刀具涂层技术的现状及其发展趋势

1、 刀具涂层技术的现状及其发展趋势 .txt 等待太久得来的东西多半已经不是当初自己想要的 了。一层秋雨一阵凉，一瓣落花一脉香，一样流年自难忘，一把闲愁无处藏。幸福生活九字 经：有希望，有事干，有人爱。女人和女人做朋友，要之以绿叶的姿态，同时也要暗藏红花 的心机。刀具涂层技术的现状及其发展趋势 浏览 309 次 摘要：刀具表面涂层技术是应市场需求发展起来的一种优质表面改性技术， 由于该项技 术可使切削刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率及刀具使用寿命， 因此该项技术已成为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性要求的关键技术之一。本文着重介绍了国外刀具涂层技术现状及发展趋势；并

2、从全国工具行业归口研究所的角度，阐述目前国内刀具涂层技术现状及其应用状况；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 现状 差距 1 引言 众所周知，刀具表面涂层技术是应市场需求而发展起来的一项优质表面改性技术，由于该项技术可使切削刀具获得优良的综合机械性能，不仅可有效地提高刀具使用寿命，而且还能大幅度地提高机械加工效率，因此该项技术已与材料、加工工艺并

3、称为切削刀具制造的三大关键技术。为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国都十分注重涂层 技术的发展。目前我国刀具涂层技术的发展正处在一个十分关键的时刻，尤其是 PVD 涂层技 术，一方面原有的技术已不能满足切削加工日益变化的要求；另一方面国内各大工具厂涂层 设备已到了必须更新换代的时期，因此有计划、按步骤的发展 PVD 技术，不仅能促进我国切 削刀具产品技术水平的提高，而且还可获得巨大的经济效益和社会效益。 2 国际刀具涂层技术的现状及发展趋势 刀具涂层技术目前仍可划分为两大类， 即 CVD（化学气相沉积） 和 PVD技术（物理气相沉积） 。 2.1 国际 CVD 技术的发展

4、 CVD 技术自上世纪六十年代出现以来，在硬质合金可转位刀具上得到了极为广泛的应用。在 CVD 工艺中，气相沉积所需金属源的制备相对容易，可实现 TiN 、 TiC 、 TiCN、 TiBN、 TiB2 、 Al2O3 等单层及多元多层复合涂层， 其涂层与基体结合强度高， 薄膜厚度可达 7 9 m，相对 而言， CVD 涂层具有更好的耐磨性。 八十年代中后期， 美国 85%的硬质合金工具采用了涂层处 理，其中 CVD 涂层占到了 99%；九十年代中期， CVD 涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中 仍占到了 80%以上。但 CVD 工艺也有其先天性的缺陷，一是工艺处理温度高，易造成刀具材 料抗

5、弯强度的下降；二是薄膜内部为拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生；三是 CVD 工 艺所排放的废气、 废液会造成工业污染， 对环境影响较大， 与目前所提倡的绿色工业相抵触， 因此九十年代中期后高温 CVD 技术的发展受到了一定的制约。 八十年代末 Krupp Widia 开发的 PCVD（低温化学气相沉积）技术达到了实用水平，其工艺处 理温度已降至 450 650，有效地抑制了 相的产生，可进行 TiN 、 TiCN、TiC 等涂层，用于螺纹刀具、 铣刀、模具等， 但到目前为止 PCVD 工艺在刀具涂层领域内的应用并不十分广泛。 真正引起 CVD 技术发生突变的是九十年代中期新型 MT-CVD

6、（中温化学气相沉积） 技术的出现。新型 MT-CVD 是以含 C/N 的有机物乙腈（ CH3CN）为主要反应气体和 TiCL4 、 H2、 N2 在 700900下产生分解、 化学反应， 生成 TiCN 的一种新方法， 可获得致密纤维状结晶形态的涂层，涂层厚度可达 8 10 m。这种涂层结构具有极高的耐磨损性、抗热震性及韧性，并可通过 HT-CVD（高温化学气相沉积） 工艺技术在表层沉积上 Al2O3、TiN 等抗高温氧化性能好、 与被 加工材料亲和力小、自润滑性能好的材料。 MT-CVD 涂层刀片适合于高速、高温、大负荷、干 式切削条件下使用，其寿命可比普通涂层刀片提高 1 倍左右。 从目前

