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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。信息来源：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。
国内商业应用PVD技 术概况
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国内PVD涂层技术的研发工作始于八十年代初，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。由于对刀具涂层市场前景的看好，国内引进了热阴极离子镀及阴极电弧（多弧）离子镀技术与装 备。技术及装备的引进摧动了国内刀具PVD涂层技术的第一次开发热潮，国内各大真空设备厂及科研单位纷纷展开了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低，涂层工艺稳定性差，预期的市场效益未能实现，从而导致了近十多年国内刀具PVD涂层技术处于徘徊不前的 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，但在随后的发展过程中也并未得到市场认 可。随着我国汽车工业的迅速崛起、先进制造技术的大量引进及数控加工技术大面积的普及，自本世纪初，PVD技术在国内掀起了第二次开发热潮。与九十年代不 同，目前国内 PVD技术的发展更具多元性及创新性，归纳起来有以下几种类型：
① 阴极电弧法（Cathode Arc Deposition ） 国内已由小圆型阴极电弧技术发展到大面积阴极电弧技术及柱型靶阴极电弧技术，主要用于TiAlN等薄膜的制备。
② 热阴极法（Hot Cathode Plating ） 源于Balzers的技术，主要用于TiN等薄膜的制备。
③ 磁控溅射法（Magnetron Sputter Plating ） 近年来，磁控溅射技术一直是国内涂层业的重点发展方向，先后出现了非平衡磁控溅射技术、磁控溅射加辅助离子源技术等，可制备各类薄膜。
④ 磁控溅射附加阴极电弧法 目前国内已较多采用的技术，可用于多种薄膜的制备。
⑤空心阴极附加磁控溅射及阴极电弧法 空心阴极在国内是一项传统技术，其应用市场仍旧存在。为了充分发挥此技术的特点，国内的研究者将空心阴极与磁控溅射技术、阴极电弧技术结合在一起，用于多 元薄膜的制备，且这种全新的尝试已对市场产生了影响。
归纳起来，国内刀具涂层技术开发的目的仍以TiAlN薄膜为主，上述各类技术已可在 切削刀具上制取
当前国内薄膜技术研究的主要热点
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近 年来纳米超硬膜技术已成为涂层领域研究开发的热点，自2000年以来在国内已进入持续开发阶段。超硬膜定义为硬度大于40GPa，众所周知，金刚石、立方 氮化硼、非晶态类金刚石等具有超硬膜的本征硬度，其研究及应用已经历了较长时间，但其膜系本身的某些特性却制约了应用领域的拓展。如金刚石薄膜并不适合于 铁基材料的切削加工，而立方氮化硼薄膜由于难于与刀具基体结合、易剥落，且高纯度的c-BN制备困难，也尚未达到商业应用水平。因此近年来薄膜技术的开发 热点更多的集中于非本征超硬膜的研究。非本征硬度超硬薄膜的超硬性和力学性能主要来自于它们组成物的性质和超细显微结构，其组成物多为氧化物、碳化物、氮 化物及硼化物，而其显微结构达到了纳米数量级。
按照Koehler外延异质结构理论，当沉积制备两种不同弹性模量金属M（1）和M （2）的多层膜时（EM（1）〈EM（2）〉，单层膜的厚度尺寸达到较小数量级时，可有效地阻碍位错源在层内的增殖；当受外部应力作用时，M（1）中的位 错将向M（1）/M（2）界面移动，M（2）中形成的弹性应变会产生一种排斥力，阻碍位错通过界面，因此多层膜的硬度比由混合规则计算得到的硬度高得多。
