刀具涂層市場展望

1 刀具涂層

    慧聰表面處理網：刀具表面涂層技術是應市場需求而發展起來的一項優質表面改性技術，由于該項技術可使切削刀具獲得優良的綜合機械性能，不僅可有效地提高刀具使用壽命，而且還能大幅度地提高機械加工效率，因此該項技術已與材料、加工工藝并稱為切削刀具制造的三大關鍵技術。為滿足現代機械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各國都十分注重涂層技術的發展。目前我國刀具涂層技術的發展正處在一個十分關鍵的時刻，尤其是PVD涂層技術，一方面原有的技術已不能滿足切削加工日益變化的要求；另一方面國內各大工具廠涂層設備已到了必須更新換代的時期，因此有計劃、按步驟的發展PVD技術，不僅能促進我國切削刀具產品技術水平的提高，而且還可獲得巨大的經濟效益和社會效益。

    2 國際刀具涂層技術的現狀及發展趨勢

    刀具涂層技術目前仍可劃分為兩大類，即CVD(化學氣相沉積)和PVD技術(物理氣相沉積)。

    2.1 國際CVD技術的發展

    CVD 技術自上世紀六十年代出現以來，在硬質合金可轉位刀具上得到了極為廣泛的應用。在CVD工藝中，氣相沉積所需金屬源的制備相對容易，可實現TiN、 TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復合涂層，其涂層與基體結合強度高，薄膜厚度可達7～9μm，相對而言，CVD涂層具有更好的耐磨性。八十年代中后期，美國85%的硬質合金工具采用了涂層處理，其中CVD涂層占到了99%；九十年代中期，CVD涂層硬質合金刀片在涂層硬質合金刀具中仍占到了80%以上。但CVD工藝也有其先天性的缺陷，一是工藝處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強度的下降；二是薄膜內部為拉應力狀態，使用中易導致微裂紋的產生；三是CVD工藝所排放的廢氣、廢液會造成工業污染，對環境影響較大，與目前所提倡的綠色工業相抵觸，因此九十年代中期后高溫CVD 技術的發展受到了一定的制約。

    八十年代末Krupp Widia開發的PCVD(低溫化學氣相沉積)技術達到了實用水平，其工藝處理溫度已降至450℃～650℃，有效地抑制了η相的產生，可進行TiN、TiCN、TiC等涂層，用于螺紋刀具、銑刀、模具等，但到目前為止 PCVD工藝在刀具涂層領域內的應用并不十分廣泛。

    真正引起CVD技術發生突變的是九十年代中期新型MT-CVD(中溫化學氣相沉積)技術的出現。新型MT-CVD是以含C/N的有機物乙腈(CH3CN)為主要反應氣體和TiCL4、H2、N2在700～900℃下產生分解、化學反應，生成TiCN的一種新方法，可獲得致密纖維狀結晶形態的涂層，涂層厚度可達8～10μm。這種涂層結構具有極高的耐磨損性、抗熱震性及韌性，并可通過HT-CVD(高溫化學氣相沉積)工藝技術在表層沉積上Al2O3、TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料。MT- CVD涂層刀片適合于高速、高溫、大負荷、干式切削條件下使用，其壽命可比普通涂層刀片提高1倍左右。

    從目前的發展來看，CVD工藝(包括MT-CVD)主要用于硬質合金車削類刀具的表面涂層，其涂層刀具適合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工，尤其是α- Al2O3涂層是目前PVD技術所難以實現的，因此在干式切削加工中，CVD涂層技術仍占有極其重要的地位。

  2.2 世界PVD技術的發展
    PVD技術出現于上世紀七十年代末期，由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下，因此可作為最終處理工藝用于高速鋼類刀具的涂層。PVD工藝可大幅度提高高速鋼刀具的切削性能，所以該項技術在八十年代得到迅速推廣應用。八十年代末工業發達國家復雜高速鋼刀具PVD涂層比例已超過了60%。

    PVD技術在高速鋼刀具領域的成功應用，引起了世界各國的高度重視，人們在競相開發高性能、高可靠性涂層設備的同時，也對其應用領域的擴大進行了更加深入的研究，尤其是在硬質合金、陶瓷類刀具領域中的應用。與CVD工藝相比，PVD工藝處理溫度低，在600℃以下對刀具材料的抗彎強度沒有影響(見表1試驗結果)；薄膜內部為壓應力，更適合于硬質合金精密復雜類刀具的涂層；PVD工藝對環境沒有不利影響，符合目前綠色工業的發展方向；此外，隨著高速切削加工時代的到來，高速鋼刀具應用比例的下降，硬質合金、陶瓷刀具應用比例的上升已成為必然，因此工業發達國家自九十年代初就開始致力于硬質合金刀具PVD涂層技術的研究，九十年代中期，硬質合金刀具PVD涂層技術已取得了突破性的進展，并普遍用于硬質合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。

