(shù)自上世紀(jì)六十年代出現(xiàn)以來宫蛆，在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具上得到了極為廣泛的應(yīng)用艘包。在CVD工藝中，氣相沉積所需金屬源的制備相對容易耀盗，可實現(xiàn)TiN想虎、TiC、TiCN猎之、TiBN桶悍、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復(fù)合涂層鹃远，其涂層與基體結(jié)合強度高讼逐，薄膜厚度可達7～9μm，相對而言嚎闹，CVD涂層具有更好的耐磨性凸翩。八十年代中后期，美國85%的硬質(zhì)合金工具采用了涂層處理暂臀，其中CVD涂層占到了99%肪麦；九十年代中期，CVD涂層硬質(zhì)合金刀片在涂層硬質(zhì)合金刀具中仍占到了80%以上姑享。但CVD工藝也有其先天性的缺陷烫奏，一是工藝處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強度的下降罪褒；二是薄膜內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)耙肖，使用中易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生仰铃；三是CVD工藝所排放的廢氣、廢液會造成工業(yè)污染授瘦，對環(huán)境影響較大醋界，與目前所提倡的綠色工業(yè)相抵觸，因此九十年代中期后高溫CVD技術(shù)的發(fā)展受到了一定的制約提完。

　　八十年代末Krupp Widia開發(fā)的PCVD(低溫化學(xué)氣相沉積)技術(shù)達到了實用水平形纺，其工藝處理溫度已降至450℃～650℃，有效地抑制了η相的產(chǎn)生徒欣，可進行TiN逐样、TiCN、TiC等涂層打肝，用于螺紋刀具脂新、銑刀、模具等粗梭，但到目前為止PCVD工藝在刀具涂層領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用并不十分廣泛争便。

　　真正引起CVD技術(shù)發(fā)生突變的是九十年代中期新型MT-CVD(中溫化學(xué)氣相沉積)技術(shù)的出現(xiàn)。新型MT-CVD是以含C/N的有機物乙腈(CH3CN)為主要反應(yīng)氣體和TiCL4断医、H2滞乙、N2在700～900℃下產(chǎn)生分解、化學(xué)反應(yīng)葡谅，生成TiCN的一種新方法脱处，可獲得致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)的涂層，涂層厚度可達8～10μm乞审。這種涂層結(jié)構(gòu)具有極高的耐磨損性绎噩、抗熱震性及韌性，并可通過HT-CVD(高溫化學(xué)氣相沉積)工藝技術(shù)在表層沉積上Al2O3鸠丸、TiN等抗高溫氧化性能好缨诱、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料赡脚。MT-CVD涂層刀片適合于高速纳倒、高溫、大負(fù)荷幸持、干式切削條件下使用苟暗，其壽命可比普通涂層刀片提高1倍左右。

　　從目前的發(fā)展來看川砌，CVD工藝(包括MT-CVD)主要用于硬質(zhì)合金車削類刀具的表面涂層韭寸，其涂層刀具適合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工，尤其是α-Al2O3涂層是目前PVD技術(shù)所難以實現(xiàn)的恩伺，因此在干式切削加工中赴背，CVD涂層技術(shù)仍占有極其重要的地位。

　　2.2 世界PVD技術(shù)的發(fā)展

　　PVD技術(shù)出現(xiàn)于上世紀(jì)七十年代末期晶渠，由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下凰荚，因此可作為最終處理工藝用于高速鋼類刀具的涂層。PVD工藝可大幅度提高高速鋼刀具的切削性能褒脯，所以該項技術(shù)在八十年代得到迅速推廣應(yīng)用便瑟。八十年代末工業(yè)發(fā)達國家復(fù)雜高速鋼刀具PVD涂層比例已超過了60%。

　　PVD技術(shù)在高速鋼刀具領(lǐng)域的成功應(yīng)用番川，引起了世界各國的高度重視到涂，人們在競相開發(fā)高性能、高可靠性涂層設(shè)備的同時爽彤，也對其應(yīng)用領(lǐng)域的擴大進行了更加深入的研究养盗，尤其是在硬質(zhì)合金、陶瓷類刀具領(lǐng)域中的應(yīng)用适篙。與CVD工藝相比，PVD工藝處理溫度低拱矫，在600℃以下對刀具材料的抗彎強度沒有影響漂手；薄膜內(nèi)部為壓應(yīng)力，更適合于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜類刀具的涂層牌聋；PVD工藝對環(huán)境沒有不利影響曼散，符合目前綠色工業(yè)的發(fā)展方向；此外嫂前，隨著高速切削加工時代的到來污兄，高速鋼刀具應(yīng)用比例的下降，硬質(zhì)合金萝渐、陶瓷刀具應(yīng)用比例的上升已成為必然午四，因此工業(yè)發(fā)達國家自九十年代初就開始致力于硬質(zhì)合金刀具PVD涂層技術(shù)的研究，九十年代中期磨慷，硬質(zhì)合金刀具PVD涂層技術(shù)已取得了突破性的進展支礼，并普遍用于硬質(zhì)合金立銑刀、鉆頭薇痛、階梯鉆滨溉、油孔鉆、鉸刀长赞、絲錐晦攒、可轉(zhuǎn)位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理脯颜。

