刀具涂層技術(shù)現(xiàn)狀及其展望

   對(duì)刀具進(jìn)行涂層是機(jī)械加工行業(yè)前進(jìn)道路上的一大變革，它是在刀具韌性較高的基體上涂覆一層、二層乃至多層耐磨的難熔化合物，從而使刀具的性能得到極大改善。經(jīng)涂層的刀具可以提高加工效率、加工精度、延長(zhǎng)壽命、降低成本，因而，受到世界各國(guó)普遍關(guān)注。

    現(xiàn)狀

    自20世紀(jì)60年代末第一代CVD氣相沉積TiC硬質(zhì)合金刀片問(wèn)世以來(lái)，涂層技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金刀具的發(fā)展起了巨大的促進(jìn)作用。20世紀(jì)80年代初PVD氣相沉積TiN在高速鋼刀具上成功應(yīng)用，被譽(yù)為高速鋼刀具性能的一場(chǎng)革命。從此，涂層技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，涂層工藝越來(lái)越成熟，涂層刀具應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。

    西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家使用的涂層刀具占可轉(zhuǎn)位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%，新型的數(shù)控機(jī)床所用的刀具中80%左右是涂層刀具。瑞典山特維克可樂(lè)滿和美國(guó)肯納金屬公司的涂層刀片的比例已達(dá)85%以上，美國(guó)數(shù)控機(jī)床上使用的硬質(zhì)合金涂層刀片的比例為80%，瑞典和德國(guó)車削用的涂層刀具都在70%以上。日本、俄羅斯涂層技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用也走在世界前列。我國(guó)涂層刀具起步晚，但進(jìn)步快，涂層網(wǎng)點(diǎn)遍布全國(guó)，不少城市都有自己的涂層中心，承接對(duì)外加工業(yè)務(wù)，廠礦也不甘示弱，國(guó)內(nèi)幾家大的工具廠擁有涂膜機(jī)都在10臺(tái)以上，但多數(shù)應(yīng)用在麻花鉆等低端產(chǎn)品上。德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的涂層公司紛紛在我國(guó)安營(yíng)扎寨，大搞涂層刀具對(duì)外加工。由于資源匱乏和機(jī)械加工的高效化，以及數(shù)控技術(shù)進(jìn)步及難加工材料增多，涂層刀具正以驚人的發(fā)展速度被動(dòng)式向前挺進(jìn)。

    涂層技術(shù)的新發(fā)展

    縱觀CVD、PVD技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)幾個(gè)共同的規(guī)律。當(dāng)?shù)谝淮�涂層產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)后，首先要解決的是涂層設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題，以滿足市場(chǎng)需要；其次是開發(fā)新一代的涂層成分，以提高刀具的加工效率；第三是研制多層涂層及控制技術(shù)，使被涂刀具表層具有多種材料的綜合力學(xué)性能，對(duì)切削、拉銑等不同加工對(duì)象實(shí)施個(gè)性化服務(wù)。涂層技術(shù)的新發(fā)展主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

