PVD涂層技術(shù)在我國刀具制造中的現(xiàn)狀及發(fā)展

摘 要:切削刀具表面涂層技術(shù)是近幾十年應(yīng)市場需求發(fā)展起來的材料表面改性技術(shù)。采用涂層技術(shù)可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，從而大幅度提高機(jī)械加工效率。我國的刀具涂層技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，目前正處于關(guān)鍵時(shí)期，充分了解國內(nèi)外刀具涂層技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，瞄準(zhǔn)國際涂層技術(shù)先進(jìn)水平，有計(jì)劃、按步驟地發(fā)展刀具涂層技術(shù)，對于提高我國切削刀具制造水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞:PVD涂層技術(shù) 現(xiàn)狀 存在的問題 應(yīng)對措施

1 PVD涂層技術(shù)簡介

物理氣相沉積(PVD)是一種表面處理的標(biāo)準(zhǔn)化稱謂。從高精密加工刀具、裝飾件、高要求機(jī)械零部件到高精密集成電路的模具等等具有很廣泛的用途，它是一種真正能夠獲得微米級鍍層且無污染的環(huán)保型表面處理方法，且在不影響工件原來的尺寸情況，PVD膜可用來改善表面的外觀，提高表面的強(qiáng)度，增強(qiáng)耐磨性，而且具有很好的導(dǎo)熱，防腐蝕及防刮擦的能力。

PVD技術(shù)出現(xiàn)于二十世紀(jì)七十年代末，由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下，因此可作為最終處理工藝用于高速鋼類刀具的涂層。由于采用PVD工藝可大幅度提高高速鋼刀具的切削性能，所以該技術(shù)自八十年代以來得到了迅速推廣，至八十年代末，工業(yè)發(fā)達(dá)國家高速鋼復(fù)雜刀具的PVD涂層比例已超過60%。

2 PVD涂層技術(shù)在我國刀具制造中的現(xiàn)狀

我國PVD涂層技術(shù)的研發(fā)工作始于八十年代初期，至八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機(jī)，并開發(fā)了高速鋼刀具TiN涂層工藝技術(shù)。在此期間，由于對切削刀具涂層市場前景看好，國內(nèi)共有七家大型工具廠從國外引進(jìn)了大型PVD涂層設(shè)備。技術(shù)及設(shè)備的引進(jìn)調(diào)動(dòng)了國內(nèi)PVD技術(shù)的開發(fā)熱潮，許多科研單位和各大真空設(shè)備廠紛紛展開了大型離子鍍膜機(jī)的研制工作，并于九十年代初開發(fā)出多種PVD涂層設(shè)備。但由于多數(shù)設(shè)備性能指標(biāo)不高，無法保證刀具涂層質(zhì)量，同時(shí)預(yù)期的市場效益未能實(shí)現(xiàn)，因此大多數(shù)企業(yè)未對PVD刀具涂層技術(shù)作進(jìn)一步深入研究，導(dǎo)致近十年國內(nèi)PVD刀具涂層技術(shù)的發(fā)展徘徊不前。盡管九十年代末國內(nèi)成功開發(fā)出硬質(zhì)合金TiN—TiCN—TiN多元復(fù)合涂層工藝技術(shù)并達(dá)到實(shí)用水平，CNx涂層技術(shù)的研發(fā)也有重大突破，但與國際發(fā)展水平相比，我國的刀具PVD涂層技術(shù)仍落后十年左右。目前國外刀具PVD涂層技術(shù)已發(fā)展到第四代，而國內(nèi)尚處于第二代水平，且仍以單層TiN涂層為主。

3 國內(nèi)PVD涂層技術(shù)研究及應(yīng)用存在的問題

3.1 不適應(yīng)刀具涂層市場的變化涂層刀具的應(yīng)用與切削加工技術(shù)緊密相關(guān)，與九十年代不同，目前的應(yīng)用更多地集中于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片、高速齒輪刀具、硬質(zhì)合金棒式刀具及部分異型刀具。應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，其切削加工速度通常高于100m/min，而單一的TiN薄膜已難于滿足使用要求。目前國內(nèi)商業(yè)應(yīng)用PVD技術(shù)，仍以高速鋼刀具涂層為主，盡管市場對涂層刀具的需求不斷上升，例如重慶地區(qū)的刀具涂層加工總額已從2000年的100萬元增長到了今年的1000萬元以上，但應(yīng)用領(lǐng)域仍以摩托車齒輪加工等行業(yè)為主，切削速度大多低于50m/min;而在硬質(zhì)合金刀具領(lǐng)域應(yīng)用較少，其大多數(shù)高端涂層刀具產(chǎn)品被國外涂層公司所壟斷，尤其是國外刀具涂層加工服務(wù)中心的出現(xiàn)，使國內(nèi)的涂層加工服務(wù)企業(yè)面臨更加嚴(yán)峻的競爭局面。

3.2 對新工藝的研發(fā)重視不夠盡管八十年代國內(nèi)引進(jìn)了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的PVD技術(shù)，但當(dāng)時(shí)PVD技術(shù)尚處于發(fā)展初期，國內(nèi)對其后續(xù)發(fā)展空間及發(fā)展速度無法充分估計(jì);此外，物理涂層技術(shù)是集電子物理、材料、真空控制技術(shù)于一體的新型技術(shù)，在研究、生產(chǎn)、應(yīng)用等方面對人員配置有較高要求，而大部分引進(jìn)PVD技術(shù)的企業(yè)偏重生產(chǎn)，對開發(fā)人員及資金配置不足，難以推動(dòng)工藝技術(shù)的進(jìn)一步自主開發(fā)，新工藝、新技術(shù)仍需再引進(jìn)，而再引進(jìn)的費(fèi)用十分昂貴(如Balzers公司的設(shè)備從TiN涂層工藝升級為TjCN涂層工藝，僅硬件改造費(fèi)即需30萬美元)，因此影響了國內(nèi)涂層技術(shù)新工藝和裝備的研發(fā)。

