論中國刀具涂層技術的發展及方向
當時 制造業已發生了革命性的改變 以精工機床為根底的現代制造技能正朝著高速 干式切削加工的方向跨進 在該范疇中 切削刀具制造技能的開展至關重要 切削刀具外表涂層技能是近幾十年應市場需求開展起來的資料外表改性技能 采用涂層技能可有用進步切削刀具使用壽命 使刀具取得優秀的綜合機械性能 然后大幅度進步機械加工功率 因而涂層技能與資料 切削加工技術一同并稱為切削刀具制造范疇的三大關鍵技能1.國內PVD技術概況國內PVD技術的研發工作始于上世紀八十年代初 八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機及高速鋼刀具TiN涂層工藝技術 由于對刀具涂層市場前景的看好 國內引進了熱陰極離子鍍及陰極電弧 多弧 離子鍍技術與裝備 技術及裝備的引進推動了國內刀具PVD技術的第一次開發熱潮 并于九十年代初開發出多種PVD設備 但由于大多數的設備性能指標低 涂層工藝穩定性差 預期的市場效益未能實現 從而導致了近十多年國內刀具PVD技術處于徘徊不前的局面 盡管九十年代末國內成功開發出了硬質合金TiN-TiCN-TiN多元復合涂層工藝技術 并達到了實用水平 但在隨后的發展過程中也并未得到市場認可 隨著我國汽車工業的迅速崛起 先進制造技術的大量引進 以及精工加工技術大面積的普及 自本世紀初 PVD技術在國內掀起了第二次開發熱潮與九十年代不同 目前國內PVD技術的發展更具多元性及創新性 歸納起來有以下幾種類型1 陰極電弧法 Cathode Arc Deposition 國內已由小圓型陰極電弧技術發展到大面積陰極電弧技術及柱型靶陰極電弧技術 主要用于TiAlN等薄膜的制備2 熱陰極法 Hot Cathode Plating 源于Balzers的技術主要用于TiN等薄膜的制備3 磁控濺射法 Magnetron Sputter Plating 近年來 磁控濺射技術一直是國內涂層業的重點發展方向 先后出現了非平衡磁控濺射技術 磁控濺射加輔助離子源技術等 可制備各類薄膜4 磁控濺射附加陰極電弧法 它是目前國內已較多采用的技術 可用于多種薄膜的制備5 空心陰極附加磁控濺射及陰極電弧法 空心陰極在國內是一項傳統技術 其應用市場仍舊存在 為了充分發揮此技術的特點 國內的研究者將空心陰極與磁控濺射技術 陰極電弧技術結合在一起 用于多元薄膜的制備 且這種全新的嘗試已對市場產生了影響2.涂層技術的新發展縱觀CVD PVD技術的發展過程 我們可以發現幾個共同的規律 當第一代涂層產品進入市場后 首先要解決的是涂層設備的國產化問題 以滿足市場需要 其次要開發新一代的涂層成分 以提高刀具的加工效率 最后要研制多層涂層及控制技術 使被涂刀具表層具有多種材料的綜合力學性能 對切削 拉銑等不同加工對象實施個性化服務目前應用最多的涂層物質是TiC TiN TiCN和Al2O3當今在硬質合金涂層刀具中應用最多的是TiAlN三元涂層 并可以通過調整Al元素的成分比例來獲得不同膜層性能 涂層材料由最初的TiC和TiN單層發展到現在的復合涂層 復合涂層及相關技術的出現 使涂層既可以提高與基體的結合強度 又具有多種材料的復合性能 近幾年開發的TiN/NbN TiN/CNx等多元復合薄材料 使涂層刀具壽命有很大的提高 涂層工藝組合的多樣化帶來了TiAlN TiAlCN CrSiN等多元復合涂層 使刀具獲得了高耐磨 低摩擦 熱穩定好和抗氧化性能等優良的綜合性能3.涂層刀具的應用涂層技術目前廣泛應用于機械 電子 光學 航空航天 化工 輕紡及食品工業等各個部門 運用高科技手段不僅能沉積各類金屬和合金 而且能沉積多種化合物 不僅能在金屬基體上沉積 而且能在陶瓷 金剛石 玻璃甚至塑料等非金屬上沉積 可以毫不夸張地講 涂層技術已滲透到國民經濟各個領域 其作用和效能有目共睹 不論是在國內還是國外機床工具博覽會上 人們都會看到品種繁多 方法各異的涂層工具 應用實例舉不勝舉4.國內PVD技術研究及應用存在的問題1技能上存在的疑問雖然這些年國內刀具涂層技能有了多元性開展 并已能夠制備TiAlN及多層薄膜 但沒有構成真實的 具有世界競賽力的工業化出產工藝技能及配備 首要存在如下的疑問雖然國內的TiN涂層工藝工業使用根底較好 但在高速切削加工范疇及硬質合金刀具涂層方面卻無法滿足商場需求 與國外TiAlN涂層比較 涂層刀具壽數相差100% 200%國內的TiAlN涂層技能在成分 薄膜構造 細密性 聯系強度與均勻性等方面尚不老練 在慣例切削加工中 所表現出的性能與TiN比較并未顯現出其優越性在現代領先切削加工制作中 精細成型加工的需求越來越高 經過合理的薄膜制備技能獲取細密的薄膜安排及光整的外表描摹乃是高水平刀具涂層技能開展的根底與底子 與九十年代不一樣 國內已淡化了薄膜制備技能的根底研究工作2涂層設備開發制作存在的疑問因為缺少資金支撐 國內涂層設備在規劃 開發上與國外距離較大 雖然也有某些立異思路 但絕大多數設備制作商連續了原有的規劃概念 設備的構造與九十年代迥然不同 因為對薄膜制備機理缺少深入研究 因而在設備的規劃上存在盲目性3全體配套性差 使用根底研究缺少全體配套性差 使用根底研究缺少一直是困擾國內刀具涂層技能開展的瓶頸 當前刀具涂層的趨勢是以開展涂層加工中間為主 因而技能的全體性極為要害 前處置技能 涂層工藝技能 后處置技能及質量操控技能都是應予以思考的 而國內涂層設備制作商大多僅以供給涂層主機為主 這種形式阻止了工業化出產的疾速推動 造成了設備制作商與商場的嚴重脫節 制約了技能的良性開展 使得立異無從談起雖然當前國內刀具涂層技能與世界領先水平比較存在較大距離 一般的TiAlN涂層技能也還不老練 但無窮的使用商場和國家對立異 綠色制作技能日益火急的需求 已經推動了國內刀具涂層技能的立異開展 據稱當前國內已有研究者開發出了極具使用價值的超硬薄膜制備技能 且初步工藝實驗標明 其涂層高速鋼及硬質合金刀具的性能已達到了當前世界領先水平 信任不久在國內會涌現出具有自立立異的 領先的商業使用刀具涂層技能及配備 并可與世界領先刀具涂層技能構成競賽