论中国刀具涂层技术的发展及方向
当时 制造业已发生了革命性的改变 以精工机床为根底的现代制造技能正朝着高速 干式切削加工的方向跨进 在该范畴中 切削刀具制造技能的开展至关重要 切削刀具外表涂层技能是近几十年应市场需求开展起来的资料外表改性技能 采用涂层技能可有用进步切削刀具使用寿命 使刀具取得优秀的综合机械性能 然后大幅度进步机械加工功率 因而涂层技能与资料 切削加工技术一同并称为切削刀具制造范畴的三大关键技能1.国内PVD技术概况国内PVD技术的研发工作始于上世纪八十年代初 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 技术及装备的引进推动了国内刀具PVD技术的第一次开发热潮 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 以及精工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 它是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2.涂层技术的新发展纵观CVD PVD技术的发展过程 我们可以发现几个共同的规律 当第一代涂层产品进入市场后 首先要解决的是涂层设备的国产化问题 以满足市场需要 其次要开发新一代的涂层成分 以提高刀具的加工效率 最后要研制多层涂层及控制技术 使被涂刀具表层具有多种材料的综合力学性能 对切削 拉铣等不同加工对象实施个性化服务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是TiAlN三元涂层 并可以通过调整Al元素的成分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 使刀具获得了高耐磨 低摩擦 热稳定好和抗氧化性能等优良的综合性能3.涂层刀具的应用涂层技术目前广泛应用于机械 电子 光学 航空航天 化工 轻纺及食品工业等各个部门 运用高科技手段不仅能沉积各类金属和合金 而且能沉积多种化合物 不仅能在金属基体上沉积 而且能在陶瓷 金刚石 玻璃甚至塑料等非金属上沉积 可以毫不夸张地讲 涂层技术已渗透到国民经济各个领域 其作用和效能有目共睹 不论是在国内还是国外机床工具博览会上 人们都会看到品种繁多 方法各异的涂层工具 应用实例举不胜举4.国内PVD技术研究及应用存在的问题1技能上存在的疑问虽然这些年国内刀具涂层技能有了多元性开展 并已能够制备TiAlN及多层薄膜 但没有构成真实的 具有世界竞赛力的工业化出产工艺技能及配备 首要存在如下的疑问虽然国内的TiN涂层工艺工业使用根底较好 但在高速切削加工范畴及硬质合金刀具涂层方面却无法满足商场需求 与国外TiAlN涂层比较 涂层刀具寿数相差100% 200%国内的TiAlN涂层技能在成分 薄膜构造 细密性 联系强度与均匀性等方面尚不老练 在惯例切削加工中 所表现出的性能与TiN比较并未显现出其优越性在现代领先切削加工制作中 精细成型加工的需求越来越高 经过合理的薄膜制备技能获取细密的薄膜安排及光整的外表描摹乃是高水平刀具涂层技能开展的根底与底子 与九十年代不一样 国内已淡化了薄膜制备技能的根底研究工作2涂层设备开发制作存在的疑问因为缺少资金支撑 国内涂层设备在规划 开发上与国外距离较大 虽然也有某些立异思路 但绝大多数设备制作商连续了原有的规划概念 设备的构造与九十年代迥然不同 因为对薄膜制备机理缺少深入研究 因而在设备的规划上存在盲目性3全体配套性差 使用根底研究缺少全体配套性差 使用根底研究缺少一直是困扰国内刀具涂层技能开展的瓶颈 当前刀具涂层的趋势是以开展涂层加工中间为主 因而技能的全体性极为要害 前处置技能 涂层工艺技能 后处置技能及质量操控技能都是应予以思考的 而国内涂层设备制作商大多仅以供给涂层主机为主 这种形式阻止了工业化出产的疾速推动 造成了设备制作商与商场的严重脱节 制约了技能的良性开展 使得立异无从谈起虽然当前国内刀具涂层技能与************水平比较存在较大距离 一般的TiAlN涂层技能也还不老练 但无穷的使用商场和国家对立异 绿色制作技能日益火急的需求 已经推动了国内刀具涂层技能的立异开展 据称当前国内已有研究者开发出了极具使用价值的超硬薄膜制备技能 且初步工艺实验标明 其涂层高速钢及硬质合金刀具的性能已达到了当前************水平 信任不久在国内会涌现出具有自立立异的 领先的商业使用刀具涂层技能及配备 并可与************刀具涂层技能构成竞赛