　　目前PVD技術(shù)不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結(jié)合強度哟旗，涂層成分也由第一代的TiN發(fā)展到了TiC、TiCN伐脖、ZrN热幔、CrN、MoS2讼庇、TiAlN绎巨、TiAlCN、TiN-AlN蠕啄、CNx等多種多元復(fù)合涂層场勤，且由于納米級涂層的出現(xiàn)，使得PVD涂層刀具質(zhì)量又有了新的突破艺踪，這種薄膜涂層不僅結(jié)合強度高首潮、硬度接近CBN、抗氧化性能好滚讼，并可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度剑学，在進行高精度加工時，其加工精度毫不遜色于未涂層刀具绊域。

　　從目前涂層技術(shù)的發(fā)展來看膨溃，由于單一涂層材料無法滿足對刀具綜合機械性能的要求，現(xiàn)已難以被市場所接受湘都，涂層成分向多元化發(fā)展已成為必然趨勢肠祭；為滿足不同的切削加工要求，涂層成分會更為復(fù)雜旱唧、更具針對性螺啤；每單層成分也會越來越薄，并逐步趨于納米化恤鞭；涂層溫度會愈來愈低淌踢；刀具涂層工藝則會向更合理方向發(fā)展，預(yù)計PVD个扰、MT-CVD工藝將會成為主流瓷炮。

　　3 我國刀具涂層技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

　　3.1我國CVD技術(shù)的發(fā)展

　　我國CVD涂層技術(shù)的研究起源于七十年代初，由于該項技術(shù)的專用性強递宅，國內(nèi)從事其研究的單位并不太多娘香。八十年代中期國內(nèi)CVD刀具涂層技術(shù)達到實用化，其工藝技術(shù)與國際水平相當(dāng)办龄；在隨后十多年里與國際上的發(fā)展類似烘绽，較為緩慢淋昭；九十年代末期，國內(nèi)開始MT-CVD的研究工作安接，預(yù)計該項工藝及裝備的研究工作2001年內(nèi)可以完成翔忽，屆時設(shè)備及工藝技術(shù)將達到目前國際先進水平。我國PCVD技術(shù)的研究始于九十年代初盏檐，該項工藝技術(shù)主要應(yīng)用于模具涂層歇式，在刀具領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，目前也還不十分廣泛胡野〔氖В總體上講，國內(nèi)CVD技術(shù)與國際水平相差不大厅员，如果MT-CVD技術(shù)開發(fā)成功困煤，整體技術(shù)將會與國際先進水平保持同步。

　　3.2我國PVD技術(shù)的發(fā)展

　　我國PVD涂層技術(shù)的研發(fā)工作始于八十年代初幻渤，八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機及高速鋼刀具TiN涂層工藝技術(shù)技蝌。與此同時，由于對刀具涂層市場前景的看好牌完，國內(nèi)大型工具廠有七家引進了大型PVD涂層設(shè)備伦窜，并均以高速鋼TiN涂層工藝為主。進口技術(shù)及設(shè)備的引進坎谱，調(diào)動了國內(nèi)PVD技術(shù)的開發(fā)熱潮逻袭，國內(nèi)各大真空獲得設(shè)備廠及眾多的科研單位紛紛展開了大型離子鍍膜機的研制工作，并于九十年代初開發(fā)出多種PVD設(shè)備业满。但由于大多數(shù)的設(shè)備性能指標(biāo)差，刀具涂層工藝無法保證克矿，再加上預(yù)期的市場效益也未能實現(xiàn)李臀，致使大多數(shù)單位放棄了PVD刀具涂層技術(shù)進一步的研究工作，因此導(dǎo)致近十年里國內(nèi)刀具PVD涂層技術(shù)處于徘徊不前的局面冷离。盡管九十年代末國內(nèi)成功開發(fā)出了硬質(zhì)合金TiN-TiCN-TiN多元復(fù)合涂層工藝技術(shù)吵冒，并達到了實用水平，CNx涂層技術(shù)也有了重大突破(見表4)西剥，但與國際水平相比痹栖，我國刀具PVD涂層技術(shù)大概落后了十年左右。目前國外刀具PVD技術(shù)已發(fā)展到了第四代瞭空，而國內(nèi)尚處于第二代的水平揪阿，且仍以單層TiN涂層為主。

