摘 要：本文论述了我国刀具涂层技术的现状及未来发展趋势，为我国刀具涂层技术走持续、稳定及健康的发展道路提供了一定的见解。
关键词：刀具涂层技术;现状;发展趋势
1 前言
制造业的发展离不开切削刀具，现代切削刀具已经成为提升制造业技术水平的关键因素之一。切削加工的要求日趋提高；高速、高精度、高效、智能和环保成为切削加工的追求目标；被加工材料的能级不断提高；高强和超高强度材料、高韧性、难切削等材料层出不穷；新形势下对切削加工提出的特殊要求。诸如加工硬度 50HRC 以上的硬加工、微润滑和无润滑的干切削不断涌现。总之,切削加工中的个性化特点日见显现。其对刀具进行涂层是机械加工行业前进道路上的一大变革。它是在刀具韧性较高的基体上涂覆一层、二层乃至多层耐磨的难熔化合物，从而使刀具的性能得到极大改善。经涂层的刀具可以提高加工效率、加工精度、延长寿命、降低成本，因而其受到世界各国普遍关注。
2 我国刀具涂层技术的现状及存在的问题
西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978 年的 26%上升到 2005 年的90%。新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。瑞典山特维克可乐满和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达85%以上；美国数控机床上使用的硬质合金涂层刀片的比例为80%；瑞典和德国车削用的涂层刀具都在70%以上。日本、俄罗斯涂层技术开发和应用也走在世界前列。我国涂层刀具起步晚，但进步快。其涂层网点遍布全国。有不少城市都有自己的涂层中心，并承接对外加工业务，而且厂矿也不甘示弱。国内几家大的工具厂拥有涂膜机都在10台以上，但多数应用在麻花钻等低端产品上。德国等工业发达国家的涂层公司纷纷在我国安营扎寨，大搞涂层刀具对外加工。
我国从1970s 初开始研究CVD涂层技术。由于该项技术专用性较强，因此国内从事研究的单位并不多。1980s 中期，我国CVD 刀具涂层技术的开发达到实用化水平。其工艺技术水平与当时的国际水平相当。但在随后的十多年里其发展较为缓慢(与国外研究状况类似）。1990s 末期，我国开始 MT- CVD 技术的研发工作。MT- CVD工艺及装备的研究开发预计可在 2001 年内基本完成。根据研究目标，工艺技术及装备将达到当前国际先进水平。我国 PCVD技术的研究始于1990s 初。PCVD工艺技术主要用于模具涂层。目前其在切削刀具领域的应用还十分有限。总体而言，国内CVD 技术的总体发展水平与国际水平差距不大。待MT- CVD 技术开发成功，则我国在刀具CVD 涂层领域的整体水平将可与国际先进水平基本保持同步。
我国PVD涂层技术的研发工作始于1980s初期。至1980s中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机，并开发了高速钢刀具TiN 涂层工艺技术。在此期间，由于对切削刀具涂层市场前景看好，因此国内共有七家大型工具厂从国外引进了大型PVD涂层装备(均以高速钢 TIN 涂层工艺为主)。技术及装备的引进调动了国内PVD技术的开发热潮。
许多科研单位和各大真空装备厂纷纷展开了大型离子镀膜机的研制工作，并于1990s 初开发出多种PVD 涂层装备。但由于多数装备性能指标不高，无法保证刀具涂层质量，同时预期的市场效益未能实现，因此大多数企业未对PVD 刀具涂层技术作进一步深入研究，进而导致近十年国内 PVD刀具涂层技术的发展徘徊不前。尽管1990s 末国内成功开发出硬质合金TiN- TiCN- TiN 多元复合涂层工艺技术并达到实用水平，CNX涂层技术的研发也有重大突破，但与国际发展水平相比，我国的刀具PVD 涂层技术仍落后十年左右。目前国外刀具PVD 涂层技术已发展到第四代，而国内尚处于第二代水平，且仍以单层 TiN涂层为主。
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。1980s 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，但由于引进装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），这些先进涂层装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 技术和装备的需求不太强烈。这在一定程度上影响了国产PVD 装备在刀具制造领域的应用与发展。另一方面，1980s 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1990s 后其新技术层出不穷。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装备。因此国内也错失了发展提高 PVD技术的最佳时期。
