國內(nèi)外切削刀具涂層技術(shù)的發(fā)展綜述
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切削刀具表面涂層技術(shù)是近幾十年應(yīng)市場需求發(fā)展起來的材料表面改性技術(shù)。采用涂層技術(shù)可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，從而大幅度提高機(jī)械加工效率。因此，涂層技術(shù)與材料、切削加工工藝一起并稱為切削刀具制造領(lǐng)域的三大關(guān)鍵技術(shù)。為滿足現(xiàn)代機(jī)械加工對高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各國制造業(yè)對涂層技術(shù)的發(fā)展及其在刀具制造中的應(yīng)用日益重視。我國的刀具涂層技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，目前正處于關(guān)鍵時(shí)期，即原有技術(shù)已不能滿足切削加工日益提高的要求，國內(nèi)各大工具廠的涂層設(shè)備也到了必須更新?lián)Q代的時(shí)期。因此，充分了解國內(nèi)外刀具涂層技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，瞄準(zhǔn)國際涂層技術(shù)先進(jìn)水平，有計(jì)劃、按步驟地發(fā)展刀具涂層技術(shù)（尤其是pvd技術(shù)），對于提高我國切削刀具制造水平具有重要意義。 2．國外刀具涂層技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 刀具涂層技術(shù)通常可分為化學(xué)氣相沉積（cvd）技術(shù)和物理氣相沉積（pvd）技術(shù)兩大類，分別評述如下。 2.1 國外cvd技術(shù)的發(fā)展 二十世紀(jì)六十年代以來，cvd技術(shù)被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具的表面處理。由于cvd工藝氣相沉積所需金屬源的制備相對容易，可實(shí)現(xiàn)tin、tic、ticn、tibn、tib2、al2o3等單層及多元多層復(fù)合涂層的沉積，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高，薄膜厚度可達(dá)7～9μm，因此到八十年代中后期，美國已有85%的硬質(zhì)合金工具采用了表面涂層處理，其中cvd涂層占到99%；到九十年代中期，cvd涂層硬質(zhì)合金刀片在涂層硬質(zhì)合金刀具中仍占80%以上。 盡管cvd涂層具有很好的耐磨性，但cvd工藝亦有其先天缺陷：一是工藝處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強(qiáng)度下降；二是薄膜內(nèi)部呈拉應(yīng)力狀態(tài)，易導(dǎo)致刀具使用時(shí)產(chǎn)生微裂紋；三是cvd工藝排放的廢氣、廢液會(huì)造成較大環(huán)境污染，與目前大力提倡的綠色制造觀念相抵觸，因此自九十年代中期以來，高溫cvd技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到一定制約。 八十年代末，krupp.widia開發(fā)的低溫化學(xué)氣相沉積（pcvd）技術(shù)達(dá)到了實(shí)用水平，其工藝處理溫度已降至450～650℃，有效抑制了η相的產(chǎn)生，可用于螺紋刀具、銑刀、模具的tin、ticn、tic等涂層，但迄今為止，pcvd工藝在刀具涂層領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛。九十年代中期，中溫化學(xué)氣相沉積（mt-cvd）新技術(shù)的出現(xiàn)使cvd技術(shù)發(fā)生了革命性變革。mt-cvd技術(shù)是以含c/n的有機(jī)物乙腈（ch3cn）作為主要反應(yīng)氣體、與ticl4、h2、n2在700～900℃下產(chǎn)生分解、化學(xué)反應(yīng)生成ticn的新工藝。采用mt-cvd技術(shù)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)具有極高的耐磨性、抗熱震性及韌性，并可通過高溫化學(xué)氣相沉積（ht-cvd）工藝在刀片表面沉積al2o3、tin等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料。mt-cvd涂層刀片適于在高速、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一倍左右。