　　4 我國刀具PVD涂層技術(shù)存在的主要問題

　　我國刀具PVD涂層技術(shù)起步時間與國際上相差并不很遠咆畏，而且在發(fā)展初期又大量引進了當(dāng)時國際上最先進的各類涂層設(shè)備南捂，八十年代后期國內(nèi)涂層設(shè)備也得到了迅速發(fā)展，但該項技術(shù)真正在高速鋼刀具上普遍應(yīng)用，卻是在九十年代中期前后溺健，到目前為止盡管硬質(zhì)合金刀具TiCN涂層已取得了突破麦牺，但國內(nèi)市場仍以TiN涂層為主，究其原因可歸納為以下幾個方面：

　　國外涂層設(shè)備的集中引進給PVD技術(shù)的后續(xù)發(fā)展造成了某些負(fù)面影響

　　八十年代中期國外PVD技術(shù)裝備的集中引進雖然使該項技術(shù)的發(fā)展有了一個高的起點鞭缭，同時也解決了高速鋼刀具的涂層問題剖膳，但由于這些設(shè)備引進廠家都是國內(nèi)刀具生產(chǎn)骨干企業(yè)，其產(chǎn)品在國內(nèi)市場占有很大比例南链，這些先進設(shè)備的引進在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)已可以滿足企業(yè)的生產(chǎn)要求策睛，因此從另一方面看，影響了國產(chǎn)設(shè)備在刀具領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展提高夭菲；此外八十年代中期PVD技術(shù)還處于發(fā)展初期程昨，隨著該項技術(shù)的飛速發(fā)展，九十年代后新技術(shù)層出不窮摇轨，這些企業(yè)面臨著技術(shù)更新的局面咖亏，但資金的壓力使得企業(yè)不得不放棄引進新技術(shù)的打算，國內(nèi)也因此錯失了發(fā)展提高PVD技術(shù)的最佳時期翠坟。

　　與國外相比國內(nèi)對新工藝的開發(fā)重視不夠

　　盡管八十年代國內(nèi)引進了最先進的技術(shù)已唐，但由于當(dāng)時PVD技術(shù)尚處發(fā)展初期，國內(nèi)對其后續(xù)發(fā)展空間及速度無法充分估計醒狭，此外物理涂層技術(shù)是集電子物理绞芽、材料、真空控制技術(shù)于一體的新興科學(xué)技術(shù)君板，在研究歪架、生產(chǎn)、應(yīng)用等方面對人員的配置有較高的要求霹陡，而大部分引進廠家主要偏重于生產(chǎn)和蚪，在人員、物資的配置上無法推動工藝技術(shù)的自我發(fā)展烹棉，新工藝攒霹、新技術(shù)仍需引進，而新工藝技術(shù)引進的費用卻十分昂貴浆洗，例如Balzers設(shè)備從TiN涂層工藝提升到TiCN涂層催束，僅硬件改造費就需30萬美元。

　　在設(shè)備的開發(fā)上缺乏統(tǒng)一性伏社、合理性及協(xié)作性

　　八十年代后期抠刺，國內(nèi)真空設(shè)備制造廠及一些科研單位對PVD刀具涂層市場過于樂觀，各自紛紛加大各類PVD涂層設(shè)備的開發(fā)力度洛口，但由于缺乏對刀具及其涂層技術(shù)的深入了解矫付，也未加強與工具廠的合作凯沪，所開發(fā)的涂層設(shè)備大部分無法滿足刀具涂層工藝的要求，尤其是精密高速鋼刀具涂層技術(shù)尚達不到批量生產(chǎn)水平洞歼。這類設(shè)備大多只能用于麻花鉆的涂層卫削，由于麻花鉆涂層費用極低，相應(yīng)涂層設(shè)備的利潤也很低宣验，因此進入九十年代后赌矩，大部分真空設(shè)備制造廠已把發(fā)展方向轉(zhuǎn)向其他行業(yè)(如裝飾涂層等)。

　　售后服務(wù)的欠缺制約了國產(chǎn)涂層設(shè)備的推廣應(yīng)用

　　到目前為止國內(nèi)大部分涂層設(shè)備生產(chǎn)廠家都不能提供完整的刀具涂層工藝技術(shù)(包括前處理工藝娇晦、涂層工藝浑梳、涂后處理工藝、檢測技術(shù)镀匈、涂層刀具應(yīng)用技術(shù)等)染窝，由于這種不完整性，給使用者帶來了許多意想不到技術(shù)問題砰洗，而且設(shè)備生產(chǎn)廠也不能提供長期的技術(shù)服務(wù)医惠，無法在技術(shù)上給予保證，導(dǎo)致國產(chǎn)涂層設(shè)備難以正常使用穿桃，從而極大地限制了PVD涂層設(shè)備的推廣應(yīng)用器谦。

