刀具涂层技术的现状与发展 PVD CVD

刀具涂层技术的现状与发展

摘要：刀具涂层技术是一种受刀具市场需求而产生的一种表面改性技术，该项技术能改变切削刀具的综合机械性能，大幅度提升加工效率以及刀具寿命，刀具涂层技术成为高效率、高精度、高可靠性要求的关键机械加工技术之一。本文着重介绍了刀具涂层技术的涂层材料的制备方法及种类，并对刀具涂层技术的应用前景及发展趋势进行了展望。从工艺、装备、技术开发、推广应用、售后服务等方面分析我国刀具涂层技术与工业发达国家的差距；文中建议我国工具行业应针对国内刀具涂层技术现状，建立统一的研究、开发、服务体系，系统地引进国际先进技术，通过消化吸收逐步达到自我开发的能力，最终实现参与国际市场竞争的目的。

关键词：刀具;涂层技术;PVD;CVD

1 引言

刀具涂层技术是一种受刀具市场需求而产生的一种表面改性技术，该项技术能改变切削刀具的综合机械性能，大幅度提升加工效率以及刀具寿命，因此该项技术已与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。为了满足机械加工的高效率、高精度、高可靠性的要求，各个国家都十分注重刀具涂层技术的发展。当前，我国刀具涂层技术正处于一个发展的十分关键的时期，特别是PVD涂层技术，使用原有的涂层技术生产的刀具已不能满足切削加工要求；发展PVD技术，能提高我国切削刀具的水平，获得巨大的经济效益，提高我国的综合国力。

2 国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势

刀具涂层技术目前分为两大类，即化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）技术。

2.1 物理气相沉积（PVD）技术的发展

习惯上，把固体(液态)镀料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、激光束、电弧等能量形式产生气相原子、分子、离子(气态，等离子态)进行输运，在固态表面上沉积凝聚，生成固相薄膜的过程称为物理气相沉积(PVD)。

物理气相沉积（PVD）技术产生于上世纪七十年代末，因为它的工艺温度控制在500℃以下，，可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。PVD技术大大提高了高速钢刀具切削性能，该项技术与八十年代得到迅速推广。八十年代后期，一些发达国家PVD涂层高速钢刀具比例已占市场已超过了60%。

高速钢刀具成功应用PVD技术，引起了世界各国的青睐与重视，各国研究者在不断开发高的性能、高可靠性涂层装备的同时，也对其应用领域进行了更加深入的研究，以进行扩大，特别是在硬质合金刀具、陶瓷刀具方面的应用。与CVD涂层技术相比，PVD技术的处理温度低，刀具材料抗弯强度通常温度在600℃以下不会产生影响；薄膜的内部为压应力，因此，适合涂层硬质合金精密复杂类刀具，PVD技术对环境不会产生不利影响，更加符合绿色工业发展的方向。伴随着高速加工时代的到来，硬质合金刀具、陶瓷刀具使用的比例必然上升，高速钢刀具使用的比例必然下降。因此，一些发达国家在九十年代初便将重心转向硬质合金刀具PVD涂层技术的研究，九十年代中期，PVD涂层技术在硬质合金刀具上的应用已取得了突破性的进展，当时已普遍在铣刀、铣刀片、各种钻头、铰刀、丝锥、等的刀具上应用。

从大的方面来看，现在国际上的PVD涂层技术大致可分成真空蒸镀、溅射、离子镀，但从这三种主要的镀膜技术衍生出了各式各样的新技术。伴随着PVD技术的进一步发展，科学家们把离子束、等离子体引入到PVD涂层技术上，同时通入某些反应气体，由化学反应来制备金属镀层，因此，当前的PVD涂层技术已不是原先单纯的物理制备过程，PVD涂层技术和CVD涂层技术已经相互交融。单一的涂层材料显然无法满足综合刀具机械性能的要求，无法被市场接受，涂层材料正向着多元不断的发展。为实现不同的高性

能切削加工的要求，涂层的成分将会更为复杂，更具针对性，单一层的涂层也会越来越薄，有的涂层已趋向纳米化，而涂层的温度将越来越低，刀具涂层工艺正向着更加科学的方向不断发展，按照趋势，PVD技术、MT-CVD技术将会成为国际主流。