    （1）膜系材料多元化
    目前應(yīng)用最多的涂層物質(zhì)是TiC、TiN、TiCN和Al2O3。當(dāng)今在硬質(zhì)合金涂層刀具中應(yīng)用最多的TiAlN三元涂層，并可以通過(guò)調(diào)整Al元素的成份比例來(lái)獲得不同膜層性能。涂層材料由最初的TiC和TiN單層發(fā)展到現(xiàn)在的復(fù)合涂層。復(fù)合涂層及相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使涂層既可以提高與基體的結(jié)合強(qiáng)度，又具有多種材料的復(fù)合性能。近幾年開發(fā)的TiN/NbN、TiN/CNx等多元復(fù)合薄材料，使涂層刀具壽命有很大的提高。涂層工藝組合的多樣化帶來(lái)了TiAlN、TiAlCN、CrSiN等多元復(fù)合涂層，使刀具獲得高耐磨、低摩擦、熱穩(wěn)定好和抗氧化性能等優(yōu)良的綜合性能。（2）軟涂層
    高硬度是早期涂層技術(shù)開發(fā)追求的主要目標(biāo)，然而并不是所有的材料都適合于硬涂層。如高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金及某些貴重材料都不適合用硬涂層刀具加工，而軟涂層則較好地解決了上述材料的難加工問(wèn)題。軟涂層主要有MoS2、WS2、TaS2等。
    （3）納米涂層
    近期美國(guó)學(xué)者開發(fā)出納米涂層刀具，這種涂層刀具可采用多種涂層材料的不同組合，以滿足不同功能和性能要求，設(shè)計(jì)合理的納米涂層，可使刀具材料具有優(yōu)異的減摩抗磨功能和自潤(rùn)滑性能，適用于高速干切削，尤其適于在數(shù)控機(jī)床上使用。具有一定代表性的是AlTiN晶粒與無(wú)定型的Si3N4納米組分構(gòu)成的納米混合膜，其硬度可達(dá)到45GPa，膜層的穩(wěn)定性和抗氧化性可達(dá)1000℃。

    PVD、CVD將長(zhǎng)期共存
    早在20多年前，PVD涂層投入工業(yè)生產(chǎn)以來(lái)，人們一直在探索用PVD代替CVD的問(wèn)題，幾經(jīng)周折，設(shè)想和實(shí)踐都成為泡影。
    盡管PVD有CVD難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，也可以進(jìn)行Al2O3以外的多種硬質(zhì)涂層，但事實(shí)表明：CVD車、銑刀具還是優(yōu)于PVD。今后兩種涂層在切削刀具涂層中將長(zhǎng)期共存和相互補(bǔ)充，并因各自優(yōu)點(diǎn)而在涂層產(chǎn)品中占據(jù)屬于自己的份額。兩種技術(shù)也可以相互結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，如目前應(yīng)用的PCVD涂層技術(shù)就是例證。

    涂層刀具的應(yīng)用

    涂層技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、光學(xué)、航空航天、化工、輕紡及食品工業(yè)等各個(gè)部門。運(yùn)用高科技手段不僅能沉積各類金屬和合金，還能沉積多種化合物，不僅能在金屬基體上沉積，而且在陶瓷、金剛石、玻璃甚至塑料等非金屬上沉積，可以毫不夸張地講，涂層技術(shù)已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，其作用和效能有目共睹，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外機(jī)床工具博覽會(huì)上，人們都會(huì)看到品種繁多、方法各異的涂層工具，應(yīng)用實(shí)例舉不勝舉。

    涂層中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題：

    （1）理想的刀具材料
    用于涂層的刀具材料必須是理想的好材料，不能停留在合格的水平上。俗話說(shuō)好鋼要用在刀刃上，目前刀具材料市場(chǎng)不規(guī)范，魚龍混雜，假冒偽劣猖獗。在選材、用材時(shí)應(yīng)加強(qiáng)檢查，把好各道關(guān)卡，不然前功盡棄。
    （2）硬度檢查
    硬度不合適的刀具若涂層，涂層技術(shù)再高明也無(wú)濟(jì)于世。例如65HRC以下的高速鋼刀具，硬度大于68HRC的501鋼立銑刀，以及所謂的低合金高速鋼鉆頭，涂層效果就不一定好。通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚�，將刀具硬度控制在客戶滿意的范圍內(nèi)，再施以理想涂層，將是錦上添花。JB/T8365-96《氮化鈦涂層刀具技術(shù)規(guī)范》，要求高速鋼刀具涂層硬度≥2000HV，但目前市場(chǎng)上不少涂層產(chǎn)品達(dá)不到此值，往往是低硬度的裝飾鍍，或是涂層厚度達(dá)不到要求。
    （3）退磁
    涂層前應(yīng)進(jìn)行退磁處理，因?yàn)榇判詴?huì)影響涂層效果。