基于Koehler理论，纳米多层膜的研究已逐渐成为涂层界的开发热点，其设计思路是控制多层膜的一维周期结构，有效调整膜中的位错、缺 陷及运动，从而获得高硬度、高模量及高温性能优异的薄膜。
按其组成，纳米多层超硬膜可分为如下几类：
1、氮化物/氮化 物：TiN/VN，56GPa；TiN/VNbN，41GPa；TiN/NbN，51GPa；TiN/SiN，80～105 GPa
2、 氮化物/碳化物：TiN/CNX，45～55GPa；ZrN/CNX，40～45GPa
3、碳化物/碳化物：TiC /VC，52GPa；TiC/NbC，45～55GPa；WC/TiC，40GPa
4、氮化物或碳化物/金属：TiN /Nb，52GPa；TiAlN/Mo，51GPa
5、氮化物/氧化物：TiAlN/Al2O3
6、硼化物/氮化物 或碳化物：TiB/TiN，TiB/TiC，50～70GPa
7、金属/金属等
纳米多层膜的超硬特性及高的模量预示着 在工具领域的广阔应用前景，因此激发了国内相关科研工作者的开发热情。自2000年以来，武汉大学、吉林大学、上海交通大学、西安交通大学等相继开展了类 似的研究工作。研究的重点在于各类纳米多层膜致硬机理的探索，所研究的膜系涉及C3N4/TiN、TiN/NbN、 TaN/NbN、TiN/Al2O3，TiN/Si3N4，TiN/AlN，TiN/TiB2，TiN/SiO2，TIN/SiC，AlN/VN， Si3N4/CrN等，并获得了所期望的硬度及杨氏模量，而采用的制备手段则以PVD磁控溅射技术为主。上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室所做的 纳米多层AlN/（Ti,Al）N膜，当一维调制周期为10nm时，得到最高硬度29GPa；而当一维调制周期为1.3nm时，可得到最高杨氏模量 377.8GPa。
但应引起重视的是，要实现超硬效应，经实验室研究证实，多层膜的一维周期通常应在10nm左右，而以磁控溅射为主的薄 膜制备技术则基于通过对靶材与被镀工件空间位置及时间长短的控制，达到调整此周期的目的。对于复杂型面的切削刀具而言，各型面处获得均匀一致的纳米尺度的 多层膜层显然十分困难，因此，尽管纳米多层膜的超硬特性及高的模量有望大幅度地提高刀具的综合性能，但到目前为止尚未能进入商业应用。
德 国慕尼黑工业大学的Veprek等则根据Koehler的外延异质结构理论，提出了纳米复合超硬薄膜的理论和设计概念，并采用等离子体化学气相沉积方法制 备了Ti-Si-N（nc-TiN/α-Si3N4）薄膜，据称薄膜硬度可达到105GPa。国内的西安交通大学、青岛化工学院、成都工具研究所等也与其 合作进行了相关的研究工作，并获得了具有价值的实验数据。仅就制备方法而言，PCVD更适合复杂型面工件的纳米级薄膜的制备，然而目前工艺的重复性则是影 响其商业应用的关键问题。
国内PVD技术研究及应用存在的问题
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1、刀具涂层市场的变化
涂层刀具的应用与切削加工技术紧密相关，与九十年代不同，目前的应用更多地集中于硬质合金可转 位刀片、高速齿轮刀具、硬质合金棒式刀具及部分异型刀具。应用于数控机床，其切削加工速度通常高于100m/min，而单一的TiN薄膜已难于满足使用要 求。目前国内商业应用PVD技术，仍以高速钢刀具涂层为主，尽管市场对涂层刀具的需求不断上升，例如重庆地区的刀具涂层加工总额已从2000年的100万 元增长到了今年的1000万元以上，但应用领域仍以摩托车齿轮加工等行业为主，切削速度大多低于50m/min；而在硬质合金刀具领域应用较少，其大多数 高端涂层刀具产品被国外涂层公司所垄断，尤其是国外刀具涂层加工服务中心的出现，使国内的涂层加工服务企业面临更加严峻的竞争局面。