    目前PVD技術不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結合強度，涂層成分也由第一代的TiN發展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、 TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多種多元復合涂層，且由于納米級涂層的出現(見圖2、3ZX涂層，即TiN-AlN涂層)，使得 PVD涂層刀具質量又有了新的突破，這種薄膜涂層不僅結合強度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好，并可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度，在進行高精度加工時，其加工精度毫不遜色于未涂層刀具。

                            平均抗彎強度(MPa)

    硬質合金牌號  未涂層  涂層(300℃)  涂層(600℃)  涂層(700℃)

     M20         2109     2266        2129        2059

     M30         2285     2469        2370        1894

表1 不同溫度下PVD涂層對硬質合金材料抗彎強度的影響⑴

    從目前涂層技術的發展來看，由于單一涂層材料無法滿足對刀具綜合機械性能的要求，現已難以被市場所接受，涂層成分向多元化發展已成為必然趨勢；為滿足不同的切削加工要求，涂層成分會更為復雜、更具針對性；每單層成分也會越來越薄，并逐步趨于納米化；涂層溫度會愈來愈低；刀具涂層工藝則會向更合理方向發展，預計PVD、MT-CVD工藝將會成為主流。

    序號   時間       涂層成分       涂層方法     主要應用領域

     1    1968年    TiC、TiN         CVD      硬質合金刀具、模具涂層

     2    1973年    TiCN、TiC+Al2O3  CVD      硬質合金刀具、模具涂層

     3    1979年    TiN              PVD      高速鋼刀具涂層

     4    1981年    TiC+Al2O3+TiN、  CVD       硬質合金刀具涂層     

                    Al-O-N

     5    1982年    TiCN            MT-CVD    硬質合金刀具涂層

     6    1984年    TiCN             PVD      硬質合金、高速鋼銑刀、鉆頭類刀具涂層

   7    1986年    Diamond、CBN    CVD、PVD   硬質合金刀具涂層

     8    1989年    TiAlN            PVD       硬質合金銑刀類涂層用于鋼、鑄鐵加工

     9    1990年    TiN、TiCN、TiCP   CVD       用于模具、螺紋刀具、銑刀等

     10   1991年    TiAlN+CrC        PVD        車、銑削鈦合金

     11   1993年    TiN+TiCN(CVD)+TiN(PVD) CVD+PVD 硬質合金銑削類刀具

     12   1993年    CrN               PVD       用于鈦合金、銅合金加工

     13   1994年    MoS2              PVD       用于高速鋼復雜刀具涂層

     14   1995年    TiN-AlN           PVD       硬質合金銑刀片涂層

     15   1996年   厚膜纖維狀TiCN    MT-CVD     硬質合金車削類刀具涂層 粗 半精加工

16   1996年    CNx             CVD、PVD    已可用于高速鋼刀具涂層

     17   2000年    TiAlCN            PVD       硬質合金刀片涂層

表2 主要涂層工藝發展時段及應用領域

    3 我國刀具涂層技術發展狀況

    3.1 我國CVD技術的發展

    我國CVD涂層技術的研究起源于七十年代初，由于該項技術的專用性強，國內從事其研究的單位并不太多。八十年代中期國內CVD刀具涂層技術達到實用化，其工藝技術與國際水平相當；在隨后十多年里與國際上的發展類似，較為緩慢；九十年代末期，國內開始MT-CVD的研究工作，預計該項工藝及裝備的研究工作2001年內可以完成，屆時設備及工藝技術將達到目前國際先進水平。我國PCVD技術的研究始于九十年代初，該項工藝技術主要應用于模具涂層，在刀具領域內的應用，目前也還不十分廣泛?？傮w上講，國內CVD技術與國際水平相差不大，如果MT-CVD技術開發成功，整體技術將會與國際先進水平保持同步。

    3.2 我國PVD技術的發展

    我國PVD涂層技術的研發工作始于八十年代初，八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機及高速鋼刀具TiN涂層工藝技術。與此同時，由于對刀具涂層市場前景的看好，國內大型工具廠有七家引進了大型PVD涂層設備，并均以高速鋼TiN涂層工藝為主。進口技術及設備的引進，調動了國內PVD技術的開發熱潮，國內各大真空獲得設備廠及眾多的科研單位紛紛展開了大型離子鍍膜機的研制工作，并于九十年代初開發出多種PVD設備。但由于大多數的設備性能指標差，刀具涂層工藝無法保證，再加上預期的市場效益也未能實現，致使大多數單位放棄了PVD刀具涂層技術進一步的研究工作，因此導致近十年里國內刀具PVD涂層技術處于徘徊不前的局面。盡管九十年代末國內成功開發出了硬質合金TiN-TiCN-TiN 多元復合涂層工藝技術，并達到了實用水平，CNx涂層技術也有了重大突破，但與國際水平相比，我國刀具PVD涂層技術大概落后了十年左右。目前國外刀具 PVD技術已發展到了第四代，而國內尚處于第二代的水平，且仍以單層TiN涂層為主。