目前，cvd（包括mt-cvd）技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金車削類刀具的表面涂層，涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用cvd技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)α-al2o3涂層，這是pvd技術(shù)目前難以實(shí)現(xiàn)的，因此在干式切削加工中，cvd涂層技術(shù)仍占有極為重要的地位。 2.2 國外pvd技術(shù)的發(fā)展 pvd技術(shù)出現(xiàn)于二十世紀(jì)七十年代末，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。由于采用pvd工藝可大幅度提高高速鋼刀具的切削性能，所以該技術(shù)自八十年代以來得到了迅速推廣，至八十年代末，工業(yè)發(fā)達(dá)國家高速鋼復(fù)雜刀具的pvd涂層比例已超過60%。 pvd技術(shù)在高速鋼刀具領(lǐng)域的成功應(yīng)用引起了世界各國制造業(yè)的高度重視，人們在競相開發(fā)高性能、高可靠性涂層設(shè)備的同時(shí)，也對其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展尤其是在硬質(zhì)合金、陶瓷類刀具中的應(yīng)用進(jìn)行了更加深入的研究。研究結(jié)果表明：與cvd工藝相比，pvd工藝處理溫度低，在600℃以下時(shí)對刀具材料的抗彎強(qiáng)度無影響（試驗(yàn)結(jié)果見表1）；薄膜內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，更適于對硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層；pvd工藝對環(huán)境無不利影響，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向。隨著高速切削加工時(shí)代的到來，高速鋼刀具應(yīng)用比例逐漸下降、硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具應(yīng)用比例上升已成必然趨勢，因此，工業(yè)發(fā)達(dá)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，至九十年代中期取得了突破性進(jìn)展，pvd涂層技術(shù)已普遍應(yīng)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。 表1 不同溫度下pvd涂層對硬質(zhì)合金材料抗彎強(qiáng)度的影響 硬質(zhì)合金牌號-平均抗彎強(qiáng)度(mpa)-未涂層-涂層(300℃)-涂層(600℃)-涂層(700℃) m20－2109－2266－2129－2059 m30－2285－2469－2370－1894 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)展為tic、ticn、zrn、crn、mos2、tialn、tialcn、tin-aln、cnx等多元復(fù)合涂層。zx涂層（即tin-aln 涂層）等納米級涂層的出現(xiàn)使pvd涂層刀具的性能有了新突破。這種新涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，涂層膜硬度接近c(diǎn)bn，抗氧化性能好，抗剝離性強(qiáng)，而且可顯著改善刀具表面粗糙度，有效控制精密刀具的刃口形狀及精度，其精密加工質(zhì)量與未涂層刀具相比毫不遜色。 經(jīng)過幾十年的研究和開發(fā)，各種刀具涂層工藝已廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金和高速鋼切削刀具。涂層工藝的主要發(fā)展階段及應(yīng)用領(lǐng)域見表2。 