2、 技术上存在的问题
尽管近年来国内刀具涂层技术有了多元性发展，并已可以制备TiAlN及多层薄膜，但尚未形成真正的、具有国际竞争力的工 业化生产工艺技术及装备，其主要存在的问题如下：
①尽管国内的TiN涂层工艺工业应用基础较好，但在高速切削加工领域及硬质合金刀具涂层 方面却无法满足市场要求，与国外TiAlN涂层相比，涂层刀具寿命相差100%～200%；
②国内的TiAlN涂层技术在成分、薄膜结 构、致密性、结合强度以及均匀性等方面尚不成熟，在常规切削加工中，所表现出的性能与TiN相比并未显现出其优越性；
③在现代先进切削加 工制造中，精密成型加工的要求越来越高，通过合理的薄膜制备技术获取致密的薄膜组织及光整的表面形貌乃是高水平刀具涂层技术发展的基础与根本，与九十年代 不同，国内已淡化了薄膜制备技术的基础研究工作。
④ 尽管国内许多院校正在开展多种超硬薄膜材料的研究工作，也获得了极具价值的实验数据，比如含硅、硼等纳米多层膜，但就商业应用而言，其与市场要求仍存在较 大差距，究其原因可归纳为几方面：目前研究的重点仅在于超硬膜致硬机理的探索，而缺乏制备技术的基础研究；受条件所限，国内超硬膜的制备仍以普通磁控溅射 技术为主，对于复杂型面切削刀具的超硬薄膜的制备而言，并不是最佳的选择；与商业应用技术紧密相关的薄膜结合强度的提高、内部应力的控制技术的研究则少有 人问津。
3、涂层设备开发制造存在的问题
由于缺乏资金支持，国内涂层设备在设计、开发上与国外差距较大，尽管也有某些创 新思路，但绝大多数设备制造商延续了原有的设计概念，设备的结构与九十年代大同小异，由于对薄膜制备机理缺乏深入研究，因此在设备的设计上存在盲目性。
4、 整体配套性差，应用基础研究缺乏
整体配套性差、应用基础研究缺乏一直是困扰国内刀具涂层技术发展的瓶颈。目前刀具涂层的趋势是以发展涂层 加工中心为主，因此技术的整体性极为关键，前处理技术、涂层工艺技术、后处理技术及质量控制技术都是应予考虑的。而国内涂层设备制造商大多仅以提供涂层主 机为主，这种模式阻碍了工业化生产的快速推进；另一方面也造成设备制造商与市场的严重脱节，制约了技术的良性发展，使得创新无从谈起。
我 国刀具PVD涂层技术发展的问题与对策
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【问 题分析】
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。信息来源：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。
真空涂层技术的发展
真空涂层技术起步时间不长，国际上在 上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。由于
该技术需在高温下进行(工艺温度高于 1000?C)，涂层种类单一，局限性很大，因此，其发展初期未免差强人意。
到了上世纪七十年代末，开始出现 PVD(物理气相沉积) 技术，为真空涂层开创了一个充满灿烂前景的新天地，之后在短短的二、三十年间PVD 涂层技术得到迅猛发展，究其原因，是因为其在真空密封的腔体内成膜，几乎无任何环境污染问题，有利于环保；因为其能得到光亮、华贵的表面，在颜色上，成熟 的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色，可谓五彩缤纷，能够满足装饰性的各种需要；又由于 PVD 技术，可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层，应用在工装、模具上面，可以使寿命成倍提高，较好地实现了低成本、高收益的 效果；此外， PVD 涂层技术具有低温、高能两个特点，几乎可以在任何基材上成膜，因此，应用范围十分广阔，其发展神速也就不足为奇。