（2）对新工艺的研发重视不够。
尽管 1980s 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。其在研究、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，则新工艺、新技术仍需再引进。而再引进的费用十分昂贵(如balzers 公司的装备从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)。因此其影响了国内涂层技术新工艺和装备的研发。
（3）国产装备开发缺乏统一性、合理性及协作性。1980s 后期，国内一些真空装备制造厂及科研单位对 PVD刀具涂层市场过于乐观而纷纷加大各类PVD 涂层装备的开发力度。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，因此开发的涂层装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。由于此类装备大多只能用于麻花钻的涂层，而麻花钻涂层费用极低，相应涂层装备的利润也很低，因此到1990s以后，大部分真空装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装备的推广应用。迄今为止，国内大部分涂层装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，由于装备生产厂不能提供长期技术服务，导致国产涂层装备难以保证长时期稳定、正常使用，从而极大限制了 PVD涂层装备的推广应用。
（5）涂层质量不稳定制约了涂层技术的推广应用。引进装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，装备选择依据不同，导致装备工艺水平相差较大，从而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，进而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1980s，我国数控机床的应用还十分有限，且机械加工仍处于较低水平。由于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，因此其对 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。
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，其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TiNAlN、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。
3 依靠技术进步，以促进我国刀具涂层技术的可持续发展
从1970 年最先采用的 CVDTiN/TiC/TiCN 到 1980 年开始的PVD 涂层技术，现代涂层技术现在已经广泛应用到刀具、模具、零部件和装饰产品上。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。相对现在广泛应用的 TiC、TiCN、CrN、TiAlN、TiAlCN 而言，为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，下一代的涂层技术将向高性能涂层技术发展。
目前应用最多的涂层物质是 TiC、TiN、TiCN 和 Al2O3。当今在硬质合金涂层刀具中应用最多的 TiAlN 三元涂层，并可以通过调整Al 元素的成份比例来获得不同膜层性能。涂层材料由最初的TiC 和 TiN 单层发展到现在的复合涂层。复合涂层及相关技术的出现，使涂层既可以提高与基体的结合强度，又具有多种材料的复合性能。近几年开发的 TiN/NbN、TiN/CNx等多元复合薄材料，使涂层刀具寿命有很大的提高。
涂层工艺组合的多样化带来了TiAlN、TiAlCN、CrSiN 等多元复合涂层，使刀具获得高耐磨、低摩擦、热稳定好和抗氧化性能等优良的综合性能。高硬度是早期涂层技术开发追求的主要目标. 然而其并不是所有的材料都适合于硬涂层。
诸如高强度铝合金、钛合金及某些贵重材料都不适合用硬涂层刀具加工，而软涂层则较好地解决了上述材料的难加工问题。软涂层主要有MoS2、WS2、TaS2等。CVD涂层近年来已经取得了重要的技术进展，包括：（1）利用中温CVD（MT- CVD）技术，可在硬质合金刀片上沉积厚度达20μm的TiCN和Al2O3多层厚涂层，用于高磨蚀性工件的高速切削。此类涂层的厚度几乎是传统CVD涂层厚度的2倍，从而提供了更好的耐磨性和更长的刀具寿命。