表2 主要涂層工藝發(fā)展時(shí)段及應(yīng)用領(lǐng)域 時(shí)間－涂層成分－涂層方法－主要應(yīng)用領(lǐng)域 1968年－tic、tin－cvd－硬質(zhì)合金刀具、模具涂層 1973年－ticn、tic+al2o3－cvd－硬質(zhì)合金刀具、模具涂層 1979年－tin－pvd－高速鋼刀具涂層 1981年－tic+al2o3+tin、al-o-n－cvd－硬質(zhì)合金刀具涂層 1982年－ticn－mt-cvd－硬質(zhì)合金刀具涂層 1984年－ticn－pvd－硬質(zhì)合金、高速鋼銑刀、鉆頭類刀具涂層 1986年－diamond、cbn－cvd、pvd－硬質(zhì)合金刀具涂層 1989年－tialn－pvd－硬質(zhì)合金銑刀類涂層（用于鋼、鑄鐵加工） 1990年－tin、ticn、tic－pcvd－模具、螺紋刀具、銑刀等 1991年－tialn+crc－pvd－車、銑削鈦合金 1993年－tin+ticn（cvd）+tin（pvd）－cvd+pvd－硬質(zhì)合金銑削類刀具 1993年－crn－pvd－鈦合金、銅合金加工 1994年－mos2－pvd－高速鋼復(fù)雜刀具涂層 1995年－tin-aln－pvd－硬質(zhì)合金銑刀片涂層 1996年－厚膜纖維狀ticn－mt-cvd－硬質(zhì)合金車削類刀具涂層（用于粗、半精加工） 1996年－cnx－cvd、pvd－高速鋼刀具涂層 2000年－tialcn－pvd－硬質(zhì)合金刀片涂層 當(dāng)前世界涂層技術(shù)的發(fā)展具有以下趨勢：由于單一涂層材料難以滿足提高刀具綜合機(jī)械性能的要求，因此涂層成分將趨于多元化、復(fù)合化；為滿足不同的切削加工要求，涂層成分將更為復(fù)雜、更具針對性；在復(fù)合涂層中，各單一成分涂層的厚度將越來越薄，并逐步趨于納米化；涂層工藝溫度將越來越低，刀具涂層工藝將向更合理的方向發(fā)展，預(yù)計(jì)pvd、mt-cvd工藝將成為主流技術(shù)。 3 我國刀具涂層技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 3.1 我國cvd技術(shù)的發(fā)展 我國從二十世紀(jì)七十年代初開始研究cvd涂層技術(shù)，由于該項(xiàng)技術(shù)專用性較強(qiáng)，國內(nèi)從事研究的單位并不多。八十年代中期，我國cvd刀具涂層技術(shù)的開發(fā)達(dá)到實(shí)用化水平，工藝技術(shù)水平與當(dāng)時(shí)的國際水平相當(dāng)，但在隨后的十多年里發(fā)展較為緩慢（與國外研究狀況類似）；九十年代末期，我國開始mt-cvd技術(shù)的研發(fā)工作，mt-cvd工藝及裝備的研究開發(fā)預(yù)計(jì)可在2001年內(nèi)基本完成，根據(jù)研究目標(biāo)，工藝技術(shù)及設(shè)備將達(dá)到當(dāng)前國際先進(jìn)水平；我國pcvd技術(shù)的研究始于九十年代初，pcvd工藝技術(shù)主要用于模具涂層，目前在切削刀具領(lǐng)域的應(yīng)用還十分有限�？傮w而言，國內(nèi)cvd 技術(shù)的總體發(fā)展水平與國際水平差距不大，待mt-cvd技術(shù)開發(fā)成功，我國在刀具cvd涂層領(lǐng)域的整體水平將可與國際先進(jìn)水平基本保持同步。 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期，至八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機(jī)，并開發(fā)了高速鋼刀具tin涂層工藝技術(shù)。在此期間，由于對切削刀具涂層市場前景看好，國內(nèi)共有七家大型工具廠從國外引進(jìn)了大型pvd涂層設(shè)備（均以高速鋼tin涂層工藝為主）。技術(shù)及設(shè)備的引進(jìn)調(diào)動(dòng)了國內(nèi)pvd技術(shù)的開發(fā)熱潮，許多科研單位和各大真空設(shè)備廠紛紛展開了大型離子鍍膜機(jī)的研制工作，并于九十年代初開發(fā)出多種pvd涂層設(shè)備。但由于多數(shù)設(shè)備性能指標(biāo)不高，無法保證刀具涂層質(zhì)量，同時(shí)預(yù)期的市場效益未能實(shí)現(xiàn)，因此大多數(shù)企業(yè)未對pvd刀具涂層技術(shù)作進(jìn)一步深入研究，導(dǎo)致近十年國內(nèi)pvd刀具涂層技術(shù)的發(fā)展徘徊不前。盡管九十年代末國內(nèi)成功開發(fā)出硬質(zhì)合金tin-ticn-tin多元復(fù)合涂層工藝技術(shù)并達(dá)到實(shí)用水平，cnx涂層技術(shù)的研發(fā)也有重大突破，但與國際發(fā)展水平相比，我國的刀具pvd涂層技術(shù)仍落后十年左右。目前國外刀具pvd涂層技術(shù)已發(fā)展到第四代，而國內(nèi)尚處于第二代水平，且仍以單層tin涂層為主。 4 我國刀具pvd 涂層技術(shù)發(fā)展的問題與對策 4.1 問題分析 與國外相比，我國刀具pvd涂層技術(shù)的研究和開發(fā)起步并不太晚，而且在發(fā)展初期大量引進(jìn)了當(dāng)時(shí)國際上最先進(jìn)的各類涂層設(shè)備，八十年代后期國產(chǎn)涂層設(shè)備也得到了迅速發(fā)展，但該項(xiàng)技術(shù)真正廣泛應(yīng)用于高速鋼刀具卻是在九十年代中期。