1 刀具涂層

    慧聰表面處理網(wǎng)：刀具表面涂層技術(shù)是應(yīng)市場(chǎng)需求而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)優(yōu)質(zhì)表面改性技術(shù)，由于該項(xiàng)技術(shù)可使切削刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，不僅可有效地提高刀具使用壽命，而且還能大幅度地提高機(jī)械加工效率，因此該項(xiàng)技術(shù)已與材料、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(jī)械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各國(guó)都十分注重涂層技術(shù)的發(fā)展。目前我國(guó)刀具涂層技術(shù)的發(fā)展正處在一個(gè)十分關(guān)鍵的時(shí)刻，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；另一方面國(guó)內(nèi)各大工具廠涂層設(shè)備已到了必須更新?lián)Q代的時(shí)期，因此有計(jì)劃、按步驟的發(fā)展PVD技術(shù)，不僅能促進(jìn)我國(guó)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(jì)效益和社會(huì)效益。

    2 國(guó)際刀具涂層技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

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

    2.1 國(guó)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(lái)，在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具上得到了極為廣泛的應(yīng)用。在CVD工藝中，氣相沉積所需金屬源的制備相對(duì)容易，可實(shí)現(xiàn)TiN、 TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復(fù)合涂層，其涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，薄膜厚度可達(dá)7～9μm，相對(duì)而言，CVD涂層具有更好的耐磨性。八十年代中后期，美國(guó)85%的硬質(zhì)合金工具采用了涂層處理，其中CVD涂層占到了99%；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。但CVD工藝也有其先天性的缺陷，一是工藝處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強(qiáng)度的下降；二是薄膜內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，使用中易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生；三是CVD工藝所排放的廢氣、廢液會(huì)造成工業(yè)污染，對(duì)環(huán)境影響較大，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。

    八十年代末Krupp Widia開(kāi)發(fā)的PCVD(低溫化學(xué)氣相沉積)技術(shù)達(dá)到了實(shí)用水平，其工藝處理溫度已降至450℃～650℃，有效地抑制了η相的產(chǎn)生，可進(jìn)行TiN、TiCN、TiC等涂層，用于螺紋刀具、銑刀、模具等，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。

    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(jī)物乙腈(CH3CN)為主要反應(yīng)氣體和TiCL4、H2、N2在700～900℃下產(chǎn)生分解、化學(xué)反應(yīng)，生成TiCN的一種新方法，可獲得致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)的涂層，涂層厚度可達(dá)8～10μm。這種涂層結(jié)構(gòu)具有極高的耐磨損性、抗熱震性及韌性，并可通過(guò)HT-CVD(高溫化學(xué)氣相沉積)工藝技術(shù)在表層沉積上Al2O3、TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤(rùn)滑性能好的材料。MT- CVD涂層刀片適合于高速、高溫、大負(fù)荷、干式切削條件下使用，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(lái)看，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，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(shí)現(xiàn)的，因此在干式切削加工中，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，由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下，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，所以該項(xiàng)技術(shù)在八十年代得到迅速推廣應(yīng)用。八十年代末工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家復(fù)雜高速鋼刀具PVD涂層比例已超過(guò)了60%。

    PVD技術(shù)在高速鋼刀具領(lǐng)域的成功應(yīng)用，引起了世界各國(guó)的高度重視，人們?cè)诟?jìng)相開(kāi)發(fā)高性能、高可靠性涂層設(shè)備的同時(shí)，也對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大進(jìn)行了更加深入的研究，尤其是在硬質(zhì)合金、陶瓷類刀具領(lǐng)域中的應(yīng)用。與CVD工藝相比，PVD工藝處理溫度低，在600℃以下對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度沒(méi)有影響(見(jiàn)表1試驗(yàn)結(jié)果)；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；PVD工藝對(duì)環(huán)境沒(méi)有不利影響，符合目前綠色工業(yè)的發(fā)展方向；此外，隨著高速切削加工時(shí)代的到來(lái)，高速鋼刀具應(yīng)用比例的下降，硬質(zhì)合金、陶瓷刀具應(yīng)用比例的上升已成為必然，因此工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家自九十年代初就開(kāi)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，硬質(zhì)合金刀具PVD涂層技術(shù)已取得了突破性的進(jìn)展，并普遍用于硬質(zhì)合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉(zhuǎn)位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。

    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(qiáng)度，涂層成分也由第一代的TiN發(fā)展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、 TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多種多元復(fù)合涂層，且由于納米級(jí)涂層的出現(xiàn)(見(jiàn)圖2、3ZX涂層，即TiN-AlN涂層)，使得 PVD涂層刀具質(zhì)量又有了新的突破，這種薄膜涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好，并可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度，在進(jìn)行高精度加工時(shí)，其加工精度毫不遜色于未涂層刀具。

                            平均抗彎強(qiáng)度(MPa)

    硬質(zhì)合金牌號(hào)  未涂層  涂層(300℃)  涂層(600℃)  涂層(700℃)

     M20         2109     2266        2129        2059

     M30         2285     2469        2370        1894

表1 不同溫度下PVD涂層對(duì)硬質(zhì)合金材料抗彎強(qiáng)度的影響⑴

    從目前涂層技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，由于單一涂層材料無(wú)法滿足對(duì)刀具綜合機(jī)械性能的要求，現(xiàn)已難以被市場(chǎng)所接受，涂層成分向多元化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)；為滿足不同的切削加工要求，涂層成分會(huì)更為復(fù)雜、更具針對(duì)性；每單層成分也會(huì)越來(lái)越薄，并逐步趨于納米化；涂層溫度會(huì)愈來(lái)愈低；刀具涂層工藝則會(huì)向更合理方向發(fā)展，預(yù)計(jì)PVD、MT-CVD工藝將會(huì)成為主流。

