涂层技术的重大突破造就了一种物理气相沉积PVD

涂层技术的重大突破造就了一种物理气相沉积（PVD）氧化铝涂层，它用于难加工材料，具有传统化学气相沉积（CVD）涂层的耐热性。 

化学气相沉积工艺和物理气相沉积（PVD）工艺是用于可转位刀片的两种主要涂覆工艺。化学气相沉积工艺涉及高温，产生相对较厚的涂层，具有高耐磨性和涂层附着力。用这种工艺涂覆的刀片能很好地处理发热的题目，它们承受较长的刀片啮合时间，产生较大切屑厚度。 

物理气相沉积工艺涉及较低的温度，产生具有高韧性的较薄涂层，更适合较锋利的刀刃。PVD涂层刀片能很好地克服不稳定性题目，令人困扰的从加工区域排屑的题目，以及多个刀具从工件退刀的题目（就像在铣削加工中碰到的那样）。

    随着市场竞争愈加激烈，对制造业提出了更高的要求。在切削加工领域，通过高速、大进给加工以进步加工效率，缩短加工时间；使用精密刀具实现高精度、高品质加工以进步附加价值；延长刀具寿命以降低刀具使用本钱；使用最新技术的刀具以改变加工工序（由研磨、电火花加工变为切削加工）等各方面，机加工用户提出了越来越高的要求，切削刀具发挥了非常大的作用。

    在各种刀具材质中，PVD涂层超细颗粒硬质合金的进步最为明显。其优异的性能大幅推动了模具和汽车零部件等钻削加工技术的发展。到目前为止，在以CVD硬质合金材质刀具为主流的车削加工中也发挥了出色的性能。下面介绍PVD涂层超细颗粒硬质合金技术及其最新加工实例。 

    超细颗粒硬质合金 

    硬质合金是将主要成分WC（碳化钨，高硬度脆性材料）分散在Co（钴，低硬度高韧性材料）中制成的复合材料，是一种兼顾硬度与抗弯强度的硬质材料。目前的切削刀具用材料中，在硬质合金上通过CVD（化学涂层法）、PVD（物理涂层法）涂覆可承受高速切削的Al2O3或（Ti、Al）N等涂层的硬质合金涂层材料占据主要位置。 

    Co含量和WC颗粒大小等要素决定了硬质合金的性质。Co含量越少，硬质合金的硬度、抗压强度、刚性越高，但同时抗冲击值越低；WC颗粒越小，硬质合金的硬度、抗弯强度越高，但同时其韧性值越低。

    超细颗粒硬质合金是为同时进步硬度和抗弯强度而开发的合金材料，与普通硬质合金材料相比，在硬度相同时具有强度更高、在强度相同时具有硬度更高的特点。普通硬质合金的WC颗粒为1～6μm左右，超细颗粒硬质合金的WC颗粒则仅为0.6μm左右，由于WC颗粒非常微小，所以四周起粘结作用的Co成分的厚度较薄，同时，因折断起始尺寸小，使抗弯强度较高。超细颗粒硬质合金最初用于小直径钻头、立铣刀等整体硬质合金刀具，最近也开始用于可转位刀片。但是，固然超细颗粒硬质合金在低温下显示出优异的特性，但在高温状态下轻易出现塑性变形，在切削速度高的情况下使用时，有时会产生塑性变形、磨损增大等现象，应予以留意。 

    随着近几年粉末制造企业的微细WC粉末制造技术及硬质合金制造商与合金制造相关的微粒化技术的突飞猛进，粒径为0.4μm左右的WC超细颗粒硬质合金也已面市。 

    PVD涂层 

    PVD是物理气相沉积法（Physical Vapor Deposition）的简称，它与CVD法的气体在高温下产生化学反应形成表面薄膜不同，是采用电能等物理方法使金属蒸发物产生离子进行涂层。与CVD相比，PVD涂层的特点如下：可在低温下进行涂层，硬质合金基材受损较小，因此可在涂层时对基材进行选择；CVD涂层有张力，所以在耐缺损方面有不利之处，与之相比，PVD涂层产生压缩力，有利于进步耐缺损性能，可用于具有锋利切削刃的刀具制造。

    PVD涂层可在充分发挥以上特长的加工形态中加以利用。例如：要求有锋利切削刃的整体硬质合金刀具；要求耐缺损性强的平面铣刀用刀片；轻易因熔附而出现崩刃的低速切削用刀片；在高温状态下基材硬度降低的高速钢刀具。 

    针对整体硬质合金立铣刀的PVD涂层的研发进步明显。以往TiN或TiCN涂层是主流产品，但在20世纪90年代前期，（Ti，Al）N涂层的出现使整体硬质合金立铣刀的性能大幅进步，特别是含Al丰富的（Al，Ti）N涂层通过大幅进步薄膜硬度和耐氧化性而实现了对淬火钢的直接加工，是模具加工的技术创新。目前，针对HRC60左右的超高硬度材料加工用涂层及软钢加工用涂层等不同用途的专用涂层的开发呈现多样化的趋势。 

如何在不同生产环境中提高刀具效率?

