刀具镀膜前景

刀具镀膜的进展与对策

摘要：本文介绍了国际硬镀膜技术新近的七大进展，分析了我国刀具镀膜市场现状与需求，从服务全国，走向世界战略要求，提出了对策。作者认为：真空镀膜技术已发展成为现代制造业的基础技术。而超硬镀膜技术则是现代刀具制造业的关键技术。在这个领域我国与发达国家的差距达10-15年。发展刀具镀膜技术是我国制造业的当务之急，上海真空行业唯有整合好国内外两个资源，尽快建立自己的、可持续发展的刀具镀膜业，才能服务全国、走向世界。

关键词：工具镀膜市场进展对策

一、前言

当前，我国以汽车为代表的现代制造业正在高速发展，它对刀具制造业提出了“高精度、高效率、高可靠、专用化(简称‘三高一专’)的要求，作为现代刀具制造业的三大关键技术之一的硬镀膜技术，我国正面临着升级换代的重大技术变革。

二、发展刀具镀膜技术是我国当务之急

1．真空镀膜技术是现代制造业的基础技术

等离子真空镀膜技术是将工件放在真空等离子场中，在其表面沉积一层薄膜，使工件表面改性的一种加工方法；它是真空技术的前沿，它以现代真空获得与测量技术为基础，融非平衡态冶金学，低温等离子物理和化学，薄膜性能的分析、检测与控制技术，高洁净度清洗技术和现代自控技术为一体的光机电一体化的高新技术。

硬镀膜技术是真空镀膜技术的一个分支，它突破于七十年代末、八十代就已在世界制造业中得到推广应用。并已扩展到耐磨抗蚀膜、摩擦学膜、装饰膜…，分别应用于切削刀具、模具、轴承、燃气轮机叶片、塑料工业轧辊，成型模、建材…，这极大地改善了它们的役使性能。镀膜刀具的采用，实现了高进刀深度、高走刀速度、高切削精度、硬切削，大幅度地提高了加工质量和效率。发达国家经验证明：刀具的成本虽然因此增加了3％。加工成本却降低15-20％。由于现代制造业推崇“效率优先”的理念；镀膜工件的优异的役使性能，使镀膜技术在汽车、航空航天、数控加工、能源，电子、模具、家电、石化及塑料等现代制造业中的应用越来越广泛，它已成为支撑现代制造业的一项基础技术。

2．硬镀膜技术是现代刀具制造业的关键技术

现代刀具制造有三大关键技术：刀具材料技术、刀具镀膜技术、复合刀具技术，九十年代以来，刀具硬镀膜技术发展特别快；刀具镀膜第一代镀TiN，第二代镀TiC，第三代镀TiCN，02年己发展到第四代镀AlTiN,应用更为广泛、深入。役使性能更好；就第四代氮化铝钛镀膜刀具而言，其切削性能就比第一代氮化钛镀膜提高了好几倍。表1，给出了各种镀膜的硬度、摩擦系数、切削温度等性能的比较。

表1和图1可以清楚地看到：新一代的超级氮化铝钛镀膜比第一代氮化钛的性能从硬度、使用温度到实际钻孔数都有大幅的提高。特别是钻孔数提高了4-5倍。镀膜刀具性能的提高，为高速切削。硬切削技术的采用创造了条件，为复合刀具、专用刀具的广泛采用铺平了

道路。因此，刀具的镀膜技术与刀具新材料技术、复合刀具技术一起并称为现代刀具制造业的三大关键技术。众所周知：切削加工是制造业的最主要加工方法，其加工总成本的70％是耗费在切削加工上；尤其是高精切削，硬切削。多功能、专用、复合刀具是数控机床、加工中心、现代自动加工生产线必备的刀具，是当今切削加工实现高精度、高效率、低成本的三大技术手段；对刀具进行镀膜则是实现上述手段的前提。