　　涂層質(zhì)量的不穩(wěn)定制約了涂層技術(shù)的推廣應(yīng)用

　　引進設(shè)備的高昂價格，造成涂層價格的居高不下痰哨，涂層費用甚至超過了刀具價格的50%胶果，此外由于引進的渠道不一，設(shè)備選擇的依據(jù)不同斤斧，導(dǎo)致設(shè)備工藝水平相差較大早抠，從而影響了涂層刀具的使用效果；同時又由于國產(chǎn)涂層刀具的質(zhì)量不穩(wěn)定撬讽，涂層刀具檢驗標(biāo)準(zhǔn)不齊全贝或，因此在應(yīng)用領(lǐng)域造成了涂層價格高，但涂層質(zhì)量不穩(wěn)定锐秦，刀具性能改善不明顯的印象，嚴(yán)重影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用及發(fā)展盗忱。

　　國內(nèi)機械加工的低水平也制約了涂層技術(shù)的迅速發(fā)展我國八十年代數(shù)控機床的應(yīng)用還不十分廣泛酱床，機械加工仍處于較低水平，高速鋼刀具的應(yīng)用占到了80%以上趟佃，硬質(zhì)合金刀具仍以焊接刀具為主扇谣，可轉(zhuǎn)位刀片以車削類刀具為主（一般多采用CVD涂層），整體硬質(zhì)合金立銑刀闲昭、鉆頭冕咒、鉸刀等應(yīng)用較少撑葡，因此對PVD硬質(zhì)合金刀具涂層的要求并不十分迫切。

　　5 發(fā)展我國PVD技術(shù)的幾點建議

　　隨著我國汽車彭理、航空航天艾抠、汽輪機等工業(yè)的發(fā)展，以及數(shù)控機床的迅速普及凝顿，我國機械加工正朝著高速切削的方向發(fā)展惑妒，高速滾齒、高速銑削以及干式切削的應(yīng)用菌菇，對刀具涂層技術(shù)提出了更高的要求泛驰。以齒輪高速滾削加工工藝為例，先進的工藝需要采用MoS2軟涂層技術(shù)浪顽，與TiN涂層相比寺帽，其壽命可提高一倍以上；而在高速銑削加工中东悔，硬質(zhì)合金銑刀類刀具多選用TiAlN凸协、TiAlCN或TiN-AlN涂層，單一的TiN涂層根本不適合此類加工姥芥。因此市場的需求兔乞，已迫使國內(nèi)必須加速PVD新技術(shù)的發(fā)展。

　　發(fā)展新型PVD涂層技術(shù)應(yīng)注意以下幾點：

　　1. 加強該項目的規(guī)劃及管理工作

　　工具行業(yè)管理部門應(yīng)加強該項目的規(guī)劃及管理工作凉唐，明確我國短庸追、中、長期發(fā)展目標(biāo)台囱，確立有計劃不間斷發(fā)展的方針淡溯，并通過"官、產(chǎn)簿训、學(xué)咱娶、研、商"的結(jié)合强品，使項目在政策上和資金上都能得到有利地支持膘侮。實際上八十年代中期，機械工業(yè)部機床工具司為阻止PVD涂層設(shè)備進口事態(tài)的進一步擴大的榛，組織了全行業(yè)的力量對引進設(shè)備進行攻關(guān)琼了，其中所開發(fā)的熱陰極弧磁控等離子鍍膜機，已成功的在工具行業(yè)推廣應(yīng)用仔同，并因此帶動了國內(nèi)TiN涂層刀具的普及應(yīng)用键切。

　　2. 建立統(tǒng)一的研究、開發(fā)圃靖、服務(wù)體系

　　建立統(tǒng)一的研究龙喂、開發(fā)蝇硅、服務(wù)體系，根據(jù)國內(nèi)外市場的需求秧梨，有系統(tǒng)地引進國際先進技術(shù)翁漠，加強對引進技術(shù)的消化吸收及協(xié)作研究工作，并逐步達到自我開發(fā)的水平漠恰，最終實現(xiàn)參與國際市場競爭腋积。

　　3. 建立刀具涂層技術(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

　　建立涂層設(shè)備、涂層刀具行業(yè)檢驗標(biāo)準(zhǔn)蹲自，嚴(yán)格控制涂層刀具質(zhì)量平敏，確保涂層技術(shù)大面積的推廣應(yīng)用。

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