切削刀具涂層技術(shù)研究進(jìn)展

　　切削刀具（涂層硬質(zhì)合金和涂層高速鋼刀具）表面涂層技術(shù)是近幾十年來應(yīng)巿場(chǎng)需求發(fā)展起來的材料表面改性技術(shù)。采用涂層技術(shù)可有效延長(zhǎng)切削刀具的使用壽命，賦予刀具優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，從而大幅提高機(jī)械加工效率。也正因?yàn)榇耍�涂層技術(shù)與切削材料、切削加工工藝一起并稱為切削刀具制造領(lǐng)域的三大關(guān)鍵技術(shù)。

　　切削刀具涂層是指在機(jī)械切削刀具的表面上涂覆一層硬度和耐磨性很高的物質(zhì)。為滿足現(xiàn)代機(jī)械加工對(duì)高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各國(guó)制造業(yè)對(duì)涂層技術(shù)的發(fā)展及其在刀具制造中的應(yīng)用日益重視，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的工廠中，實(shí)施了涂層的刀具在總體中的占比近60%。

　　目前涂層技術(shù)方法主要有氣相沉積法、溶膠－凝膠法、熱噴涂法等。其中，氣相沉積法的應(yīng)用較多，且制備涂層的質(zhì)量較高。氣相沉積技術(shù)通常可分為物理氣相沉積（physicalvapordeposition，PVD）和化學(xué)氣相沉積（chemicalvapordeposition，CVD）。

　　通過氣相沉積法制備切削刀具表面涂層的方法主要包括以下幾種：磁控濺射沉積涂層、電弧離子鍍沉積涂層、高溫化學(xué)氣相沉積涂層、中溫化學(xué)氣相沉積涂層、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積涂層。這當(dāng)中最常用的為高溫化學(xué)氣相沉積、磁控濺射沉積和電弧離子鍍，下文將結(jié)合各類涂層技術(shù)的不同機(jī)理，闡述其優(yōu)缺點(diǎn)。

    磁控濺射沉積技術(shù)

    磁控濺射沉積涂層（magnetronsputtering）技術(shù)屬于輝光放電范疇，利用陰極濺射原理進(jìn)行鍍膜。膜層粒子來源于輝光放電中氬離子對(duì)陰極靶材產(chǎn)生的陰極濺射作用。氬離子將靶材原子濺射下來后，沉積到工件上形成所需膜層。因?yàn)樵跒R射裝置的靶材部分引入磁場(chǎng)，磁力線將電子約束在靶材表面附近，延長(zhǎng)其在等離子體中的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而提高其在參與氣體分子碰撞和電離過程的程度。

    磁控濺射沉積具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）沉積速率高、維持放電所需靶電壓低；（2）電子對(duì)于襯底的轟擊能量小；（3）膜層組織細(xì)密，由于磁控濺射沉積涂層是靠陰極濺射方式得到的原子態(tài)粒子，攜帶著從靶面獲得的較高能量到達(dá)工件，利于形成細(xì)小核心、長(zhǎng)成非常細(xì)密的膜層組織；（4）磁控濺射沉積涂層能夠獲得大面積薄膜，可獲得廣泛應(yīng)用。

    但是這一方法也存在以下一些問題：（1）靶材刻蝕不均勻。由于磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，使靶材利用率低。這可以通過合理設(shè)計(jì)靶材結(jié)構(gòu)、配加電磁場(chǎng)來促成靶面磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，實(shí)現(xiàn)放電掃描，從而有效提高靶材利用率。（2）金屬離化率低。針對(duì)此，可按要求加大（或減少）靶中心的磁體體積，造成部分磁力線發(fā)散至距靶較遠(yuǎn)的襯底附近，達(dá)成非平衡磁控濺射（unbalancedmagnetronsputtering）。

    值得一提的是，磁控濺射方法也可用于制備多層膜和納米膜，而隨著高新技術(shù)和新興加工業(yè)的迅速發(fā)展，沉積具有更高性能的多層膜和納米膜的需求日漸增多。因此，磁控濺射技術(shù)值得進(jìn)一步的深入研究和發(fā)展，其應(yīng)用前景優(yōu)越。