3.3 涂層設(shè)備開發(fā)制造存在的問題八十年代后期，國內(nèi)真空設(shè)備制造廠及一些科研單位對PVD刀具涂層市場過于樂觀，各自紛紛加大各類PVD涂層設(shè)備的開發(fā)力度，但由于缺乏對刀具及其涂層技術(shù)的深入了解，也未加強(qiáng)與工具廠的合作，所開發(fā)的涂層設(shè)備大部分無法滿足刀具涂層工藝的要求，尤其是精密高速鋼刀具涂層技術(shù)尚達(dá)不到批量生產(chǎn)水平。這類設(shè)備大多只能用于麻花鉆的涂層，由于麻花鉆涂層費(fèi)用極低，相應(yīng)涂層設(shè)備的利潤也很低，因此進(jìn)入九十年代后，大部分真空設(shè)備制造廠已把發(fā)展方向轉(zhuǎn)向其他行業(yè)(如裝飾涂層等)。

3.4 整體配套性差，應(yīng)用基礎(chǔ)研究缺乏整體配套性差、應(yīng)用基礎(chǔ)研究缺乏一直是困擾國內(nèi)刀具涂層技術(shù)發(fā)展的瓶頸。目前刀具涂層的趨勢是以發(fā)展涂層加工中心為主，因此技術(shù)的整體性極為關(guān)鍵，前處理技術(shù)、涂層工藝技術(shù)、后處理技術(shù)及質(zhì)量控制技術(shù)都是應(yīng)予考慮的。而國內(nèi)涂層設(shè)備制造商大多僅以提供涂層主機(jī)為主，這種模式阻礙了工業(yè)化生產(chǎn)的快速推進(jìn):另一方面也造成設(shè)備制造商與市場的嚴(yán)重脫節(jié)，制約了技術(shù)的良性發(fā)展，使得創(chuàng)新無從談起。

3.5 涂層質(zhì)量的不穩(wěn)定制約了涂層技術(shù)的推廣應(yīng)用引進(jìn)設(shè)備---的高昂價(jià)格，造成涂層價(jià)格的居高不下，涂層費(fèi)用甚至超過了刀具價(jià)格的50%，此外由于引進(jìn)的渠道不一，設(shè)備選擇的依據(jù)不同，導(dǎo)致設(shè)備工藝水平相差較大，從而影響了涂層刀具的使用效果，同時(shí)又由于國產(chǎn)涂層刀具的質(zhì)量不穩(wěn)定，涂層刀具檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不齊全，因此在應(yīng)用領(lǐng)域造成了涂層價(jià)格高，但涂層質(zhì)量不穩(wěn)定，刀具性能改善不明顯的印象，嚴(yán)重影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用及發(fā)展。

4 我國發(fā)展新型PVD涂層技術(shù)應(yīng)對措施

4.1 加強(qiáng)該項(xiàng)目的規(guī)劃及管理工作工具行業(yè)管理部門應(yīng)加強(qiáng)該項(xiàng)目的規(guī)劃及管理工作，明確我國短、中、長期發(fā)展目標(biāo)，確立有計(jì)劃不問斷發(fā)展的方針，并通過”官、產(chǎn)、學(xué)、研、商“的結(jié)合，使項(xiàng)目在政策上和資金上都能得到有利地支持。實(shí)際上八十年代中期，機(jī)械工業(yè)部機(jī)床工具司為阻止PVD涂層設(shè)備進(jìn)口事態(tài)的進(jìn)一步擴(kuò)大，組織了全行業(yè)的力量對引進(jìn)設(shè)備進(jìn)行攻關(guān)，其中所開發(fā)的熱陰極弧磁控等離子鍍膜機(jī)，已成功的在工具行業(yè)推廣應(yīng)用，并因此帶動(dòng)了國內(nèi)TiN涂層刀具的普及應(yīng)用。

4.2 確立研究及開發(fā)新思維刀具涂層技術(shù)集材料、制備方法、真空技術(shù)、切削加工技術(shù)于一體，既具有綜合性，又具有前沿性，要實(shí)現(xiàn)良性發(fā)展，必須樹立合理的、整體的研發(fā)思路。從國內(nèi)幾十年的刀具涂層技術(shù)的發(fā)展看，各研究環(huán)節(jié)的脫節(jié)是制約其發(fā)展的癥結(jié)。開發(fā)的思路應(yīng)遵循:市場調(diào)研——薄膜性能研究——制備方法研究——實(shí)驗(yàn)室裝置開發(fā)——應(yīng)用基礎(chǔ)研究——業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)制造——應(yīng)用工藝技術(shù)研究——市場評定，并形成循環(huán)。

4.3 建立統(tǒng)一的研究、開發(fā)、服務(wù)體系、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建立統(tǒng)一的研究、開發(fā)、服務(wù)體系，根據(jù)國內(nèi)外市場的需求，有系統(tǒng)地引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)對引進(jìn)技術(shù)的消化吸收及協(xié)作研究工作，并逐步達(dá)到自我開發(fā)的水平，最終實(shí)現(xiàn)參與國際市場競爭。

建立涂層設(shè)備、涂層刀具行業(yè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制涂層刀具質(zhì)量，確保涂層技術(shù)大面積的推廣應(yīng)用。

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