3．发展刀具镀膜是我国制造业的当务之急

近年来，世界制造业正在东移，我国正在发展成为世界制造基地，中国的汽车制造业规模已发展到世界第四位。为提高市场竞争力，以汽车制造技术为代表的我国现代制造业正在深入进行“高起点、大投入、规模化，国际化的产业升级和结构调整”，国外新技术、新装备大量引进,这对我国刀具制造业提出了新的，更高的要求。工具行业必须改变几乎只生产标准传统刀具的落后面貌，向生产‘三高一专’现代刀具转型；这种刀具几乎百分之百要镀膜。

三、耐磨镀膜技术国际上发展极快，我国差距拉大了

如前所述，耐镀膜技术是知识含量很高的高新技术：不仅开发难度大，而且要科学地、稳定地应用也是一件不容易的事；但它对工具性能的大幅度提高，使现代制造业对其有广泛而热切的需求，这反过来又促进了硬镀膜技术更快更深入的发展。近年来国际上硬镀膜技术发展特别快，其特点是：

1．电弧离子镀是硬镀膜的主流机型

多弧离子镀原创于美国多弧公司。它具有离化率高、沉积速度快，设备空间利用率高，结构相对比较简单的优点，但因其沉积时存在大尺寸粒子，一度多用于装饰镀；九十年代以来，由于以磁约束为代表的一系列新技术的采用，不仅较好地解决了大尺寸粒子问题，而且还提高了靶材的利用率和等离子区的尺寸精度；使其在众多硬镀膜技术中异军突起，已发展成为当今硬镀膜领域的主流机型。

2．研究进入量化阶段

对膜层的成份、组织、结构，厚度、应力及基底粗糙度对膜层和工具性能的影响、及其与镀膜工艺关系研究非常深入，并已进入量化段，开始用数学模型分析和预测膜层组织结构、厚度基底粗糙度与应力状况及性能的关系，从事膜系设计。

3．工艺更加个性化

针对工件的役使条件设计工艺。多元、复合、多屡镀、纳米镀(纳米梯度镀层、纳米多层镀层、纳米结构镀层)等等的开发，进一步增强了膜基结合力。降低了摩擦系数，提高了抗氧化性、使用温度、镀膜的硬度和韧性，增加了可镀厚度，大幅度地改善了役使性能，可满足不同使用条件下的刀具及其它工具与机件的需要。表2是某家公司提供的不同役使条件下部份刀具所采用的一些膜系。

4．设备柔性化

为扩大没备的可镀膜系的品种，先进的镀膜设备往注配有不同尺寸、不同规格、采用不同靶材的靶源。除常规电弧源外，还可配宽懒射频离子源，磁控溅射靶等，以备用户按需要进行组合，以适应不同

刀具采用不同膜系，设备要频烦换靶源的需要，设备采用了模块化、组合化结构，不仅实现了一机多用，而且在进行复杂的多元、多层、复合镀膜时，用户可以在不改变靶源组成，在不破坏真空的条件下，一次完成。

5．设备实现了“即插即用”

为便于更换靶源，现代镀膜设备针对“模块化”结构，还配有换靶专用工装，实现了“即插即用”，使靶和靶材的更换、调整及设备的维修省时、省力、极为方便。

6．设备设计更为精细化

磁约束技术的进一步改进，使电弧离子镀的表面质量可以和磁控溅射相媲美，靶面能均匀蒸发、靶材的利用率大为提高；脉冲附加偏压的采用，进一步降低了沉积温度(最低可到1800C)；基底预处理技术的进步(如清洗技术的改进，过渡镀层的采用也使膜基结合力提高到了一个新水平；纳米中间层的采用使膜层应力大大降低，强度进一步提高；加上多元靶组合技术的开发与采用，纳米级厚度的精确控制…使硬镀膜设备几乎到了只需要合理，什么成份、什么组织结构、什么厚度(尺度从纳米到分米)的硬膜都能镀的地步。不仅如此，在一些被人们忽视的地方，也没有逃过国外研发者的视线，人们还着力增强了设备的予加热能力，除了改进靶的结构之外、装料夹具和送料车结构上也都进行了优化、改进…；加大了设备的装载(炉)量，提高了效率、节省了工件预热时间，使装、出料平稳、灵活、方便，设备更加科学，紧凑、精致。