（2）通过对 CVD Al2O3成核过程更精确的控制，可使涂层获得所希望的 α 或 κ 晶相。这样做的理由是因为在 CVD所能沉积的几种Al2O3晶相中，α- Al2O3最稳定，其耐高温性和耐磨性也最好。经过高校和企业的多年研究，用CVD 工艺生产金刚石薄膜涂层在1994 年成为现实。近年来，金刚石薄膜涂层还获得了一些重要发展。多层纳米晶粒金刚石增强了涂层的断裂韧性，亚微米晶粒的细颗粒结构使刀具切削刃表面更光滑，加工出的工件表面光洁度更好。由于多层结构金刚石涂层的每一层都可起到屏障作用，阻止裂纹在涂层中进一步扩散，因此其抗裂性更好，使涂层具有更高的强度，并有助于改善涂层在切削刃上的保持性，因为在切削难加工材料或进行断续切削时，切削刃需要承受剧烈的机械冲击。由于 PVD 工艺温度较低，因此其能应用于高速钢等热敏感刀具材料。PVD工艺还扩大了可涂层刀具的范围。如今，PVD和CVD 涂层工艺具有很好的互补性，各自都有其重点刀具涂层应用领域。人们还常常采用 CVD/PVD复合涂层工艺，用 CVD工艺沉积底层涂层（可以是多层），而用 PVD 工艺沉积更光滑、更细致的顶层涂层（也可以是多层）。近年来，PVD 涂层的开发热点主要集中在新的结构成分、纳米结构涂层和 PVDAl2O3涂层。
近期美国学者开发出纳米涂层刀具。这种涂层刀具可采用多种涂层材料的不同组合，以满足不同功能和性能要求，设计合理的纳米涂层。其可使刀具材料具有优异的减摩抗磨功能和自润滑性能，适用于高速干切削，尤其适于在数控机床上使用。其具有一定代表性的是AlTiN 晶粒与无定型的 Si3N4纳米组分构成的纳米混合膜。其硬度可达到 45GPa，而且膜层的稳定性和抗氧化性可达 1000℃。
采用纳米涂层技术的关键因素在于产品的性能，而不在于产品的尺度。因此，不应将纳米涂层技术仅仅看作是一个尺寸范围，更重要的是寻找可使涂层特性发生突变的临界点。这种特性变化可以显著改善涂层性能。诸如其能消除会成为刀具涂层失效机理的内在缺陷。而这些失效机理则会导致涂层开裂和刀具应力。
在涂层化学和涂层技术成为研究开发热点的同时，改善涂层刀具性能的另一个关键因素是涂层前和涂层后的基体制备技术。涂层技术中包含了许多不同的选项，包括清洗技术(涂层粘附力)、表面制备(切削刃的制备 / 钝化)、涂层特性(化学合成、涂层各层结构和涂层厚度)和涂层后的抛光处理。提高刀具性能和改善工件表面质量的机遇直接来自于这些新的精巧技术。最近十年来涂层技术进步最大的领域并非是应用工艺，而是对涂层刀片的后处理技术。在某些情况下，它能使刀片加工性能提高 2倍。诸如涂层表面平滑技术可以减少因软材料粘附到刀具上引起的粘结失效(通常称为积屑瘤)和增加涂层强度。通过增大涂层的压缩强度(类似于喷丸处理的效果)，可以抵消切削金属时产生的拉伸载荷，从而延长刀具寿命。
切削刃精细化技术能改善涂层的均匀性和刀具切削刃的机械性能。通过对切削刃进行涂层前的预处理，可以获得具有所需几何形状的高质量平滑切削刃。诸如涂前预处理可将难以涂层的死角处理为较易涂层的圆弧拐角。由于大部分刀片失效都始于切削刃，因此通过对切削刃进行有针对性的专门处理以防止刀片失效，能有效提高生产效率。
综前所述，要使我国刀具表面涂层技术得到快速而有序的发展，笔者认为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刀具表面涂层技术项目的规划与管理工作，明确我国刀具表面涂层技术的短、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。
（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。根据刀具表面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。建立涂层装备、涂层刀具的行业检验标准，严格控制涂层刀具质量，以确保涂层技术的大面积推广应用。
4 结束语
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。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装备也到了必须更新换代的时期。因此，我国只有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)，才能提高我国切削刀具制造水平。
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