        解决方案：使用PVD涂层刀具和刀片来提高切削速度，缩短加工周期。

    物理涂层（PVD） 是可在刀具和刀片上覆盖薄薄涂层的真空涂层技术。实质上它往往是在等离子（例如带电气体）的帮助下将金属或金属合金等固体材料蒸发。金属蒸汽中所含的金属原子和离子沉积在基体上形成涂层。以氮化钛（TiN）涂层为例，金属钛在氮气环境中汽化，便在刀具和刀片上形成氮化钛涂层。

    PVD涂层可提高刀具的寿命和效率，每年为企业节省数十亿美元。这是怎样实现的呢？首先，PVD涂层刀具可提升切削速度，减少加工周期，从而能在更短时间内加工更多工件。其次，PVD涂层能降低磨损和对生产的干扰，从而减少更换刀具造成的停机时间。最后，PVD涂层减少了对切削液的需求，因为它能在没有或只有很少切削液的情况下工作，而与切削液相关的成本可占总生产成本的15%。

    PVD主要用于需要使用锋利刃口的应用场合，比如螺纹加工、切槽、切断、立铣和钻孔等加工。对整体硬质合金刀具来讲（例如立铣刀和钻头），主要采用PVD涂层技术。而对于钛合金、高温合金和不锈钢等难加工材料来讲，PVD涂层刀具是最佳选择，因为这些材料要求更锋利的刃口以便降低切削力，同时还需要高温下的稳定性以保持切削刃的完整性。涂层的功用最终取决于它减轻构成切削刃的基体材料在不同切削条件下的热－机械损伤的能力。

    PVD能满足大批量涂层的挑战，并能在整个批量中让每个刀片都具有均匀的涂层厚度。此外，PVD是通过采用大约500?C的较低沉积温度来实现的，这能让刀具保持锋利的刃口而不影响刃口强度，而另一种主要的涂层技术——化学涂层（CVD）， 则需要大约1,000?C的高温，虽然较低温度的工艺也逐渐变得可行。对PVD来讲，有多种方法来获得正确的涂层厚度及组织构成，从而适应目标应用区间和涂层材料的不同要求。

    在刀具应用方面，目前主要有三种PVD工艺：离子镀膜、电弧蒸发沉积和磁控管溅射。PVD本质上是一种使用固体金属蒸发源的低压、环保、低温、可视的沉积工艺。PVD使用固体金属靶材，材料从固体靶材被汽化后，再沉积在被涂层的基体上。PVD工艺可产生只有几微米厚的硬度高、粒度细、表面光滑的涂层，而且由于涂层受压应力，所以涂层不会出现裂纹。与此形成对照的是，CVD涂层更适合磨损严重的场合，因为其涂层可更厚，从而具有更好的耐磨性。

    第一种投入商业应用的PVD涂层是TiN。山特维克可乐满于1982年推出了第一种TiN涂层刀具，即大名鼎鼎的Delta钻头，首个PVD刀片牌号GC1020则于1990年面世。

    PVD一直处于涂层技术发展的前沿。随着可用于PVD的 新 型 涂 层（ 例如TiCN、TiAlN和AlCrN；以及氧化物涂层Al2O3和(AlCr)2O3和新涂层材料TiAlSiCrN，甚至各种碳基材料涂层等）的纷纷涌现，PVD应用领域还在不断扩展。涂层系统工艺的种种创新（例如结合射频或脉冲直流电）解决了沉积绝缘涂层材料的难题。而复合涂层大大增强了刀片性能。而PVD硬件方面的发展（例如新蒸发源）则将进一步推动涂层技术向前发展。

    总结

    刀具和刀片上的PVD涂层一直作为可不断显著提升生产效率的工具而得到开发，因为它能够提高加工速度，减少加工周期，能在更短时间内加工更多工件。另外PVD涂层还降低了刀具磨损和对生产的干扰，通过减少换刀次数缩短了停机时间，同时亦减少了对切削液的需求。