真 空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术，各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷，如今在 这一领域中，已呈现出百花齐放，百家争鸣的喜人景象。
与此同时，我们还应该清醒地看到，真空涂层技术的发展又是严重不平衡的。由于刀 具、模具的工作环境极其恶劣，对薄膜附着力的要求，远高于装饰涂层。因而，尽管装饰涂层的厂家已遍布各地，但能够生产工模涂层的厂家并不多。再加上刀具、 模具涂层售后服务的欠缺，到目前为止，国内大多数涂层设备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 层刀具和模具的应用技术等)，而且，它还要求工艺技术人员，除了精通涂层的专业知识以外，还应具有扎实的金属材料与热处理知识、工模涂层前表面预处理知 识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术
要求等，如果任一环节出现问题，都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。所有这些， 都严重制约了该技术在刀具、模具上的应用。
另一方面，由于该技术是一门介乎材料学、物理学、电子、化学等学科的新兴边缘学科，而国内 将其应用于刀具、模具生产领域内的为数不多的几个骨干厂家，大多走的也是一条从国外引进先进设备和工艺技术的路子，尚需一个消化、吸收的过程，因此，国内 目前在该领域内的技术力量与其发展很不相称，急需奋起直追。
2. PVD 涂层的基本概念及其特点
PVD 是英文“Physical Vapor Deposition”的缩写形式，意思是物理气相沉积。我们现在一般地把真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等都称为物理气相沉积。
较为成 熟的 PVD 方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。多弧镀设备结构简单，容易操作。它的离子蒸发源靠电焊机电源
供电即可工作，其引弧 的过程也与电焊类似，具体地说，在一定工艺气压下，引弧针与蒸发离子源短暂接触，断开，使气体放电。由于多弧镀的成因主要是借助于不断移动的弧斑，在蒸发 源表面上连续形成熔池，使金属蒸发后，沉积在基体上而得到薄膜层的，与磁控溅射相比，它不但有靶材利用率高，更具有金属离子离化率高，薄膜与基体之间结合 力强的优点。此外，多弧镀涂层颜色较为稳定，尤其是在做 TiN 涂层时，每一批次均容易得到相同稳定的金黄色，令磁控溅射法望尘莫及。多弧镀的不足之处是，在用传统的 DC 电源做低温涂层条件下，当涂层厚度达到0.3μm 时，沉积率与反射率接近，成膜变得非常困难。而且，薄膜表面开始变朦。多弧镀另一个不足之处是，由于金属是熔后蒸发，因此沉积颗粒较大，致密度低，耐磨性 比磁控溅射法成膜差。
可见，多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣，为了尽可能地发挥它们各自的优越性，实现互补，将多弧技术与磁控技术 合而为一的涂层机应运而生。在工艺上出现了多弧镀打底，然后利用磁控溅射法增厚涂层，最后再利用多弧镀达到最终稳定的表面涂层颜色的新方法。
大约在八十年代中后期，出现了热阴极电子枪蒸发离子镀、热阴极弧磁控等离子镀膜机，应用效果很好，使TiN 涂层刀具很快得到普及性应用。其中热阴极电子枪蒸发离子镀，利用铜坩埚加热融化被镀金属材料，利用钽灯丝给工件加热、除气，利用电子枪增强离化率，不但可 以得到厚度 3~5μm的TiN 涂层，而且其结合力、耐磨性均有不俗表现，甚至用打磨的方法都难以除去。但是这些设备都只适合于 TiN涂层，或纯金属薄膜。对于多元涂层或复合涂层，则力不从心，难以适应高硬度材料高速切