    電弧離子鍍沉積技術(shù)

    離子鍍（ionplating,IP）是在真空蒸發(fā)鍍的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，它將各種氣體放電方式引入氣相沉積領(lǐng)域，使得整個(gè)氣相沉積過程都在等離子體中進(jìn)行。

    其中，電弧離子鍍（arcionplating,AIP）屬于冷場(chǎng)致弧光放電范疇，是一種沒有固定熔池的固態(tài)蒸發(fā)源，多采用圓形陰極電弧源作為蒸發(fā)源。

    AIP的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）金屬離化率高，高達(dá)60%～90%；（2）電弧離子鍍的沉積速率高；（3）沉積涂層的膜基結(jié)合力好；（4）容易獲得氮化鈦等化合物涂層，在200℃以下可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。

    AIP的不足之處是：（1）膜層中粗大熔滴的存在增大了表面粗糙度，增加了光線的漫反射，因而降低了飾品的表面亮度；（2）粗大熔滴在切削時(shí)容易剝落，造成涂層表面的缺陷。

    電弧離子鍍制備涂層的種類非常多，涉及領(lǐng)域也極為廣泛，可用于硬質(zhì)防護(hù)涂層的沉積，涂層涵蓋了各種金屬氧化物、碳化物、氮化物和某些金屬及合金材料。其也可用于多層結(jié)構(gòu)涂層和納米多層結(jié)構(gòu)涂層的制備，具有電弧離子鍍操作簡(jiǎn)單、鍍膜室空間利用率大、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，近年來已經(jīng)發(fā)展成為沉積硬質(zhì)涂層的重要技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外都得到了迅猛發(fā)展。

    近年來一種新的涂層制備系統(tǒng)采用了復(fù)合涂層技術(shù)，其結(jié)合電弧離子鍍和磁控濺射沉積兩種技術(shù)，系統(tǒng)配置有幾個(gè)電弧和磁控濺射陰極，電弧層可作為過渡層或?yàn)檎麄�(gè)涂層提供必需的耐磨性，與此同時(shí)，磁控濺射層則提供高溫和化學(xué)穩(wěn)定性。這一復(fù)合涂層技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是沉積過程易于控制、穩(wěn)定性好、重復(fù)性佳，其沉積速度（≧0.5μm/h）足以滿足工業(yè)化生產(chǎn)中對(duì)節(jié)省處理時(shí)間的實(shí)際要求。

    高溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)

    高溫化學(xué)氣相沉積涂層（hightemperaturechemicalvapordeposition，HTCVD，一般簡(jiǎn)稱為CVD）技術(shù)是指在一定溫度條件下，涂層材料的混合氣體在硬質(zhì)合金表面相互作用，使混合氣體中的一些成份分解，并在刀具表面形成金屬或化合物的硬質(zhì)涂層。

    此方法成功實(shí)施的關(guān)鍵在于：（1）作為涂層材料的混合氣體與硬質(zhì)合金表面的相互作用、也即涂層材料的混合氣體之間在硬質(zhì)合金表面上反應(yīng)來產(chǎn)生沉積，或是通過涂層材料的混合氣體的一個(gè)組分與硬質(zhì)合金表面反應(yīng)來產(chǎn)生沉積；（2）該沉積反應(yīng)必須在一定的能量激活條件下進(jìn)行。

    高溫化學(xué)氣相沉積涂層具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）其所需涂層源的制備相對(duì)容易；（2）可以沉積金屬碳化物、氮化物、氧化物等單層及多元層復(fù)合涂層；（3）涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度高；（4）涂層具有良好的耐磨性能。

    不可否認(rèn)的是，這種方法存在著先天性的缺陷。主要有以下幾點(diǎn)：(1)涂層溫度高。即涂層沉積溫度高于900℃，使涂層與基體之間容易產(chǎn)生一層脆性的脫碳層（η相），從而導(dǎo)致硬質(zhì)合金材料的脆性破裂，抗彎強(qiáng)度下降；(2)涂層內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，使用時(shí)容易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生；(3)在涂層過程中排放的廢氣、廢液會(huì)造成工業(yè)污染，對(duì)環(huán)境的影響較大。也正因?yàn)榇耍��?0世紀(jì)90年代中后期該方法的發(fā)展受到了一定制約。

