幾乎所有的金屬切削加工都通過涂層技術(shù)而獲益竭业。在基體選擇、涂層設(shè)計、涂層前和涂層后制備技術(shù)等方面的創(chuàng)新已經(jīng)大大改善了切削刀具的性能秃值，并不斷擴展著金屬切削加工的極限范圍。
   
　　對于薄膜耐磨涂層對刀具行業(yè)的影響以及為刀具用戶帶來的效益，無論作多高的評價都不過分哑逾。迄今旧伺，化學(xué)氣相沉積（CVD）薄膜耐磨涂層的發(fā)明已有近40年歷史，物理氣相沉積（PVD）薄膜耐磨涂層的問世也有25年吹复，它們?yōu)楦纳聘鞣N切削刀具的性能起到了無可替代的關(guān)鍵作用君祸。
   
　　本文將回顧過去40年來刀具涂層技術(shù)的演變，分析CVD涂層技術(shù)轧愧、CVD和PVD金剛石薄膜涂層技術(shù)含滴、納米技術(shù)對刀具涂層的影響、刀具基體涂層前后的制備和涂層后處理技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r丐巫。
   
　　Sandvik Coromant公司的高級車削技術(shù)專家Stefan Gyllengahm評價說：“現(xiàn)代涂層能夠增強幾乎所有刀具材料和切削加工的效能谈况。涂層不僅可以提高刀具的耐磨性，還能保護刀具免受高切削速度引起的切削熱影響递胧”希”
   
　　Kennametal公司的全球材料技術(shù)主管Mark Greenfield指出，刀具供貨商面臨的挑戰(zhàn)是不斷提高刀具的加工效率及可靠性缎脾，同時還必須滿足各種新型工件材料（如高硬度泼诱、高耐磨材料，這些材料對刀具有更大的磨蝕性）的加工需求赊锚。例如治筒，用于制造某些汽車零件的高硅鋁合金和用于制造醫(yī)療零件的高等級不銹鋼等都對加工刀具提出了特殊要求。在對各類工件材料的加工中舷蒲，高效可靠的切削刀具必須是刀具基體耸袜、刀具幾何結(jié)構(gòu)和刀具表面處理三大要素的協(xié)調(diào)組合。

   
首創(chuàng)的CVD涂層技術(shù)
   
　　Oerlikon Balzers Coating美國公司涂層中心的技術(shù)主管Dennis Quinto指出牲平，1960年代晚期問世的CVD涂層使切削刀具發(fā)生了巨大變革妨宪。到1980年代早期，CVD涂層已經(jīng)發(fā)展到TiC帖奠、TiCN和Al2O3復(fù)合的多層涂層之灼。“Al2O3一直是用于高速创邦、高溫切削加工最重要的涂層比紫，而且其地位至今仍然未被超越∷磕”他說蕾捣，“沉積溫度較低的PVD涂層技術(shù)出現(xiàn)于1980年代，由于具有某些明顯的優(yōu)勢但珍，因此可以取代具有相同成分的CVD涂層——但Al2O3除外齐寻》鄞兀”傳統(tǒng)的CVD工藝沉積溫度較高（1000～1100℃），可能會損害熱敏感的刀具材料刨吸，而PVD工藝的沉積溫度僅為180～480℃蛀膊，這就意味著PVD可應(yīng)用于比CVD范圍更廣的基體材料（新的CVD工藝——如MTCVD——也可在較低溫度下沉積涂層）。
   
　　IonBond LLC公司的刀具業(yè)務(wù)主管Rick Horsfall補充說底挫，自從PVD涂層于1980年代早期問世后嗽桩，涂層技術(shù)就與機床技術(shù)基本保持同步發(fā)展。例如凄敢，當(dāng)機床制造商開發(fā)出速度更快碌冶、剛性更高的新型機床，刀具制造商就必須相應(yīng)推出能夠承受更高切削速度和溫度的涂層刀具涝缝。他說扑庞，“現(xiàn)代刀具涂層技術(shù)使市場上最新式的機床能夠以更快的速度進行加工，許多情況下是在干式切削條件下加工拒逮」薨保”由于新型涂層的硬度比刀具基體材料硬度高出3～4倍，能為刀具提供優(yōu)異的耐磨性滩援，而較低的摩擦系數(shù)能為刀具提供自潤滑作用和降低切削熱栅隐，良好的化學(xué)惰性能為刀具提供保護屏障，因此這些涂層尤其適合干式切削或準(zhǔn)干式切削玩徊。
   
