切削刀具涂層技術研究進展

　　切削刀具（涂層硬質合金和涂層高速鋼刀具）表面涂層技術是近幾十年來應巿場需求發展起來的材料表面改性技術。采用涂層技術可有效延長切削刀具的使用壽命，賦予刀具優良的綜合機械性能，從而大幅提高機械加工效率。也正因為此，涂層技術與切削材料、切削加工工藝一起并稱為切削刀具制造領域的三大關鍵技術。

　　切削刀具涂層是指在機械切削刀具的表面上涂覆一層硬度和耐磨性很高的物質。為滿足現代機械加工對高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各國制造業對涂層技術的發展及其在刀具制造中的應用日益重視，在工業發達國家的工廠中，實施了涂層的刀具在總體中的占比近60%。

　　目前涂層技術方法主要有氣相沉積法、溶膠－凝膠法、熱噴涂法等。其中，氣相沉積法的應用較多，且制備涂層的質量較高。氣相沉積技術通常可分為物理氣相沉積（physicalvapordeposition，PVD）和化學氣相沉積（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、高溫化學氣相沉積涂層、中溫化學氣相沉積涂層、等離子增強化學氣相沉積涂層。這當中最常用的為高溫化學氣相沉積、磁控濺射沉積和電弧離子鍍，下文將結合各類涂層技術的不同機理，闡述其優缺點。

    磁控濺射沉積技術

    磁控濺射沉積涂層（magnetronsputtering）技術屬于輝光放電范疇，利用陰極濺射原理進行鍍膜。膜層粒子來源于輝光放電中氬離子對陰極靶材產生的陰極濺射作用。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。因為在濺射裝置的靶材部分引入磁場，磁力線將電子約束在靶材表面附近，延長其在等離子體中的運動軌跡，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點：（1）沉積速率高、維持放電所需靶電壓低；（2）電子對于襯底的轟擊能量小；（3）膜層組織細密，由于磁控濺射沉積涂層是靠陰極濺射方式得到的原子態粒子，攜帶著從靶面獲得的較高能量到達工件，利于形成細小核心、長成非常細密的膜層組織；（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。由于磁場強度分布不均勻，使靶材利用率低。這可以通過合理設計靶材結構、配加電磁場來促成靶面磁場強度的變化，實現放電掃描，從而有效提高靶材利用率。（2）金屬離化率低。針對此，可按要求加大（或減少）靶中心的磁體體積，造成部分磁力線發散至距靶較遠的襯底附近，達成非平衡磁控濺射（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，而隨著高新技術和新興加工業的迅速發展，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，磁控濺射技術值得進一步的深入研究和發展，其應用前景優越。

    電弧離子鍍沉積技術

    離子鍍（ionplating,IP）是在真空蒸發鍍的基礎上發展起來的新技術，它將各種氣體放電方式引入氣相沉積領域，使得整個氣相沉積過程都在等離子體中進行。

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

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

    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，涉及領域也極為廣泛，可用于硬質防護涂層的沉積，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。其也可用于多層結構涂層和納米多層結構涂層的制備，具有電弧離子鍍操作簡單、鍍膜室空間利用率大、生產效率高的特點，近年來已經發展成為沉積硬質涂層的重要技術，在國內外都得到了迅猛發展。

    近年來一種新的涂層制備系統采用了復合涂層技術，其結合電弧離子鍍和磁控濺射沉積兩種技術，系統配置有幾個電弧和磁控濺射陰極，電弧層可作為過渡層或為整個涂層提供必需的耐磨性，與此同時，磁控濺射層則提供高溫和化學穩定性。這一復合涂層技術的優點是沉積過程易于控制、穩定性好、重復性佳，其沉積速度（≧0.5μm/h）足以滿足工業化生產中對節省處理時間的實際要求。

    高溫化學氣相沉積技術

    高溫化學氣相沉積涂層（hightemperaturechemicalvapordeposition，HTCVD，一般簡稱為CVD）技術是指在一定溫度條件下，涂層材料的混合氣體在硬質合金表面相互作用，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涂層。

    此方法成功實施的關鍵在于：（1）作為涂層材料的混合氣體與硬質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合金表面上反應來產生沉積，或是通過涂層材料的混合氣體的一個組分與硬質合金表面反應來產生沉積；（2）該沉積反應必須在一定的能量激活條件下進行。

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

    不可否認的是，這種方法存在著先天性的缺陷。主要有以下幾點：(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生一層脆性的脫碳層（η相），從而導致硬質合金材料的脆性破裂，抗彎強度下降；(2)涂層內部為拉應力狀態，使用時容易導致微裂紋的產生；(3)在涂層過程中排放的廢氣、廢液會造成工業污染，對環境的影響較大。也正因為此，在20世紀90年代中后期該方法的發展受到了一定制約。

    中溫化學氣相沉積技術

    中溫化學氣相沉積涂層（moderatetemperaturechemicalvapordeposition，MTCVD）技術的反應機理是以含C-N原子團的有機化合物如三甲基氨、甲基亞胺等為主要反應原料氣體，與TiCl4、N2、H2等氣體在700℃～900℃溫度下，產生分解、化合反應，生成TiCN等涂層。

    MTCVD的優點是：(1)沉積速度快、沉積溫度較低；(2)涂層較厚；(3)對于形體復雜的工件涂層均勻；(4)涂層附著力高；(5)涂層內部殘余應力小。鑒于此，這種方法易于工業化，是一種優于高溫化學氣相沉積涂層的涂層方法。

    MTCVD也有缺點：(1)涂層內部為拉應力狀態，使用時容易導致微裂紋的產生；(2)在涂層過程中排放的廢氣、廢液會造成工業污染，對環境不友好。上述原因在某種程度上也制約了這種技術方法的發展。

    采用MTCVD技術可獲得致密纖維狀結晶形態的涂層，涂層厚度可達8～10μm。這種涂層結構具有極高的耐磨性、抗熱震性及韌性，適于在高速、高溫、大負荷、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。

    等離子增強化學氣相沉積技術

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

    PECVD的優點：(1)它利用等離子體促進化學反應，可將涂層溫度降至600℃以下；(2)由于涂層溫度低，在硬質合金基體與涂層材料之間不會發生擴散、相變或交換反應，因而基體可以保持原有的強韌性。

    PECVD的缺點：(1)設備投資大、成本高，對氣體的純度要求高；(2)涂層過程中產生的劇烈噪音、強光輻射、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對人體有害；(3)對小孔孔徑內表面難以涂層等。

    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等涂層應用，但是迄今為止，該工藝在刀具涂層領域的應用并不廣泛。

    結語

    （1）切削刀具涂層技術方法仍然以氣相沉積技術為主流，溶膠－凝膠法、熱噴涂法需要進一步的研究發展。

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

    （3）物理氣相沉積和化學氣相沉積兩種技術工藝在切削刀具涂層中仍然將并存和相互補充，并因其自身的優點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、鋒利的硬質合金精切刀片和硬質合金整體多刃刀具（如立銑刀、麻花鉆等）采用PVD工藝涂層較理想；其余大部分硬質合金刀片均可采用CVD工藝涂層。

    （4）物理氣相沉積和化學氣相沉積這兩種方法仍然存在自身的缺點，因此改進沉積工藝條件、發展新的沉積方法依然是進一步研究的重點。