我国的物理涂层技术开始于八十年代初期，在八十年代中期研究出高速钢刀具TiN涂层工艺技术以及中小型空心阴极离子镀膜机。由于我国刀具涂层市场前景较好，国内有七家刀工具厂商引入了大型PVD涂层设备。进口设备及技术的引进，引起了国内物理涂层技术的研发热潮，终于在九十年代初研制出出多种PVD 设备。可是因为研发大多数的设备性能较差，无法保证刀具涂层工艺，致使预期的经济效益也没有实现，这导致了很多企业放弃了物理刀具涂层技术的研究。近10年国内的PVD涂层技术在一个停滞不前的状况。在这以后，我国的PVD涂层技术也有了一定的进展，比如在九十年代末期，我国研制出了多元复合硬质合金TiN-TiCN-TiN PVD涂层工艺技术，以及CNx涂层技术，但是这些技术和国际先进水平相比，我国的PVD 涂层技术落后了10年左右。现在，国际先进的PVD技术已发展到了第4代，我国处在第二代，仍是以单层的TiN涂层为主。

2.2 CVD技术的发展

CVD是通过气相物质的化学反应在基材表面沉积固态薄膜的一种工艺方法。CVD技术发展较早，在上世纪60年代已应用于硬质合金刀具的涂层处理，并且在硬质合金可转位刀具上得到了较为广泛的应用。在CVD工艺中，气相沉积所需要金属源的制备相对容易，可进行TiBN、TiB2、TiN、TiC、TiCN、、Al2O3等单层及多元多层复合涂层，其涂层与基体结合强度较高，薄膜的厚度达7～9μm，CVD涂层具有较好的耐磨性。据统计，美国在八十年代中后期有85%的硬质合金工具采用了涂层处理，其中CVD涂层占99%；在九十年代的中期，CVD涂层硬质合金刀具仍占到了80%以上。CVD涂层技术拥有许多的优点：1.涂层源的制备比较容易。2.镀膜的均匀性比较好。3.成膜粒子的能量非常低，因此镀膜的内应力很低。4.能够得到比较厚的镀膜。5.镀膜的耐磨性非常好。但是CVD涂层技术也有一些缺陷：1工艺的处理温度较高，刀具材料抗弯强度会产生下降。2.CVD涂层技术排放的废气可造成严重的环境污染。因此，从九十年代中期以来，高温CVD涂层技术的发展、应用受到了制约。八十年代末期，Kruup Widia研发的低温化学气相沉积技术（PCVD）已经可以实现应用，该技术的工艺处理温度已下降至450℃至650℃，能够有效的抑制η相产生，能够进行TiN、TiCN、TiC等金属涂层，应用于螺纹刀具、铣刀、钻头等，但是PCVD技术在刀具涂层领域内的应用目前仍然不是十分广泛。

引起CVD涂层技术出现实质性突破的是80年代末期产生的MT—CVD技术（中温化学气相沉积技术），该技术的机理与高温CVD涂层技术是相同的，但它的涂覆温度仅为700℃到900℃，而且正向着更低的温度和更高的真空度方向发展。MT—CVD涂层技术突出的优点有沉积的速度快、涂层的厚度均匀、涂层的附着力较强、内部的残余应力较小。但MT—CVD涂层技术的首要缺点是产生严重的环境污染问题，其次，它的涂层内部产生拉应力，容易产生裂纹。新型的MT-CVD技术是将含C、N的有机物乙腈（CH3CN）为主要的反应气体混合TiCL4、H2、N2在700℃到900℃温度下产生分解、发生化学反应，产生TiCN的一种新的方法，该方法得到的涂层为致密纤维状结晶形态，涂层的厚度可达到8-10μm。该涂层结构为为致密纤维状结晶，因此拥有很高的耐磨损性，很高的抗热震性和韧性。再通过高温化学气相沉积技术（HT-CVD 技术）在表层镀层上沉积Al2O3和TiN等抗氧化性能好、高温性能好、与加工材料的亲和力较小的材料。高温化学气相沉积技术适用于高速度、高温度、大负荷的干式切削条件，刀具的寿命比一般的涂层刀片延长了一倍。