　　Niagara Cutter公司是較早使用涂層技術(shù)的刀具制造商租悄，早在1982年就開始在高速鋼刀具上沉積PVD涂層。公司總裁Sherwood Bollier說：“PVD涂層為提高高速鋼刀具的性能發(fā)揮了重要作用写寄，但它們對于硬質(zhì)合金刀具來說更是必不可少诲操，因為硬質(zhì)合金刀具比高速鋼刀具價格更貴，使用率也更高纽材“锘铮”
   
CVD涂層技術(shù)的新進展
   
　　Balzers美國公司的Quinto介紹說，雖然并未引起太多注意敛纺，但CVD涂層近年來已經(jīng)取得了重要的技術(shù)進展鹰党，包括：
   
　　（1）利用中溫CVD（MTCVD）技術(shù)虹体，可在硬質(zhì)合金刀片上沉積厚度達20μm的TiCN和Al2O3多層厚涂層钓藏，用于高磨蝕性工件的高速切削。此類涂層的厚度幾乎是傳統(tǒng)CVD涂層厚度的2倍碱暗，從而提供了更好的耐磨性和更長的刀具壽命瘤褒。
   
　　（2）通過對CVD Al3O2成核過程更精確的控制杖户，可使涂層獲得所希望的α或κ晶相悲组。這樣做的理由是因為在CVD所能沉積的幾種Al3O2晶相中，α-Al3O2最穩(wěn)定包归，其耐高溫性和耐磨性也最好锨推。
   
　　Valenite LLC公司的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)理Brian Hoefler說，工藝擴展改善了CVD涂層的質(zhì)量公壤』豢桑“如今，基于PC的沉積爐控制技術(shù)使刀具涂層工藝獲益非淺厦幅。刀具制造商通過對涂層溫度和氣氛分配的精確控制沾鳄，可以獲得精確的涂層厚度、均勻一致的附著強度以及各種鮮艷的顏色确憨。各生產(chǎn)批次之間涂層厚度的差異與10年前相比平均減小了約50％译荞。”

此外休弃，Greenfield介紹說吞歼，Kennametal公司推出的刀片牌號采用了抗變形能力和韌性更好的基體，它與具有高耐磨性氧化層的新型CVD涂層相結(jié)合塔猾，能夠使加工效率更高篙骡、刀具壽命更長、停機輔助時間更短永炭。
   
　　Seco-Carboloy公司的車削產(chǎn)品經(jīng)理Don Graham說掺昵，有許多方法可以改善CVD涂層產(chǎn)品的性能∥何Γ“涂層反應(yīng)爐中化學(xué)成分的精確調(diào)整区戚、各層涂層的結(jié)構(gòu)控制、涂層刀片頂部和底部的磨削以及涂層后刀片切削刃的光滑精磨等工藝措施都能有效提高涂層的質(zhì)量和壽命睡硫≌蹩埃”
   
　　甚至像涂層顏色這種表面看來似乎無關(guān)緊要的因素也可以對刀具性能的改善起到重要作用。Valenite公司的Hoefler指出趣闹，使用彩色刀片已成為刀具市場的一種趨勢豁惨，涂層顏色也可以增加刀具的使用價值。

他說箍负，“我們根據(jù)用戶對高效刀具的反饋意見烂辟，推出了專門為汽車制造行業(yè)開發(fā)的黑灰雙色涂層牌號。后刀面的灰色涂層可使操作者在汽車制造廠常見的照明不足的工作環(huán)境下看清用過的切削刃麦回。前刀面的黑色涂層具有超光滑表面哨叙，可減少刀片因粘結(jié)磨損而失效的情況＄突眩”
   
CVD金剛石涂層研究成果
   
　　經(jīng)過高校和企業(yè)的多年研究抒倚，用CVD工藝生產(chǎn)金剛石薄膜涂層在1994年成為現(xiàn)實褐着。在當(dāng)年的IMTS展會上，幾家主要刀具制造商在新產(chǎn)品發(fā)布會上宣布了這一激動人心的消息托呕。從那時起含蓉，這種涂層技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟性上都取得了巨大進步。
   
　　近年來项郊，金剛石薄膜涂層還獲得了一些重要發(fā)展馅扣。Diamond Tool Coating公司總裁Roger Bollier說，“雖然我們所用的涂層材料仍然是具備了天然金剛石所有特性的100％人造聚晶金剛石着降，但我們的涂層產(chǎn)品已從2001年最初生產(chǎn)的單層PCD涂層發(fā)展到如今生產(chǎn)的多層納米晶粒金剛石涂層差油。”多層納米晶粒金剛石增強了涂層的斷裂韌性任洞，亞微米晶粒的細顆粒結(jié)構(gòu)使刀具切削刃表面更光滑蓄喇，加工出的工件表面光潔度更好，Bollier說侈咕⊙∏常“由于多層結(jié)構(gòu)金剛石涂層的每一層都可起到屏障作用，阻止裂紋在涂層中進一步擴散庇讥，因此其抗裂性更好尚技，使涂層具有更高的強度，并有助于改善涂層在切削刃上的保持性润沸，因為在切削難加工材料或進行斷續(xù)切削時潭耙，切削刃需要承受劇烈的機械沖擊≡锕浚”
   