7、的发展来看， CVD 工艺（包括 MT-CVD）主要用于硬质合金车削类刀具的表面涂层，其 涂层刀具适合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工，尤其是 -Al2O3 涂层是目前 技术所难以实现的，因此在干式切削加工中， CVD 涂层技术仍占有极其重要的地位。 PVD 2.2 世界 PVD 技术的发展 PVD 技术出现于上世纪七十年代末期， 由于其工艺处理温度可控制在 500以下， 因此可作为 最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。 PVD 工艺可大幅度提高高速钢刀具的切削性能，所 以该项技术在八十年代得到迅速推广应用。八十年代末工业发达国家复杂高速钢刀具 PVD 涂 层比例已超过了 60%。 PV

8、D 技术在高速钢刀具领域的成功应用，引起了世界各国的高度重视，人们在竞相开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，也对其应用领域的扩大进行了更加深入的研究，尤其是在硬 质合金、 陶瓷类刀具领域中的应用。 与 CVD 工艺相比， PVD 工艺处理温度低， 在 600以下对刀具材料的抗弯强度没有影响 （见表 1 试验结果）；薄膜内部为压应力， 更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层； PVD 工艺对环境没有不利影响，符合目前绿色工业的发展方向；此外，随着高速切削加工时代的到来，高速钢刀具应用比例的下降，硬质合金、陶瓷刀具应用比例 的上升已成为必然，因此工业发达国家自九十年代初就开始致力于硬质合金刀具 PV

9、D 涂层技 术的研究，九十年代中期，硬质合金刀具 PVD 涂层技术已取得了突破性的进展，并普遍用于 硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀 具等的涂层处理。 目前 PVD 技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由第一代的 TiN 发展 到了 TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN 、TiAlCN 、TiN-AlN 、CNx 等多种多元复合涂层，且 由于纳米级涂层的出现（见图 2、 3ZX 涂层，即 TiN-AlN 涂层），使得 PVD 涂层刀具质量又有 了新的突破，这种薄膜涂层不仅结合强度高、硬度接近 CBN、抗氧化性能

10、好，并可有效地控 制精密刀具刃口形状及精度，在进行高精度加工时，其加工精度毫不逊色于未涂层刀具。 从目前涂层技术的发展来看，由于单一涂层材料无法满足对刀具综合机械性能的要求，现已难以被市场所接受，涂层成分向多元化发展已成为必然趋势；为满足不同的切削加工要求，涂层成分会更为复杂、更具针对性；每单层成分也会越来越薄，并逐步趋于纳米化；涂层温 度会愈来愈低； 刀具涂层工艺则会向更合理方向发展， 预计 PVD、MT-CVD 工艺将会成为主流。 3 我国刀具涂层技术发展状况 3.1 我国 CVD 技术的发展 我国 CVD 涂层技术的研究起源于七十年代初，由于该项技术的专用性强，国内从事其研究的 单位并不

11、太多。八十年代中期国内 CVD 刀具涂层技术达到实用化，其工艺技术与国际水平相 当；在随后十多年里与国际上的发展类似， 较为缓慢； 九十年代末期， 国内开始 MT-CVD 的研 究工作，预计该项工艺及装备的研究工作 2001 年内可以完成， 届时设备及工艺技术将达到目 前国际先进水平。 我国 PCVD 技术的研究始于九十年代初， 该项工艺技术主要应用于模具涂层， 在刀具领域内的应用， 目前也还不十分广泛。 总体上讲， 国内 CVD 技术与国际水平相差不大，如果 MT-CVD 技术开发成功，整体技术将会与国际先进水平保持同步。 3.2 我国 PVD 技术的发展 我国 PVD 涂层技术的研发工作始

12、于八十年代初，八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具 TiN 涂层工艺技术。与此同时，由于对刀具涂层市场前景的看好，国内 大型工具厂有七家引进了大型 PVD 涂层设备，并均以高速钢 TiN 涂层工艺为主。进口技术及 设备的引进，调动了国内 PVD 技术的开发热潮，国内各大真空获得设备厂及众多的科研单位 纷纷展开了大型离子镀膜机的研制工作，并于九十年代初开发出多种 PVD 设备。但由于大多 数的设备性能指标差，刀具涂层工艺无法保证，再加上预期的市场效益也未能实现，致使大 多数单位放弃了 PVD 刀具涂层技术进一步的研究工作，因此导致近十年里国内刀具 PVD 涂层 技术处于徘徊不

13、前的局面。 尽管九十年代末国内成功开发出了硬质合金 TiN-TiCN-TiN 多元复 合涂层工艺技术，并达到了实用水平（见表 3），CNx涂层技术也有了重大突破（见表 4），但 与国际水平相比，我国刀具 PVD 涂层技术大概落后了十年左右。目前国外刀具 PVD 技术已发 展到了第四代，而国内尚处于第二代的水平，且仍以单层 TiN 涂层为主。 4 我国刀具 PVD 涂层技术存在的主要问题 我国刀具 PVD 涂层技术起步时间与国际上相差并不很远，而且在发展初期又大量引进了当时国际上最先进的各类涂层设备，八十年代后期国内涂层设备也得到了迅速发展，但该项技术真正在高速钢刀具上普遍应用，却是在九十年代中