我国CVD涂层技术的研究开始于七十年代初，由于该项技术的专用性强，并于八十年代中期达到实用化，并与国际CVD工艺技术水平相当；随后十多年里国内和国外的发展类似，比较缓慢；我国PCVD技术的研究开始于九十年代初，该技术目前主要用于模具涂层，在刀具领域内的应用，还不是十分广泛。从总体上讲，我国的CVD技术与国际先进水平保持同步。

3我国涂层技术存在的主要问题

我国PVD涂层技术起步时间较早，并且大量引进了各类国外当时最先进的涂层设备，因此八十年代后期我国的刀具涂层设备得到了迅速发展，事实上，在九十年代中期前后，该项技术才普遍应用于高速钢刀具上，尽管TiCN涂层硬质合金刀具现在已取得了突破，但是TiN涂层在国内市场仍占主导对位，其原因如下：

3.1国内对新涂层技术的研究重视程度较低

尽管八十年代国内大量引进了最先进的涂层技术和设备，但当时处于PVD技术尚处发展的初期，所以国内无法正确的估计该项技术的发展空间及速度。PVD涂层技术是集材料、物理、真空控制技术于一体的一项新兴科学技术，要求人员有较高的研究、生产、应用等方面的技能，但国内大部分厂商主要偏重于生产，造成无法推动涂层工艺技术的发展。新技术、新设备仍要从国外引进，而引进的经费数目十分巨大。

3.2国外涂层设备的引进对我国PVD技术的发展造成了不利的影响

在八十年代中期PVD技术还处于发展初期，国内厂商集中引进国际先进的PVD技术装备，实现了高速钢刀具的涂层，这些先进设备的引进在较长的一段时间内可满足企业的生产要求，这影响了国产涂层设备发展。随着该项技术的不断发展，九十年代后期国际新技术不断出现，国内企业面临着技术更新的问题，但是由于引入资金的压力，大多数企业打消了引进新技术和设备的念头，因此，国内也错过了发展PVD技术的最好时机。

3.3在设备的研发缺乏统一性和合理性

八十年代后期，国内刀具厂商及一些科研单位对PVD刀具涂层市场盲目乐观，纷纷各自加大各类PVD 涂层设备的研发力度，但由于没有加强与工具厂的合作，大部分研发的涂层设备不能满足刀具涂层工艺的要求，生产的设备大多仅用于麻花钻的涂层，但由于麻花钻的涂层费用不高，麻花钻涂层设备产生的利润也就不会很高，因此，九十年代后，大部分涂层设备制造厂商已把发展方向转向其他方向（如装饰涂层等）。

3.4涂层质量不稳定限制了我国的涂层技术发展

引进设备的价格很高，相应的涂层刀具的价格也就很高，涂层的费用占到刀具总价格一半，又由于生产的涂层刀具质量不是很稳定，国内缺乏涂层刀具检验标准，因此，在市场上造成了涂层价格高昂，但涂层刀具质量不稳定，刀具性能没有明显提升，这些问题制约了我国涂层的推广应用及发展。

3.5国产涂层设备的售后服务的欠缺制约了涂层技术的发展

大部分的国内涂层设备生产厂商都不能提供包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具应用技术等在内的完整的刀具涂层工艺技术，所以设备生产厂商也不能长期的提供技术服务，无法在技术上给予支持，这将给使用者带来了许多不能解决的技术问题，这导致国产涂层设备难以正常使用，这将极大地限制了PVD涂层设备的推广发展。

3.6国内加工制造的低水平也限制了涂层技术的发展

80年代，国内数控机床的应用还不是十分广泛，加工制造处于较低的水平，市场上主要使用高速钢刀具，仍以焊接的硬质合金刀具为主，可转位刀片以一般多采用CVD涂层的车削类刀具为主。因此，国内市场对PVD涂层硬质合金刀具涂层的需求不大。

4 对于国内涂层技术的建议

4.1建立我国涂层刀具的标准库

对涂层设备、涂层刀具设立行业检验标准，以便于严格控制涂层刀具质量，有利于涂层技术大面积的推广应用。

4.2建立统一的研发、售后体系

建立统一的研究、开发、服务体系，根据本国市场的需求，有系统地引进国外先进技术，加强对引进技术的消化吸收，逐渐达到自我研发的水平。