刀具PVD涂层技术的研究

　　与国外相比，我国刀具PVD涂层技术的研究和开发起步并不太晚，而且在发展初期大量引进了当时国际上最先进的各类涂层设备，八十年代后期国产涂层设备也得到了迅速发展，但该项技术真正广泛应用于高速钢刀具却是在九十年代中期。     

　　到目前为止，虽然国内对硬质合金刀具TiCN涂层的研究已取得突破，但国内市场的涂层产品仍以TiN涂层为主。分析其原因，可归纳为以下几点：    

　　(1)前期集中引进对国内PVD技术后续发展的影响    

　　八十年代中期国外PVD技术及装备的集中引进虽然使我国发展该项技术有了一个高起点，同时也解决了高速钢刀具的涂层问题，但由于引进设备的厂家都是国内的刀具生产骨干企业(其刀具产品的国内市场占有率很高)，这些先进涂层设备的引进在相当长一段时间内已可满足这些企业的生产要求，因此对国产PVD技术和设备的需求不太强烈，这在一定程度上影响了国产PVD设备在刀具制造领域的应用与发展；另一方面，八十年代中期PVD技术还处于发展初期，随着该项技术的不断发展，进入九十年代后新技术层出不穷，这些企业早期引进的技术亟待更新，但昂贵的价格使企业很难再次引进新技术和新设备，国内也因此错失了发展提高PVD技术的最佳时期。    

　　(2)对新工艺的研发重视不够    

　　尽管八十年代国内引进了当时最先进的PVD技术，但当时PVD技术尚处于发展初期，国内对其后续发展空间及发展速度无法充分估计；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型技术，在研究、生产、应用等方面对人员配置有较高要求，而大部分引进PVD技术的企业偏重生产，对开发人员及资金配置不足，难以推动工艺技术的进一步自主开发，新工艺、新技术仍需再引进，而再引进的费用十分昂贵(如Balzers公司的设备从TiN涂层工艺升级为TiCN涂层工艺，仅硬件改造费即需30万美元)，因此影响了国内涂层技术新工艺和装备的研发。    

　　(3)国产设备开发缺乏统一性、合理性及协作性    

　　八十年代后期，国内一些真空设备制造厂及科研单位对PVD刀具涂层市场过于乐观，纷纷加大各类PVD涂层设备的开发力度，但由于缺乏对切削工艺及刀具涂层工艺的深入了解，与工具厂合作不够，因此开发的涂层设备大多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。由于此类设备大多只能用于麻花钻的涂层，而麻花钻涂层费用极低，相应涂层设备的利润也很低，因此到九十年代以后，大部分真空设备制造厂已把发展方向转向其它行业(如装饰涂层等)。    

　　(4)售后服务欠缺制约了国产涂层设备的推广应用    

　　迄今为止，国内大部分涂层设备生产厂还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)，这种技术不完整性给用户的生产带来许多技术问题；此外，由于设备生产厂不能提供长期技术服务，导致国产涂层设备难以保证长时期稳定、正常使用，从而极大限制了PVD涂层设备的推广应用。    

　　(5)涂层质量不稳定制约了涂层技术的推广应用    

　　引进设备的高昂成本导致涂层价格居高不下，涂层费用甚至可超过刀具价格的50%；由于引进渠道不一，设备选择依据不同，导致设备工艺水平相差较大，影响了涂层刀具的使用效果；由于国产涂层刀具质量不稳定，涂层刀具检验标准不完备，因此在应用领域内造成了涂层价格高、涂层质量不稳定且涂层后刀具性能改善不明显的不良印象，严重影响了刀具涂层技术的推广应用和快速发展。    

　　(6)国内机械加工水平不高制约了涂层技术的快速发展    

　　在二十世纪八十年代，我国数控机床的应用还十分有限，机械加工仍处于较低水平，高速钢刀具的应用占全部刀具的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，这在一定程度上也影响了涂层技术的进一步发展。

　　对策建议     随着我国汽车、航空、航天、重机等工业的发展以及数控机床的迅速普及，我国机械加工技术正朝着高速加工、绿色制造的方向发展，高速滚齿、高速铣削以及干式切削工艺的应用对刀具涂层技术提出了更高要求。    

　　以齿轮高速滚削加工为例，先进的工艺需要采用滚刀MoS2软涂层技术，与TiN涂层相比，使用寿命可提高一倍以上。在高速铣削加工中，硬质合金铣削类刀具多选用TiAlN、TiAlCN或TiNAlN涂层，单一的TiN涂层已不适合此类加工。市场的需求迫使国内必须加速PVD新技术的研究和开发。    

　　 笔者认为，要使我国新型PVD涂层技术得到快速而有序的发展，应努力做好以下几方面工作：    

　　(1)加强项目的规划与管理     工具行业管理部门应加强PVD涂层项目的规划与管理工作，明确我国新型PVD涂层技术的短、中、长期发展目标，确立有计划、不间断发展的方针，并通过“官、产、学、研、商”的有机结合，使项目既有政策支持又有资金保障。我国在这方面也有过成功经验：在八十年代中期，为了在引进基础上立足于自行开发，提高工具行业涂层技术的整体水平，原机械工业部机床工具司组织了全行业力量对引进设备进行技术攻关，开发出的热阴极弧磁控等离子镀膜机已在工具行业成功地推广应用，并因此带动了国内TiN涂层刀具的普及应用。    

　　(2)建立统一的研究、开发、服务体系     建立统一的研究、开发、服务体系，根据涂层技术的发展趋势和国内外市场需求，有系统地引进国际先进技术，加强对引进技术的消化吸收及协作研究工作，逐步增强自我开发能力，形成专利技术，最终实现满足国内市场需求和参与国际市场竞争的目的。    

　　(3)建立刀具涂层技术的行业标准     建立涂层设备、涂层刀具的行业检验标准，严格控制涂层刀具质量，确保涂层技术的大面积推广应用。

　　工具技术切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命，使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。因此，涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。我国的刀具涂层技术经过多年发展，目前正处于关键时期，即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求，国内各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。因此，充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势，瞄准国际涂层技术先进水平，有计划、按步骤地发展刀具涂层技术(尤其是PVD技术)，对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

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