    中溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)

    中溫化學(xué)氣相沉積涂層（moderatetemperaturechemicalvapordeposition，MTCVD）技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理是以含C-N原子團(tuán)的有機(jī)化合物如三甲基氨、甲基亞胺等為主要反應(yīng)原料氣體，與TiCl4、N2、H2等氣體在700℃～900℃溫度下，產(chǎn)生分解、化合反應(yīng)，生成TiCN等涂層。

    MTCVD的優(yōu)點(diǎn)是：(1)沉積速度快、沉積溫度較低；(2)涂層較厚；(3)對(duì)于形體復(fù)雜的工件涂層均勻；(4)涂層附著力高；(5)涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力小。鑒于此，這種方法易于工業(yè)化，是一種優(yōu)于高溫化學(xué)氣相沉積涂層的涂層方法。

    MTCVD也有缺點(diǎn)：(1)涂層內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，使用時(shí)容易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生；(2)在涂層過程中排放的廢氣、廢液會(huì)造成工業(yè)污染，對(duì)環(huán)境不友好。上述原因在某種程度上也制約了這種技術(shù)方法的發(fā)展。

    采用MTCVD技術(shù)可獲得致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)的涂層，涂層厚度可達(dá)8～10μm。這種涂層結(jié)構(gòu)具有極高的耐磨性、抗熱震性及韌性，適于在高速、高溫、大負(fù)荷、干式切削條件下使用，從刀片壽命來看，相比普通涂層刀片的壽命可提高一倍左右。

    等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)

    等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積涂層(plasma-enhancedchemicalvapordeposition，PECVD)技術(shù)是指通過電極放電產(chǎn)生高能電子使氣體電離成為等離子體，或者將高頻微波導(dǎo)入含碳化合物氣體產(chǎn)生高頻高能等離子、由其中的活性碳原子或含碳基團(tuán)在硬質(zhì)合金的表面沉積涂層的方法。

    PECVD的優(yōu)點(diǎn)：(1)它利用等離子體促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，可將涂層溫度降至600℃以下；(2)由于涂層溫度低，在硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會(huì)發(fā)生擴(kuò)散、相變或交換反應(yīng)，因而基體可以保持原有的強(qiáng)韌性。

    PECVD的缺點(diǎn)：(1)設(shè)備投資大、成本高，對(duì)氣體的純度要求高；(2)涂層過程中產(chǎn)生的劇烈噪音、強(qiáng)光輻射、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對(duì)人體有害；(3)對(duì)小孔孔徑內(nèi)表面難以涂層等。

    PECVD工藝的處理溫度已降至450～650℃，這有效抑制了η相，可用于螺紋刀具、銑刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂層應(yīng)用，但是迄今為止，該工藝在刀具涂層領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛。

    結(jié)語

    （1）切削刀具涂層技術(shù)方法仍然以氣相沉積技術(shù)為主流，溶膠－凝膠法、熱噴涂法需要進(jìn)一步的研究發(fā)展。

    （2）物理氣相沉積具有溫度低、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來得到迅速的發(fā)展，其中以磁控濺射沉積、電弧離子鍍沉積技術(shù)最為顯著。

    （3）物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積兩種技術(shù)工藝在切削刀具涂層中仍然將并存和相互補(bǔ)充，并因其自身的優(yōu)點(diǎn)在涂層比例中占有各自的份額。一般說來，高速鋼等鋼制工具、鋒利的硬質(zhì)合金精切刀片和硬質(zhì)合金整體多刃刀具（如立銑刀、麻花鉆等）采用PVD工藝涂層較理想；其余大部分硬質(zhì)合金刀片均可采用CVD工藝涂層。

    （4）物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積這兩種方法仍然存在自身的缺點(diǎn)，因此改進(jìn)沉積工藝條件、發(fā)展新的沉積方法依然是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。