刀具涂層的表面缺陷與高檔數(shù)控機(jī)床高精度加工

　　高精度數(shù)控加工是現(xiàn)代機(jī)械加工的發(fā)展方向，“以車代磨”、 “以銑代磨”和“以鉆代鉸”已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。高精度數(shù)控機(jī)床不僅對(duì)機(jī)床提出高要求，而且也對(duì)刀具提出高要求。以往的銑削的一般加工精度為l0μm，現(xiàn)代高精度銑削的加工精度可以達(dá)到：普通級(jí)為5μm，高精密級(jí)從3～5μm至1～1.5μm，超精密級(jí)為0.0lμm。在高精密級(jí)銑加工中，如果要使加工精度達(dá)到2μm，則刀尖的跳動(dòng)精度至少應(yīng)控制在2μm以下。這就要求刀具不僅有非常高的耐磨性，而且，表面精度和表面質(zhì)量也非常高。然而，目前的涂層刀具卻往往存在較多的表面微觀缺陷，其中最典型的是“液滴結(jié)瘤”和“微坑”，其尺寸一般都到達(dá)2µm以上。因此，刀具即使有非常高的耐磨性，其表面精度和表面質(zhì)量也無法滿足高檔數(shù)控機(jī)床使用性能要求，制約了高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展和應(yīng)用。 

　　刀具的加工性能決定于刀具基體材料和表面涂層。數(shù)控機(jī)床刀具，特別是用量最大的可轉(zhuǎn)位數(shù)控刀片，一般都是對(duì)硬質(zhì)合金基體采用物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）或等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（PCVD）等方法進(jìn)行表面硬質(zhì)涂層處理。然而，由于與我國(guó)硬質(zhì)合金基體相配套的刀具表面處理技術(shù)相對(duì)落后，作為占全球總產(chǎn)量的40%左右的硬質(zhì)合金生產(chǎn)大國(guó)，其附加值最高的切削刀片產(chǎn)量卻只有3千余萬噸，高性能高精度硬質(zhì)合金刀具不得不依靠大量進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)不足30%，2009年進(jìn)口刀具比2008年增加87%。 

　　基于等離子體的表面薄膜涂層作為一種清潔表面改性技術(shù)已經(jīng)成為高檔數(shù)控機(jī)床專用加工工具的通用技術(shù)，高性能涂層技術(shù)在高檔數(shù)控機(jī)床技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的重要，具有巨大的市場(chǎng)需求。2008年國(guó)際物理氣相沉積（PVD）市場(chǎng)已到達(dá)99億美元，預(yù)計(jì)將以11％的速度增長(zhǎng)，2013年可達(dá)到167億美元。 

　　因此，發(fā)達(dá)國(guó)家十分重視涂層缺陷對(duì)刀具摩擦學(xué)性能和切削加工性能的影響[1-8]。如美國(guó)Niagara Cutter公司、Kennametal公司等刀具制造商十分關(guān)注從源頭上消除涂層缺陷。早期采用多弧離子鍍上添加磁過濾設(shè)備，去除薄膜沉積過程中的大“液滴”。瑞典Sandvik Coromant公司為去除涂層中的微小缺陷，減小涂層中的殘余應(yīng)力，降低產(chǎn)生粘結(jié)和積屑瘤（BUE）的傾向，改善刀具的切削性能，開發(fā)了涂層刀片后處理專利技術(shù)，對(duì)刀片切削刃進(jìn)行輕微拋光。在涂層缺陷分類、形成機(jī)理及其控制方面也開展了許多基礎(chǔ)研究。瑞典學(xué)者對(duì)采用高離子密度反應(yīng)離子鍍方法制備的TiN和反應(yīng)直流磁控濺射方法制備的WC/C涂層的表面缺陷進(jìn)行了科學(xué)的分類并建立了其表面缺陷準(zhǔn)則，為改進(jìn)涂層工藝提高涂層品質(zhì)發(fā)揮了重要作用[2]。 

