前期集中引进对国内PVD技术后续发展的影响

与国外相比，我国刀具PVD涂层加工技术的研究和开发起步并不太晚，而且在发展初期大量引进了当时国际上最先进的各类涂层设备，八十年代后期国产涂层设备也得到了迅速发展，但该项技术真正广泛应用于高速钢刀具却是在九十年代中期。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

八十年代中期国外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，但由于引进设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），这些先进涂层设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技术和设备的需求不太强烈，这在一定程度上影响了国产PVD设备在刀具制造领域的应用与发展；另一方面，八十年代中期PVD技术还处于发展初期，随着该项技术的不断发展，进入九十年代后新技术层出不穷，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设备，国内也因此错失了发展提高PVD技术的最佳时期。

（2）对新工艺的研发重视不够

尽管八十年代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，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，新工艺、新技术仍需再引进，而再引进的费用十分昂贵.

（3）国产设备开发缺乏统一性、合理性及协作性

八十年代后期，国内一些真空设备制造厂及科研单位对PVD刀具涂层市场过于乐观，纷纷加大各类PVD涂层设备的开发力度，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，因此开发的涂层设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。由于此类设备大多只能用于麻花钻的涂层，而麻花钻涂层费用极低，相应涂层设备的利润也很低，因此到九十年代以后，大部分真空设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设备的推广应用

迄今为止，国内大部分涂层设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，由于设备生产厂不能提供长期技术服务，导致国产涂层设备难以保证长时期稳定、正常使用，从而极大限制了PVD涂层设备的推广应用。

（5）涂层质量不稳定制约了涂层技术的推广应用

引进设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，设备选择依据不同，导致设备工艺水平相差较大，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，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

在二十世纪八十年代，我国数控机床的应用还十分有限，机械加工仍处于较低水平，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。

产业化的涂层技术从上世纪70年代末开始至今已有30多年的历史。从最早的由CVD技术而生产的氮化钛到今天的各种涂层，已经历了几代的变化。其中第一个主要变化是由CVD技术向PVD技术的转变，CVD技术由于运营本钱和环保等题目目前已被逐步成熟稳定的PVD涂层加工技术所取代。由PVD所生产的涂层从早先的二元简单涂层（如TiN）已发展到今天大规模产业化的多元涂层。

自本世纪初，由于产业界对涂层的特殊性能要求，最新一代涂层已逐步走上产业化的轨道。这些特殊性能的要求包括高温工作稳定性、用于起到物质隔尽作用的高密度涂层材料、极低的材料摩擦系数和极强的化学稳定性等等。针对这些要求而产生的最典型的涂层就是DLC和taC涂层。无论是从学术研究和产业化生产，DLC和taC涂层无疑是今天最为受人关注的焦点。它们也被成功应用于像一级方程式赛车的发动机、半导体封装模具、纺织机械零件和医疗器械之中。

涂层发展的另外一个方向是坚韧性涂层的产业化。所谓坚韧性涂层是指一种涂层的综合能力，具体的说是指一种涂层在其应用领域所能表现出对被涂层工件寿命延长、功能增进。坚韧性涂层不仅仅追求高硬度，高耐温或低摩擦系数的某一个片面性能指标，而是根据涂层在某个具体应用领域的应用，公道调节平衡各个指标，使涂层的综合性能最优。涂层所开发的就是基于这样理念的涂层，该涂层优于公道调节分配涂层内部硬度、韧性和摩擦系数，使其厚度可达10微米以上。它在要求具有高耐磨要求的应用上（如发动机的活塞环），呈现出其它涂层无法相比的性能。

经过几年的市场开发和涂层推广，在诸如刀具、工模具等领域的PVD涂层已经逐渐为中国市场所接受。固然总体上看这个行业离成熟还有较大的间隔，但随着西方先进制造业向中国的转移以及中国自主创新能力的迅猛提升，为中国的先进制造业进行高端配套，其市场潜力不可估量。

PVD表面涂层在华南地区的模具生产商中已广泛应用，他们认同PVD涂层可以延长模具寿命，从而降低生产成本的事实。另一方面，有数据显示：华东、中南地区所生产的压铸组件超过70%，年产值约合480亿元人民币。随着国内模具的逐步高品质化，模具对PVD表面涂层处理的需求将不断增加，潜力巨大。

PVD涂层只是表面一层很薄的（1～4祄）金属陶瓷涂层，它主要是提高表面硬度，增强表面耐磨性，主要是针对平行的摩擦，所以基体的硬度是非常重要的。

目前已有许多种刀具涂层可供选择，包括PVD涂层、CVD涂层以及交替涂覆PVD和CVD的复合涂层等，从刀具制造商或涂层供应商那里可以很容易地 获得这些涂层。本文将介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的PVD、CVD涂层选择方案。在确定选用何种涂层对于切削加工最为有益时，涂层的每一种特性都起着十分重要的作用。 

1.涂层的特性 

（1）硬度 

PVD涂层加工带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。氮碳化钛（TiCN）涂层比氮化钛（TiN）涂层具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000～4000（取决于制造商）。表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD金刚石涂层刀具的寿命提高了10～20倍。金刚石涂层的 高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2～3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。 

（2）耐磨性 

耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。 

（3）表面润滑性 

高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光 滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。 

（4）氧化温度 

氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事 实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具 传入工件或切屑。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首选涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种 TiAlN PVD涂层涂层。 

（5）抗粘结性 

涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避免工件材料沉积在刀具上。在加工非铁族金属（如铝、黄铜等）时，刀具上经常会产生积屑 瘤（BUE），从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料开始粘附在刀具上，粘附就会不断扩大。例如，用成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加，以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起到 很好的作用。 

2.常用的涂层 

（1）氮化钛涂层（TiN） 

TiN是一种通用型PVD涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。该涂层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。 

（2）氮碳化钛涂层（TiCN） 

TiCN涂层中添加的碳元素可提高刀具硬度并获得更好的表面润滑性，是高速钢刀具的理想涂层。 

（3）氮铝钛或氮钛铝涂层（TiAlN/AlTiN） 

TiAlN/AlTiN涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。主要用于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具可选用该涂层。根据涂层中所含铝和钛的比例不同，AlTiN涂层可提供比TiAlN涂层更高的表面硬度，因此它是高速加工领域又一个可行的涂层选择。