PVD涂層技術(shù)的發(fā)展


　PVD涂層于25年前問世后就成功取代了某些CVD涂層都宅。由于PVD工藝溫度較低，因此能應(yīng)用于高速鋼等熱敏感刀具材料朦晋。PVD工藝還擴大了可涂層刀具的范圍愧橄。如今，PVD和CVD涂層工藝具有很好的互補性周狱，各自都有其重點刀具涂層應(yīng)用領(lǐng)域瘪期。人們還常常采用CVD/PVD復(fù)合涂層工藝，用CVD工藝沉積底層涂層（可以是多層）稿辙，而用PVD工藝沉積更光滑昆码、更細致的頂層涂層（也可以是多層）。
   
　　近年來邻储，PVD涂層的開發(fā)熱點主要集中在新的結(jié)構(gòu)成分赋咽、納米結(jié)構(gòu)涂層和PVD Al2O3涂層。Balzers公司的Quinto說吨娜，用PVD工藝生產(chǎn)的AlTiN涂層被譽為是僅次于Al2O3的“第二種最佳涂層”脓匿。但直至不久以前淘钟，Al2O3涂層的商業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)一直只能通過CVD工藝來實現(xiàn)。制備這種不導(dǎo)電的氧化鋁涂層對于PVD工藝是一種挑戰(zhàn)亦镶，因為事實證明要用PVD工藝沉積出正確的涂層結(jié)構(gòu)相當(dāng)困難日月。
   
　　IonBond公司的Horsfall指出袱瓮，含有硅等材料以及采用新的納米材料制備技術(shù)的PVD涂層刀具性能優(yōu)異缤骨，能勝任新型高性能機床的高速切削（包括干式或準(zhǔn)干式切削）。
   
　　雖然多年來不斷推出了各種PVD涂層與傳統(tǒng)的CVD涂層相互競爭尺借，但由于存在上述沉積工藝難題绊起，PVD Al2O3涂層始終是一個例外。 直到不久前燎斩，德國Walter AG公司才在2005漢諾威EMO展覽會上展出了用于加工高硬度箩晦、高磨蝕性工件材料的PVD Al2O3涂層硬質(zhì)合金刀片。
   
新型納米結(jié)構(gòu)涂層
   
　　關(guān)于納米技術(shù)產(chǎn)品（其材料尺度在100nm以下）有著各種各樣的說法树吏，其中既有理性的討論淀甘，也不乏欺騙性的宣傳。其實漫介，許多CVD和PVD薄膜涂層已經(jīng)達到了“納米”水平风镊，因為它們的厚度在1～10μm之間。但是赏碑，分辨率更高的新型儀器設(shè)備使人們可以對尺寸更微小的納米級晶粒進行更好的測量和控制满颂。
   
　　采用納米涂層技術(shù)的關(guān)鍵因素在于產(chǎn)品的性能，而不在于產(chǎn)品的尺度射愧。因此矛熬，不應(yīng)將納米涂層技術(shù)僅僅看作是一個尺寸范圍，更重要的是尋找可使涂層特性發(fā)生突變的臨界點卓俱，這種特性變化可以顯著改善涂層性能鳖群，例如能消除會成為刀具涂層失效機理的內(nèi)在缺陷，而這些失效機理會導(dǎo)致涂層開裂和刀具應(yīng)力庶艾。
   
　　例如袁余，Kennametal公司開發(fā)了一種具有“納米晶粒”的PVD TiAlN涂層刀片落竹，據(jù)說該刀片能承受更高的切削速度泌霍，增強了耐磨性，而且具有更大的涂層附著力述召。
   
　　Balzers公司的Quinto說：“納米復(fù)合涂層中的納米層極薄朱转，只有用高分辨力的電子顯微鏡才能成像觀察。刀具以較高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)积暖，不斷進出于安裝在沉積室壁的涂層靶源的可達沉積區(qū)藤为，就形成了平行于刀具基體表面的納米層怪与。所以單層納米層的厚度減小到10～20nm，代替了約200nm厚的多層涂層缅疟》直穑”
   