    序號(hào)   時(shí)間       涂層成分       涂層方法     主要應(yīng)用領(lǐng)域

     1    1968年    TiC、TiN         CVD      硬質(zhì)合金刀具、模具涂層

     2    1973年    TiCN、TiC+Al2O3  CVD      硬質(zhì)合金刀具、模具涂層

     3    1979年    TiN              PVD      高速鋼刀具涂層

     4    1981年    TiC+Al2O3+TiN、  CVD       硬質(zhì)合金刀具涂層     

                    Al-O-N

     5    1982年    TiCN            MT-CVD    硬質(zhì)合金刀具涂層

     6    1984年    TiCN             PVD      硬質(zhì)合金、高速鋼銑刀、鉆頭類刀具涂層

   7    1986年    Diamond、CBN    CVD、PVD   硬質(zhì)合金刀具涂層

     8    1989年    TiAlN            PVD       硬質(zhì)合金銑刀類涂層用于鋼、鑄鐵加工

     9    1990年    TiN、TiCN、TiCP   CVD       用于模具、螺紋刀具、銑刀等

     10   1991年    TiAlN+CrC        PVD        車、銑削鈦合金

     11   1993年    TiN+TiCN(CVD)+TiN(PVD) CVD+PVD 硬質(zhì)合金銑削類刀具

     12   1993年    CrN               PVD       用于鈦合金、銅合金加工

     13   1994年    MoS2              PVD       用于高速鋼復(fù)雜刀具涂層

     14   1995年    TiN-AlN           PVD       硬質(zhì)合金銑刀片涂層

     15   1996年   厚膜纖維狀TiCN    MT-CVD     硬質(zhì)合金車削類刀具涂層 粗 半精加工

16   1996年    CNx             CVD、PVD    已可用于高速鋼刀具涂層

     17   2000年    TiAlCN            PVD       硬質(zhì)合金刀片涂層

表2 主要涂層工藝發(fā)展時(shí)段及應(yīng)用領(lǐng)域

    3 我國(guó)刀具涂層技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

    3.1 我國(guó)CVD技術(shù)的發(fā)展

    我國(guó)CVD涂層技術(shù)的研究起源于七十年代初，由于該項(xiàng)技術(shù)的專用性強(qiáng)，國(guó)內(nèi)從事其研究的單位并不太多。八十年代中期國(guó)內(nèi)CVD刀具涂層技術(shù)達(dá)到實(shí)用化，其工藝技術(shù)與國(guó)際水平相當(dāng)；在隨后十多年里與國(guó)際上的發(fā)展類似，較為緩慢；九十年代末期，國(guó)內(nèi)開(kāi)始MT-CVD的研究工作，預(yù)計(jì)該項(xiàng)工藝及裝備的研究工作2001年內(nèi)可以完成，屆時(shí)設(shè)備及工藝技術(shù)將達(dá)到目前國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)PCVD技術(shù)的研究始于九十年代初，該項(xiàng)工藝技術(shù)主要應(yīng)用于模具涂層，在刀具領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，目前也還不十分廣泛。總體上講，國(guó)內(nèi)CVD技術(shù)與國(guó)際水平相差不大，如果MT-CVD技術(shù)開(kāi)發(fā)成功，整體技術(shù)將會(huì)與國(guó)際先進(jìn)水平保持同步。

    3.2 我國(guó)PVD技術(shù)的發(fā)展

    我國(guó)PVD涂層技術(shù)的研發(fā)工作始于八十年代初，八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機(jī)及高速鋼刀具TiN涂層工藝技術(shù)。與此同時(shí)，由于對(duì)刀具涂層市場(chǎng)前景的看好，國(guó)內(nèi)大型工具廠有七家引進(jìn)了大型PVD涂層設(shè)備，并均以高速鋼TiN涂層工藝為主。進(jìn)口技術(shù)及設(shè)備的引進(jìn)，調(diào)動(dòng)了國(guó)內(nèi)PVD技術(shù)的開(kāi)發(fā)熱潮，國(guó)內(nèi)各大真空獲得設(shè)備廠及眾多的科研單位紛紛展開(kāi)了大型離子鍍膜機(jī)的研制工作，并于九十年代初開(kāi)發(fā)出多種PVD設(shè)備。但由于大多數(shù)的設(shè)備性能指標(biāo)差，刀具涂層工藝無(wú)法保證，再加上預(yù)期的市場(chǎng)效益也未能實(shí)現(xiàn)，致使大多數(shù)單位放棄了PVD刀具涂層技術(shù)進(jìn)一步的研究工作，因此導(dǎo)致近十年里國(guó)內(nèi)刀具PVD涂層技術(shù)處于徘徊不前的局面。盡管九十年代末國(guó)內(nèi)成功開(kāi)發(fā)出了硬質(zhì)合金TiN-TiCN-TiN 多元復(fù)合涂層工藝技術(shù)，并達(dá)到了實(shí)用水平，CNx涂層技術(shù)也有了重大突破，但與國(guó)際水平相比，我國(guó)刀具PVD涂層技術(shù)大概落后了十年左右。目前國(guó)外刀具 PVD技術(shù)已發(fā)展到了第四代，而國(guó)內(nèi)尚處于第二代的水平，且仍以單層TiN涂層為主。