　　我國(guó)從上世紀(jì)80年代起，一直有單位和學(xué)者研究刀具涂層技術(shù)[9-15]。中國(guó)工程院艾興院士曾經(jīng)指出“切削加工過程中刀具的摩擦與磨損是切削理論的最重要問題之一，它制約著高速切削加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用”[9]。2009年開始，國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)涉及到先進(jìn)刀具的開發(fā)和研究。但是，我國(guó)刀具涂層技術(shù)與國(guó)際水平相比，差距仍然很大，在刀具涂層的基礎(chǔ)理論的系統(tǒng)研究上投入力量不大，涂層工藝的自主研發(fā)比較薄弱，刀具涂層表面微觀缺陷對(duì)刀具摩擦學(xué)性能和切削加工性能的影響問題仍然沒有得到重視，在目前國(guó)內(nèi)唯一涉及刀具涂層技術(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[16]中也沒有與涂層缺陷有任何關(guān)聯(lián)，刀具涂層表面缺陷研究基本上處于空白。 

　　刀具涂層是老技術(shù)的新挑戰(zhàn)，對(duì)于提高數(shù)控機(jī)床高精加工質(zhì)量、提升國(guó)內(nèi)刀具品質(zhì)，擺脫對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依存，至關(guān)重要，值得深入研究。利用各種途徑在保持較高生產(chǎn)效率的同時(shí)，合理的克服或減少刀具涂層缺陷，是未來高速高精度加工刀具涂層技術(shù)的發(fā)展方向。 

　　本文擬在總結(jié)國(guó)外學(xué)者對(duì)涂層缺陷分析研究經(jīng)驗(yàn)的的基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)代表面分析手段對(duì)刀具涂層缺陷進(jìn)行三維表征，探討國(guó)產(chǎn)數(shù)控刀具涂層缺陷分類方法，結(jié)合涂層表面形貌對(duì)摩擦學(xué)性能的影響研究，探討控制涂層缺陷的方法，為提高我國(guó)刀具涂層技術(shù)水平、改善涂層質(zhì)量提供理論和技術(shù)支撐。 

1  PVD涂層制備過程中的表面缺陷及其分類 

研究發(fā)現(xiàn)，涂層缺陷是涂層追求硬度、耐磨性和沉積效率等性能指標(biāo)的制備工藝中伴隨產(chǎn)生的。對(duì)于高精度數(shù)控加工產(chǎn)生的微觀尺度的表面缺陷是等離子體涂層制備過程中不可避免的。圖1所示為PVD（TiN）處理的刀片典型的涂層缺陷。由圖1可見，涂層缺陷主要包括：大顆粒、淺坑、淺突起、暴露的基體區(qū)域、涂層碎片和涂層過程中遺傳的基體原始粗糙等。這些缺陷的尺寸部分在微米數(shù)量級(jí)，部分在亞微米尺寸。由于涂層缺陷與涂層性能是相互制約的矛盾體。涂層缺陷制約刀具的加工性能和使用壽命，但是，過分要求減少涂層缺陷也會(huì)影響涂層加工的生產(chǎn)效率或者對(duì)涂層設(shè)備提出過于苛刻的要求。因此，在對(duì)涂層缺陷的科學(xué)表征基礎(chǔ)上，對(duì)涂層缺陷進(jìn)行分類，按照高精度數(shù)控機(jī)床加工性能的要求來控制涂層缺陷，即：限制直接影響高精度加工的涂層缺陷，合理放寬對(duì)不影響高精度加工的涂層缺陷，是在現(xiàn)有涂層設(shè)備和技術(shù)基礎(chǔ)上獲得高品質(zhì)刀具涂層，并滿足我國(guó)高性能數(shù)控涂層刀具需求的有效途徑之一。 

　　根據(jù)對(duì)我國(guó)主要涂層刀具產(chǎn)品的涂層缺陷分析，并結(jié)合瑞典學(xué)者[2]對(duì)由國(guó)際主流PVD設(shè)備Oerlikon Balzers Sandvik Coating AB，采用高離子密度反應(yīng)離子鍍方法制備的TiN和反應(yīng)直流磁控濺射方法制備的WC/C涂層的表面缺陷的研究，本文提出將涂層缺陷分為：大液滴、結(jié)瘤與片狀凸出、空洞或盤型坑和針孔或氣泡的分類方法。 