削以及模具应用多样性的要求。
3. 现代涂层设备(均匀加热技术、温度测量技术、非平衡磁控溅射技术、辅助阳极技术、中频电源、脉冲技术) 现代涂层设备主要由真空室、真空获得部分、真空测量部分、电源供给部分、工艺气体输入系统、机械传动部分、加热及测温部件、离子蒸发或溅射源、水冷系统等 部分组成。
3.1 真空室
涂层设备主要有连续涂层生产线及单室涂层机两种形式，由于工模涂层对加热及机械传动部分有 较高要求，而且工模形状、尺寸千差万别，连续涂层生产线通常难以满足要求，须采用单室涂层机。
3.2 真空获得部分
在真空技术中，真空获得部分是重要组成部分。由于工模件涂层高附着力的要求，其涂层工艺开始前背景真空度最好高于6mPa，涂层工艺结束后真空度甚至可达 0.06mPa 以上，因此合理选择真空获得设备，实现高真空度至关重要。
就目前来说，还没有一种泵能从大气压一直工作到接近超高 真空。因此，真空的获得不是一种真空设备和方法所能达到的，必须将几种泵联合使用，如机械泵、分子泵系统等。
3.3 真空测量部分
真空系统的真空测量部分，就是要对真空室内的压强进行测量。像真空泵一样，没有一种真空计能测量整个真空范围，人们于是按不同的原理和要求制成了许多种 类的真空计。
3.4 电源供给部分
靶电源主要有直流电源(如 MDX)、中频电源(如美国 AE公司生产的 PE、PEII、PINACAL)；工件本身通常需加直流电源(如 MDX)、脉冲电源(如美国AE公司生产的 PINACAL+)、或射频电源(RF)。
3.5 工艺气体输入系统
工艺气体，如氩气(Ar)、氪气(Kr)、氮气 (N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氢气(H2)、氧气(O2)等，一般均由气瓶供应，经气体减压阀、气体截止阀、管路、气体流量计、电磁阀、 压电阀，然后通入真空室。这种气体输入系统的优点是，管路简捷、明快，维修或更换气瓶容易。各涂层机之间互不影响。也有多台涂层机共用一组气瓶的情况，这 种情况在一些规模较大的涂层车间可能有机会看到。它的好处是，减少气瓶占用量，统一规划、统一布局。缺点是，由于接头增多，使漏气机会增加。而且，各涂层 机之间会互相干扰，一台涂层机的管路漏气，有可能会影响到其他涂层机的产品质量。此外，更换气瓶时，必须保证所有主机都处于非用气状态。
3.6 机械传动部分
刀具涂层要求周边必须厚度均匀一致，因此，在涂层过程中须有三个转动量才能满足要求。即在要求大工件台转动(I)的同时， 小的工件承载台也转动( II),并且工件本身还能同时自转(III)。
在机械设计上，一般是在大工件转盘底部中央为一大的主动齿 轮，周围是一些小的星行轮与之啮合，再用拨叉拨动工件自转。当然，在做模具涂层时，一般有两个转动量就足够了，但是齿轮可承载量必须大大增强。
3.7 加热及测温部分
做工模涂层的时候，如何保证被镀工件均匀加热比装饰涂
层加热要重要得多。工模涂层设备一般均有前后 两个加热器，用热电偶测控温度。但是，由于热电偶装夹的为置不同，因而，温度读数不可能是工件的真实温度。要想测得工件的真实温度，有很多方法，这里介绍 一种简便易行的表面温度计法 (Surface Thermomeer)。该温度计的工作原理是，当温度计受热，底部的弹簧将受热膨胀，使指针推动定位指针旋转，直到最高温度。降温的时候，弹簧收缩，指 针反向旋转，但定位指针维持在最高温度位置不动，开门后，读取定位指针指示的温度，即为真空室内加热时，表面温度计放置位置所曾达到的最高温度值。
3.8 离子蒸发及溅射源
多弧镀的蒸发源一般为圆饼形，俗称圆饼靶，近几年也出现了长方形的多弧靶，但未见有明显效果。圆饼靶装在铜靶座 (阴极座)上面，两者为罗纹连接。靶座中装有磁铁，通过前后移动磁铁，改变磁场强度，可调整弧斑移动速度及轨迹。为了降低靶及靶座的温度，要给靶座不断通 入冷却水。为了保证靶与靶座之间的高导电、导热性，还可以在靶与靶座之间加锡(Sn)垫片。磁控溅射镀膜一般采用长方形或圆柱形靶材，