14、期前后，到目前为止尽管硬质合金刀具 TiCN 涂层已取得了突破，但国内市场仍以 TiN 涂层为主，究其原因可归纳为以下几个方面： 4.1 国外涂层设备的集中引进给 PVD 技术的后续发展造成了某些负面影响 八十年代中期国外 PVD 技术装备的集中引进虽然使该项技术的发展有了一个高的起点，同时也解决了高速钢刀具的涂层问题，但由于这些设备引进厂家都是国内刀具生产骨干企业，其产品在国内市场占有很大比例，这些先进设备的引进在相当长的一段时间内已可以满足企业的生产要求，因此从另一方面看，影响了国产设备在刀具领域内的应用与发展提高；此外八十年代中期 PVD 技术还处于发展初期，随着该项技术的飞速发展，九十

15、年代后新技术层出不 穷，这些企业面临着技术更新的局面， 但资金的压力使得企业不得不放弃引进新技术的打算，国内也因此错失了发展提高 PVD 技术的最佳时期。 4.2 与国外相比国内对新工艺的开发重视不够 尽管八十年代国内引进了最先进的技术，但由于当时 PVD 技术尚处发展初期，国内对其后续 发展空间及速度无法充分估计，此外物理涂层技术是集电子物理、材料、真空控制技术于一 体的新兴科学技术，在研究、生产、应用等方面对人员的配置有较高的要求，而大部分引进 厂家主要偏重于生产，在人员、物资的配置上无法推动工艺技术的自我发展，新工艺、新技 术仍需引进，而新工艺技术引进的费用却十分昂贵，例如 Balzer

16、s 设备从 TiN 涂层工艺提升 到 TiCN 涂层，仅硬件改造费就需 30 万美元。 4.3 在设备的开发上缺乏统一性、合理性及协作性 八十年代后期，国内真空设备制造厂及一些科研单位对 PVD 刀具涂层市场过于乐观，各自纷 纷加大各类 PVD 涂层设备的开发力度，但由于缺乏对刀具及其涂层技术的深入了解，也未加强与工具厂的合作，所开发的涂层设备大部分无法满足刀具涂层工艺的要求，尤其是精密高 速钢刀具涂层技术尚达不到批量生产水平。这类设备大多只能用于麻花钻的涂层，由于麻花钻涂层费用极低，相应涂层设备的利润也很低，因此进入九十年代后，大部分真空设备制造 厂已把发展方向转向其他行业（如装饰涂层等）

17、。 4.4 售后服务的欠缺制约了国产涂层设备的推广应用 到目前为止国内大部分涂层设备生产厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术（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） ，由于这种不完整性，给使用者带来了许多意想不到技术问题，而且设备生产厂也不能提供长期的技术服务，无法在 技术上给予保证，导致国产涂层设备难以正常使用，从而极大地限制了 PVD 涂层设备的推广应用。 4.5 涂层质量的不稳定制约了涂层技术的推广应用 引进设备的高昂价格，造成涂层价格的居高不下，涂层费用甚至超过了刀具价格的 50%，此 外由于引进的渠道不一，设备选择的依据不同，导致设备工艺水平相差较大

18、，从而影响了涂 层刀具的使用效果（见表 5）；同时又由于国产涂层刀具的质量不稳定，涂层刀具检验标准不 齐全，因此在应用领域造成了涂层价格高， 但涂层质量不稳定， 刀具性能改善不明显的印象， 严重影响了该技术的推广应用及发展。 4.6 国内机械加工的低水平也制约了涂层技术的迅速发展 我国八十年代数控机床的应用还不十分广泛，机械加工仍处于较低水平，高速钢刀具的应用占到了 80%以上，硬质合金刀具仍以焊接刀具为主，可转位刀片以车削类刀具为主（一般多 采用 CVD 涂层），整体硬质合金立铣刀、 钻头、铰刀等应用较少， 因此对 PVD 硬质合金刀具涂层的要求并不十分迫切。 5 发展我国 PVD 技术的几点建议 随着我国汽车、航空航天、汽轮机等工业的发展，以及数控机床的迅速普及，我国机械加工正朝着高速切削的方向发展，高速滚齿、高速铣削以及干式切