　　大液滴（規(guī)則大尺寸凸出，圖2）：是涂層制備過程中，高能離子轟擊靶材獲得高沉積效率工況下的典型缺陷，一般顆粒的三維尺寸比較均勻，大于1.5μm，是嚴(yán)重影響刀具加工精度的涂層缺陷，對(duì)刀具的重復(fù)定位精度和加工件的表面質(zhì)量有影響。 

圖2 大液滴涂層缺陷

結(jié)瘤與片狀凸出（圖3）：是由于真空室內(nèi)的顆�；蛘呋�體表面的顆粒在涂層沉積以前附著在基體表面，隨著沉積存在于涂層當(dāng)中，往往是較為松軟的涂層缺陷，缺陷的面積尺寸往往大大的大于高度，在使用中易于剝落。

　　空洞或盤型坑（暴露基體，圖4）： 涂層中存在與涂層的結(jié)合不牢的外來顆粒在高應(yīng)力作用下進(jìn)行自發(fā)脫落，形成空洞缺陷；基體之間存在污染，在真空室冷卻時(shí)由于熱應(yīng)力作用而脫落形成盤形坑或暴露基體缺陷。 

圖4空洞或盤型坑缺陷

　　針孔或氣泡（圖5）：當(dāng)基體表面存在狹窄的凹坑時(shí)，涂層沉積過程中在凹坑邊優(yōu)先生長(zhǎng)，逐漸形成涂層針孔缺陷，而進(jìn)行表面拋光處理時(shí)，這種缺陷表面一層薄薄的涂層被磨掉，暴露出來。氣泡是100-400nm微顆粒，真空室內(nèi)形成片狀，當(dāng)他們穿過等離子體時(shí)可以得到電荷，這種離子能夠到達(dá)基體表面，并且在電荷的作用下被固定在基體表面，沉積過程中形成氣泡式缺陷。

2  PVD涂層表面缺陷的特征及處理 

　　從微觀角度觀察，PVD涂層制備過程中產(chǎn)生缺陷是不可避免的。Oerlikon Balzers 的PVD設(shè)備是國(guó)際主流生產(chǎn)型涂層設(shè)備，其涂層的表面缺陷水平也依然很高（見表1），而且，隨著涂層工藝的不同，缺陷的類型、尺寸和密度也有差異。由于涂層缺陷的存在不可避免要對(duì)數(shù)控機(jī)床的高精度加工和摩擦學(xué)性能產(chǎn)生影響，采用合適的方法改善涂層缺陷尺寸和密度是十分重要的。英國(guó)學(xué)者早在2000年就曾經(jīng)研究過原位真空拋光對(duì)TiN等涂層組織與性能的影響[6]，除了改進(jìn)表面狀態(tài)外，還發(fā)現(xiàn)高真空條件下的拋光能夠獲得TiN、TiAlN的XPS譜與RBS數(shù)據(jù)完全吻合，而且沒有擇優(yōu)濺射效應(yīng)。 

近年來，瑞士PLATIT公司采用V80設(shè)備對(duì)涂層基體表面進(jìn)行清洗，主要步驟為超聲波清洗、水沖洗和烘干等。其具體工藝參數(shù)不詳，但據(jù)稱可降低涂層缺陷的產(chǎn)生，提高涂層質(zhì)量。在表面后處理技術(shù)方面，該公司推出一系列應(yīng)對(duì)不同涂層的拋光劑（SmooFin powder、P1等）去除大液滴，其中采用SmooFin powder拋光劑處理后的涂層表面，其粗糙度Rz可以到達(dá)平均0.5µm數(shù)量級(jí)，加工壽命達(dá)到1000小時(shí)以上[17]。

圖6 拋光處理后對(duì)涂層表面形貌的影響

3  探討與展望 

　　研究表明：涂層缺陷對(duì)涂層刀具的摩擦學(xué)性能和切削加工性能的影響是存在的。涂層缺陷過大、過多將會(huì)使刀具的耐磨性能降低，影響切削加工精度，縮短其加工壽命。但是，涂層缺陷是涂層制備過程中不可避免的產(chǎn)物，較少涂層缺陷往往意味著降低生產(chǎn)效率。因此，科學(xué)的確定涂層缺陷的各個(gè)參數(shù)對(duì)刀具的摩擦學(xué)性能和切削加工性能的影響，即，具體什么類型的涂層缺陷對(duì)刀具的摩擦學(xué)性能和切削加工性能有什么樣的影響？缺陷尺寸減小到何種尺寸，密度減少到多少時(shí)它對(duì)刀具的摩擦學(xué)性能和切削加工性能影響可以忽略不計(jì)？進(jìn)而形成涂層缺陷的工業(yè)化規(guī)范，將會(huì)對(duì)現(xiàn)有刀具的涂層制備、后處理等工序起到重要的指導(dǎo)作用，并且能夠大大降低刀具的制造成本。但是，這些涂層缺陷表征的方法至今還沒有量化指標(biāo)，還沒有人進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。 