3.9 水冷系统
因为工模涂层时，为了提高金属原子的离化率，各个阴极靶座都尽可能地采用大的功率输出，需要充分冷却；而且，工模涂层中的 许多种涂层，加热温度为 400~500?C，因此，对真空室壁、对各个密封面的冷却也很重要，所以冷却水最好采用18~20?C 左右的冷水机供水。为了防止开门后，低温的真空室壁、阴极靶与热的空气接触析出水珠，在开门前 10 分钟左右，水冷系统应有能力切换到供热水状态，热水温度约为 40~45?C。
4. 工模具PVD 的工作步骤
工 模具 PVD 基本工艺流程可简述为：IQC→前处理→PVD→FQC，分别介绍如后。
4.1 IQC
IQC(In Quality Control)的主要工作除了常规的清点数量
，
检查图纸与实物是否相符外，还须仔细检查工件表面，特 别是刃口部位有无裂纹等缺陷。有时对于一些刀具、刀粒的刃口，在体式显微镜下观察，更方便发现问题；另外，IQC 的人员还要注意检查待镀膜件有无塑胶、低熔点的焊料等，这些东西如果因漏检而混入镀膜程序，则将在真空室内严重放气，轻者造成整批产品脱涂层，重者使原本 OK 的产品报废，后果不堪设想。
4.2 前处理工艺(蒸汽枪、喷砂、抛光、清洗)
前处理的目的是净化或粗化工 件表面。净化就是要去除各种表面玷污物，制备洁净表面。通常使用各种净化剂，借助机械、物理或化学的方法进行净化。
粗化与光蚀相反， 其目的在于制备粗糙的表面以提高喷涂层或涂料装饰的结构强度。我们现在已有的前处理主要方法为：高温蒸洗、清洗、喷砂、打磨、抛光等方法。
4.2.1
高温蒸洗
目前，PVD 车间常用的高温蒸洗设备是蒸汽枪。它的最大工作温度可达 145?C，气压在 3~5 巴左右。由于模具中经常带有一些细小孔、螺纹孔，孔内中常常有油污、残余冷却液等杂质，用常规清洗的方法难以除去。此时，高温蒸洗设备便可最大程度的发挥 它的优越性。
4.2.2
清洗
各厂工模涂层前清洗程序大致如下：
1.超声波除蜡 →2.过水→3. 超声波除油→4.过水→5. 超声波自换→6.过水→7.过纯水→8.强风干燥
具体实施时，与我们所熟悉的装饰涂 层前的清洗又有许多不同。这是因为装饰涂层的底材大多为不锈钢或钛合金，不容易生锈。此外，装饰涂层对水印、点痣等缺陷是绝对不允许的。因此，装饰涂层对 纯水的水质要求极高，甚至要达到 15MΩ 以上。要保证清洗的高质量，可以通过反复清洗，并在高质量的纯水加超声波中长时间浸泡来得到。但是，工模的清洗就不同，尤其是一些热做模具钢，如果像装饰 涂层那样去清洗，就会锈得一塌糊涂。
由于工模涂层的原始表面状态，除了一些高标准的镜面模具以外，一般较装饰涂层要粗糙，因而，对涂 层后的表面状态的要求也不象装饰涂层那样高，这就允许我们采取快速过水，用干燥、无油的压缩空气吹干，然后对工模强风干燥的方法来处理。而那些高标准的镜 面模具，一般均为136 等不锈钢，可以借用装饰涂层的清洗法。
总而言之，工模涂层前的清洗方法因工模所使用的材料的不同而不同，因 工模涂层前的表面状态的不同而不同，且不可千篇一律。下面是几种材料生锈由难到易的排序，供参考：
不锈钢、硬质合金、金属陶瓷合金、 DC53、高速钢、8407 有一种自动清洗机型号为 CR288，产自德国。该机一次最大
清洗量为 80KG，主要用于清洗刀具、小型零部件、或小尺寸的模具。它共有三个清洗缸，里面的溶液分别为自来水+清洗剂、自来水、去离子水。除了常见的超声波、大 水冲洗、喷淋、摆动、热风干燥等功能外，该机另外一个优点是最后设有抽真空步骤，可以使水分尽快挥发掉。
自动清洗机内存十种工艺，均 由供方预先设定。一至九可分别用于不同类型的产品、不同的表面状态的净化处理。第十种用于加注清洗剂。
4.2.3
喷砂
喷砂法是借助压缩空气使磨料强力冲刷工件表面，从而去除锈蚀、积碳、焊渣、氧化皮、残盐、旧漆层等表面缺陷。按磨料使用条件，喷砂分为干喷砂与湿喷砂两 类。