　　材料科學(xué)家一直將PVD視為原子水平的沉積工藝，它是采用一個原子接一個原子的沉積方式存淫，將無數(shù)等離子氣相離子轉(zhuǎn)化為固體涂層耘斩。PVD涂層本身就具有納米結(jié)構(gòu)，它決定了PVD涂層的各種特性（如納米硬度游隅、殘余應(yīng)力圈喻、微斷裂韌性、涂層黏附強度等）必須按準(zhǔn)原子級現(xiàn)象來進行理論分析腊的、研究和闡釋爸见。PVD納米涂層刀具的用戶可以重溫一下這些理論，以便更好地理解這種薄涂層在加工中有時顯得不可思議的優(yōu)異性能敷裁。
   
基體和涂層制備技術(shù)
   
　　在涂層化學(xué)和涂層技術(shù)成為研究開發(fā)熱點的同時应攘，改善涂層刀具性能的另一個關(guān)鍵因素是涂層前和涂層后的基體制備技術(shù)。


　　Niagara Cutter公司的Bollier稱泌景，“刀具制造商普遍都十分關(guān)注刀具設(shè)計的完整性轧翘，包括刀具基體、幾何形狀和涂層的設(shè)計甜海「楸蓿”但是，涂層技術(shù)中又包含了許多不同的選項饵来，包括清洗技術(shù)（涂層黏附力）恢恼、表面制備（切削刃的制備/鈍化）、涂層特性（化學(xué)合成胰默、涂層各層結(jié)構(gòu)和涂層厚度）和涂層后的拋光處理场斑。“提高刀具性能和改善工件表面質(zhì)量的機遇直接來自于這些新的精巧技術(shù)牵署÷┮”
   
　　Valenite公司的Hoefler補充道，“或許可以說奴迅，最近十年來涂層技術(shù)進步最大的領(lǐng)域并非是應(yīng)用工藝青责，而是對涂層刀片的后處理技術(shù)，在某些情況下取具，它能使刀片加工性能提高2倍脖隶。”Hoefler解釋說，一些刀具制造商已開發(fā)出針對局部涂層特性的專有處理技術(shù)产阱。例如婉称，涂層表面平滑技術(shù)可以減少因軟材料黏附到刀具上引起的粘結(jié)失效（通常稱為積屑瘤）和增加涂層強度。通過增大涂層的壓縮強度（類似于噴丸處理的效果）构蹬，可以抵消切削金屬時產(chǎn)生的拉伸載荷甩幔，從而延長刀具壽命。
   
　　另一種涂層前處理技術(shù)——切削刃精細化技術(shù)能改善涂層的均勻性和刀具切削刃的機械性能祠喻。通過對切削刃進行涂層前的預(yù)處理栽乘，可以獲得具有所需幾何形狀的高質(zhì)量平滑切削刃。例如克干，涂前預(yù)處理可將難以涂層的死角處理為較易涂層的圓弧拐角反狞。由于大部分刀片失效都始于切削刃珠焦，因此通過對切削刃進行有針對性的專門處理以防止刀片失效讽噪，能有效提高生產(chǎn)效率。
   
　　Sandvik Coromant公司開發(fā)了一種涂層刀片后處理專利技術(shù)股背，這種涂層刀片被稱為“新一代刀片”渠吮。該工藝包括對切削刃進行輕微拋光，更重要的是可以減小涂層中的殘余應(yīng)力痹橙。該公司稱僻绸，通過提高涂層強度、降低產(chǎn)生粘結(jié)和積屑瘤（BUE）的傾向涕克，改善了刀具的切削性能蛀醉。
   
　　Seco-Carboloy公司采用了不同的方法來改進涂層性能。Graham說衅码，“在刀具行業(yè)拯刁，許多公司都按某種標(biāo)準(zhǔn)對刀片切削刃進行拋光，我們公司也采用這種措施逝段，其作用之一是去除涂層中的微小缺陷垛玻。當(dāng)然，拋光處理還能改善涂層的平滑性奶躯，減小殘余應(yīng)力和與切屑的摩擦帚桩。但是，如果能從源頭上消除涂層缺陷豈不是更好嘹黔？”為此账嚎，Seco-Carboloy公司將注意力集中在改善多層涂層體系中各層涂層的結(jié)構(gòu)完整性上。與單層涂層不同儡蔓，堅固的多層涂層能阻斷切削過程中刀具所受的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力影響郭蕉。
   
　　為了滿足終端用戶的需求，正在不斷開發(fā)出新的工件材料、刀具基體和刀具設(shè)計方案恳不。不斷變化的工件材料褥辰、不斷提高的工件精度以及為超高速加工而購置的新型加工機床都將影響刀具涂層技術(shù)的發(fā)展方向。

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