　　研究涂層缺陷對(duì)涂層刀具的摩擦學(xué)性能和切削加工性能的影響必須對(duì)涂層缺陷進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的表征。本文嘗試對(duì)涂層缺陷進(jìn)行了分類，是否能夠反映我國(guó)刀具涂層的技術(shù)形狀，還有待深入研究。可以肯定的是，通過三維數(shù)字化表征，能夠直觀準(zhǔn)確的研究涂層的缺陷，有助于研究刀具涂層缺陷的形成機(jī)理，量化分析缺陷的大小、分布和密度等涂層缺陷對(duì)刀具摩擦學(xué)性能、切削加工性能的影響，有助于提高我國(guó)刀具涂層技術(shù)水平。 

　　常用的涂層缺陷表征手段有掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）以及白光共焦顯微鏡（或白光干涉顯微鏡）等。SEM方便快捷，其缺點(diǎn)是不能對(duì)涂層缺陷進(jìn)行三維形貌觀察，無法準(zhǔn)確表征缺陷的深度或高度數(shù)據(jù)；原子力顯微鏡能夠?qū)ν繉尤毕葸M(jìn)行三維形貌觀察，但是其檢測(cè)范圍較小，無法表征液滴等大尺度缺陷；而白光共焦顯微鏡（或白光干涉顯微鏡）等設(shè)備，檢測(cè)范圍大，對(duì)于刀具涂層缺陷檢測(cè)有足夠的精度，特別適合對(duì)刀具涂層缺陷進(jìn)行三維數(shù)字化表征，但它也有缺點(diǎn)，不能夠?qū)Υ嬖卺樋资降耐繉尤毕葸M(jìn)行量化�；�于這些檢測(cè)方法對(duì)于涂層缺陷的表征存在的不足，需要采取相應(yīng)的改進(jìn)彌補(bǔ)措施。 

涂層刀具后處理對(duì)刀具摩擦學(xué)性能和切削加工性能影響顯著。國(guó)外大量的生產(chǎn)實(shí)際已經(jīng)證明，對(duì)切削刃的拋光處理，將大大的延長(zhǎng)刀具的使用壽命。而目前國(guó)內(nèi)對(duì)于硬質(zhì)合金刀具切削刃的后處理方面的重視程度不夠，與國(guó)外的類似產(chǎn)品相比，存在著針對(duì)性不強(qiáng)、拋光效果不佳等缺點(diǎn)，在拋光劑的選擇和使用方面也存在一定的誤區(qū)，應(yīng)該加強(qiáng)研究。 

　　近年來，隨著高精度數(shù)控機(jī)床對(duì)刀具切削加工精度要求的提高，越來越多的學(xué)者已經(jīng)意識(shí)到了涂層缺陷對(duì)于刀具高精度加工有著重大的影響，刀具涂層方面研究的主要方向已經(jīng)由新涂層的研究轉(zhuǎn)到了涂層的顯微研究。但是，受限于涂層缺陷的無損檢測(cè)技術(shù)以及缺陷形成機(jī)理研究模型的欠缺，這方面的研究目前還處于起步階段，仍有許多工作要做。預(yù)計(jì)未來涂層缺陷的主要研究將集中于缺陷的形成機(jī)理研究、缺陷對(duì)刀具切削加工性能以及摩擦學(xué)性能的影響研究、涂層沉積技術(shù)和參數(shù)的優(yōu)化等方面。通過加大對(duì)涂層缺陷方面的研究，并且與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，形成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將促進(jìn)改變目前我國(guó)高檔數(shù)控刀具過度依賴國(guó)外產(chǎn)品的局面。