到目前為止，雖然國內(nèi)對硬質(zhì)合金刀具ticn涂層的研究已取得突破，但國內(nèi)市場的涂層產(chǎn)品仍以tin涂層為主。分析其原因，可歸納為以下幾點(diǎn)： （1）前期集中引進(jìn)對國內(nèi)pvd技術(shù)后續(xù)發(fā)展的影響 八十年代中期國外pvd技術(shù)及裝備的集中引進(jìn)雖然使我國發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)有了一個(gè)高起點(diǎn)，同時(shí)也解決了高速鋼刀具的涂層問題，但由于引進(jìn)設(shè)備的廠家都是國內(nèi)的刀具生產(chǎn)骨干企業(yè)（其刀具產(chǎn)品的國內(nèi)市場占有率很高），這些先進(jìn)涂層設(shè)備的引進(jìn)在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)已可滿足這些企業(yè)的生產(chǎn)要求，因此對國產(chǎn)pvd技術(shù)和設(shè)備的需求不太強(qiáng)烈，這在一定程度上影響了國產(chǎn)pvd設(shè)備在刀具制造領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展；另一方面，八十年代中期pvd技術(shù)還處于發(fā)展初期，隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展，進(jìn)入九十年代后新技術(shù)層出不窮，這些企業(yè)早期引進(jìn)的技術(shù)亟待更新，但昂貴的價(jià)格使企業(yè)很難再次引進(jìn)新技術(shù)和新設(shè)備，國內(nèi)也因此錯(cuò)失了發(fā)展提高pvd技術(shù)的最佳時(shí)期。 （2）對新工藝的研發(fā)重視不夠 盡管八十年代國內(nèi)引進(jìn)了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的pvd技術(shù)，但當(dāng)時(shí)pvd技術(shù)尚處于發(fā)展初期，國內(nèi)對其后續(xù)發(fā)展空間及發(fā)展速度無法充分估計(jì)；此外，物理涂層技術(shù)是集電子物理、材料、真空控制技術(shù)于一體的新型技術(shù)，在研究、生產(chǎn)、應(yīng)用等方面對人員配置有較高要求，而大部分引進(jìn)pvd技術(shù)的企業(yè)偏重生產(chǎn)，對開發(fā)人員及資金配置不足，難以推動(dòng)工藝技術(shù)的進(jìn)一步自主開發(fā)，新工藝、新技術(shù)仍需再引進(jìn)，而再引進(jìn)的費(fèi)用十分昂貴（如balzers公司的設(shè)備從tin涂層工藝升級為ticn涂層工藝，僅硬件改造費(fèi)即需30萬美元），因此影響了國內(nèi)涂層技術(shù)新工藝和裝備的研發(fā)。 （3）國產(chǎn)設(shè)備開發(fā)缺乏統(tǒng)一性、合理性及協(xié)作性 八十年代后期，國內(nèi)一些真空設(shè)備制造廠及科研單位對pvd刀具涂層市場過于樂觀，紛紛加大各類pvd涂層設(shè)備的開發(fā)力度，但由于缺乏對切削工藝及刀具涂層工藝的深入了解，與工具廠合作不夠，因此開發(fā)的涂層設(shè)備大多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(dá)不到批量生產(chǎn)水平。由于此類設(shè)備大多只能用于麻花鉆的涂層，而麻花鉆涂層費(fèi)用極低，相應(yīng)涂層設(shè)備的利潤也很低，因此到九十年代以后，大部分真空設(shè)備制造廠已把發(fā)展方向轉(zhuǎn)向其它行業(yè)（如裝飾涂層等）。 （4）售后服務(wù)欠缺制約了國產(chǎn)涂層設(shè)備的推廣應(yīng)用 迄今為止，國內(nèi)大部分涂層設(shè)備生產(chǎn)廠還不能提供完整的刀具涂層工藝技術(shù)（包括前處理工藝、涂層工藝、涂后處理工藝、檢測技術(shù)、涂層刀具應(yīng)用技術(shù)等），這種技術(shù)不完整性給用戶的生產(chǎn)帶來許多技術(shù)問題；此外，由于設(shè)備生產(chǎn)廠不能提供長期技術(shù)服務(wù)，導(dǎo)致國產(chǎn)涂層設(shè)備難以保證長時(shí)期穩(wěn)定、正常使用，從而極大限制了pvd涂層設(shè)備的推廣應(yīng)用。 （5）涂層質(zhì)量不穩(wěn)定制約了涂層技術(shù)的推廣應(yīng)用 引進(jìn)設(shè)備的高昂成本導(dǎo)致涂層價(jià)格居高不下，涂層費(fèi)用甚至可超過刀具價(jià)格的50%；由于引進(jìn)渠道不一，設(shè)備選擇依據(jù)不同，導(dǎo)致設(shè)備工藝水平相差較大，影響了涂層刀具的使用效果；由于國產(chǎn)涂層刀具質(zhì)量不穩(wěn)定，涂層刀具檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不完備，因此在應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)造成了涂層價(jià)格高、涂層質(zhì)量不穩(wěn)定且涂層后刀具性能改善不明顯的不良印象，嚴(yán)重影響了刀具涂層技術(shù)的推廣應(yīng)用和快速發(fā)展。 （6）國內(nèi)機(jī)械加工水平不高制約了涂層技術(shù)的快速發(fā)展 在二十世紀(jì)八十年代，我國數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用還十分有限，機(jī)械加工仍處于較低水平，高速鋼刀具的應(yīng)用占全部刀具的80%以上，硬質(zhì)合金刀具仍以焊接刀具為主，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、鉆頭、鉸刀等應(yīng)用較少，因此對pvd硬質(zhì)合金刀具涂層的要求并不十分迫切，這在一定程度上也影響了涂層技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 4.2 對策建議 隨著我國汽車、航空、航天、重機(jī)等工業(yè)的發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床的迅速普及，我國機(jī)械加工技術(shù)正朝著高速加工、綠色制造的方向發(fā)展，高速滾齒、高速銑削以及干式切削工藝的應(yīng)用對刀具涂層技術(shù)提出了更高要求。以齒輪高速滾削加工為例，先進(jìn)的工藝需要采用滾刀mos2軟涂層技術(shù)，與tin涂層相比，使用壽命可提高一倍以上。在高速銑削加工中，硬質(zhì)合金銑削類刀具多選用tialn、tialcn 或tinaln涂層，單一的tin涂層已不適合此類加工。市場的需求迫使國內(nèi)必須加速pvd新技術(shù)的研究和開發(fā)。 筆者認(rèn)為，要使我國新型pvd涂層技術(shù)得到快速而有序的發(fā)展，應(yīng)努力做好以下幾方面工作： （1）加強(qiáng)項(xiàng)目的規(guī)劃與管理 工具行業(yè)管理部門應(yīng)加強(qiáng)pvd涂層項(xiàng)目的規(guī)劃與管理工作，明確我國新型pvd涂層技術(shù)的短、中、長期發(fā)展目標(biāo)，確立有計(jì)劃、不間斷發(fā)展的方針，并通過“官、產(chǎn)、學(xué)、研、商”的有機(jī)結(jié)合，使項(xiàng)目既有政策支持又有資金保障。我國在這方面也有過成功經(jīng)驗(yàn)：在八十年代中期，為了在引進(jìn)基礎(chǔ)上立足于自行開發(fā)，提高工具行業(yè)涂層技術(shù)的整體水平，原機(jī)械工業(yè)部機(jī)床工具司組織了全行業(yè)力量對引進(jìn)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)出的熱陰極弧磁控等離子鍍膜機(jī)已在工具行業(yè)成功地推廣應(yīng)用，并因此帶動(dòng)了國內(nèi)tin涂層刀具的普及應(yīng)用。 （2）建立統(tǒng)一的研究、開發(fā)、服務(wù)體系 建立統(tǒng)一的研究、開發(fā)、服務(wù)體系，根據(jù)涂層技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)外市場需求，有系統(tǒng)地引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)對引進(jìn)技術(shù)的消化吸收及協(xié)作研究工作，逐步增強(qiáng)自我開發(fā)能力，形成專利技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)滿足國內(nèi)市場需求和參與國際市場競爭的目的。 （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、涂層刀具的行業(yè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制涂層刀具質(zhì)量，確保涂層技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用。 |
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