喷砂的工艺参数主要有枪距、倾角、装夹台旋转速度、移动速度、行程、往返次数、喷砂时间、喷砂气压。我们已使用过的参数有枪 距：30~70mm; 倾角 30~70?C; 装夹台旋转速度 10~30；往返次数 3~9 次；喷砂气压：1.8~3.5 巴等。具体操作时，根据工件表面脏污程度，工件硬度，工件表面几何形状等因素，选取上下限。我们在干喷砂机中所选用的磨料为玻璃珠，适合喷一些硬度介中的 材料，如油钢、模具等；在液体喷砂机中所选用的磨料为氧化铝，硬度较高，适合喷一些硬度高的材料，如硬质合金材料。对于工模涂层而言，喷砂所使用的磨料粒 度也很重要。如果磨料粒度过大，则工件表面太粗糙；如果磨料粒度太小，又会降低冲击力度，甚至嵌在工件表面，清洗难以去除，从而使工件涂层附着力降低。为 此，欧洲一些国家，对工模涂层前喷砂
所用磨料粒度做过仔细研究，严格到必须保证 85%以上的晶粒度在中 A、B 两点范围内才能使用。相比之下，我国磨料的供应商还缺乏这方面的共识，我们也很少有做这方面的检验。
4.3 PVD 涂层工艺(加热、离子清洗、涂层、冷却、工艺气体、气压、温度、溅射功率)
4.4 FQC
FQC 的英文全拼为：“Function Quality Control”，意思是功能质量控制，它有别与一般意义上的 OQC(Out Quality Control) 。FQC 的内容主要包括外观检查、层深检查、附着力检查、耐磨性检查、抗蚀性检查、模拟性测试等方法。我厂目前应用的主要有外观检查、层深检查和附着力检查。由于 我们所接触的产品大多都是不允许做破坏性检查的，因而我们在镀膜时，每批都会放进随批试样。做层深检查和附着力检查的时候，大多数情况下，实际上是对随批 试样进行检查。因为试样与产品在原材料、热处理状态、装夹位置等方面都难于一致，所以这样检测出的结果，与产品实际值会有一定的误差。有时可能还会有相当 大的误差，只能做参考使用。当然，必要的时候，我们也可以通过制作模拟件，达到准确测量的目的。
4.4.1
外观检查
对于开门取件后的产品，应仔细检查表面有无裂纹、掉涂层、疏松等缺陷。对于刀具、刀粒，还需在显微镜下仔细检查它们的刃口状态。
4.4.2
层深检查
层深检查有切片金相观察法、X-ray 检查法、用单色光做光源的光学测试法、球磨仪测试法等多种方法。工模涂层的层深检查是在球磨仪上进行的。方法是先用直径为 10mm 的钢球与测试表面滚磨，然后在显微镜下测量磨痕的有关数据，带入公式中，即可方便算出层深。
这种层深检查法的特点是：方便适用，误差 稍大。但这种误差应用于工模上面影响不会太大。有兴趣的同事还可参阅有关的说明书。附着力的检查方法有很多，各个厂根据自己产品的特点，都制定了相应的检 测方法。其中，比较权威的方法有两种，一种是在洛氏硬度计上，以圆锥型金刚石压头做压痕试验，在显微镜下观察，以压痕周边裂纹的多少来判断涂层附着力的高 低。该方法对金刚石压头的形状要求很高，不但严格要求中心点在圆的中心，而且金刚石圆锥的圆度必须十分规则。遗憾的是，目前，我国还没有它的国家或行业标 准；另一种方法是划痕法，我国有些涂层发起较早的科研部门，也是采用的该方法，有专门的国家行业标准可供查询。
5. 工装夹具的处理
6. 涂后处理工艺(喷砂、涂脂技术，抛光处理)
7. 检测技术(结合力的检测、层深的检测、酸蚀)
8. 涂层剥离技术(TiN/TiAlN 的剥离技术、CrN/DLC/CrAlTiN 的剥离技术、硬质合金的表面涂层剥离技术)
9.涂层刀 具的应用技术(涂层的正确选择、涂层刀具的正确使用
涂层对刀具的优化非常大，由于高速切削加工比传统切削加工所产生的温度要高，应用 涂层，可以发挥其耐高温、抗氧化及加硬材质等作用。例如，氮化铬(CrN)涂层可降低磨擦系数，改善光洁度及排屑情况
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