我国刀具PVD涂层技术发展的问题与对策.docx

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我国刀具PVD涂层技术发展的问题与对策

我国刀具PVD涂层技术发展的问题与对策

2010-05-2514:

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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

　　　~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

　　　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（CathodeArcDeposition）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（HotCathodePlating）源于Balzers的技术，主要用于TiN等薄膜的制备。

　　　③磁控溅射法（MagnetronSputterPlating）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

　　　~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

　　　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，80～105GPa

　　　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

　　　~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

　　　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

　　　~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

　　　【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