PVD 涂層技術在我國刀具制造中的現狀

沙 恒

（山東華宇工學院，山東德州 253034）

0 引言

在刀具制造中應用PVD（Physical Vapor Deposition，物理氣相沉積）涂層技術顯著提升硬度、耐熱性、磨損性等性能，更好地解決以往刀具制造中刀具材料的硬度、耐磨性和抗彎強度、沖擊韌性之間的矛盾，有效延長刀具的使用壽命，促使刀具獲得優良的綜合機械性能，大幅度提升機械加工效率。為了能夠更好滿足現代機械加工對于效率、精度、可靠性等多方面的要求，需要對PVD 涂層技術在我國刀具制造中的現狀進行研究。

1 PVD 涂層技術

PVD 是指通過物理過程實現物質轉移，基層表面上一些分子和原子由源轉移過來的過程，是一種表面處理的標準化稱謂。通過應用PVD，在一些性能相對較低的母體上噴涂具備強度高、耐磨、耐腐性、易散熱等特殊性能的微粒，促使母體的性能有效提升。比較常見的PVD 基本方法包括真空蒸發、濺射、離子鍍等。PVD 涂層技術在一些高精密加工刀具、裝飾件、高要求機械零部件等領域有比較廣泛的應用。與刀具制造中應用的其他技術相比，PVD 涂層技術可以說是一種能實現微米級鍍層且不會造成污染的表面處理方法，也不會對刀具制造工件的尺寸產生影響。應用PVD 涂層技術形成的PVD 膜還可以有效改善刀具表面外觀性能，提升刀具表面的強度、防刮擦能力、耐磨性、防腐蝕性和導熱性。

PVD 涂層技術最早出現于1970 年代末，應用該技術時要求處理工藝溫度＜500 ℃，因此在高速鋼類刀具的涂層中的應用較為廣泛。在實際刀具生產中應用PVD 涂層技術可以有效提升高速鋼刀具的切削性能，因此，PVD 涂層技術得到了迅速推廣。

2 PVD 涂層技術在我國刀具制造中的現狀

我國在刀具制造中關注到國際上先進的PVD 涂層技術，從1980 年代初期開始研究PVD 涂層技術，發展至1980 年代中期已經成功研發出了中小型空心陰極離子鍍膜機涂層設備、高速鋼刀具TiN 涂層工藝技術，并在生產中獲得廣泛應用。這一發展時期，大型工具廠基于對切削刀具市場發展的分析與考察，引進了國際上先進的PVD 涂層技術、PVD 涂層設備，在國內掀起了技術研發、設備研究的熱潮，各個真空設備企業、科研單位都先后對大型離子鍍膜機展開了深入的研制工作，發展至1990 年代，逐漸研發出了多種PVD 涂層設備。但是這些設備是在沒有行業標準、設備標準的基礎上研發的，部分設備的指標系數相對不高，還不能保證涂層設備、涂層刀具制造生產后的質量，企業無法實現效益目標。我國目前的PVD 涂層技術仍舊是以單層TiN 涂層為主，實際制造生產情況中仍舊存在一些問題亟需解決。

2.1 不能滿足刀具制造市場需求變化

在數控機床中應用PVD 涂層技術，要求其切削加工速度≤100 m/min，如果只使用單一的TiN 薄膜則無法實現數控機床加工需求。我國目前PVD 涂層技術在高速鋼刀具中的應用較為廣泛、集中，為了更好滿足市場客戶需求，對涂層刀具制造的要求逐漸提升，但是仍舊有部分先進技術存在壟斷問題，導致我國的涂層加工服務面臨較大挑戰。

2.2 不重視新工藝研發

雖然我國在1980 年代就已經引進了較為先進的PVD 涂層技術，但是未對該技術的后續發展空間及發展速度進行充分評估。應用PVD 涂層技術對工作人員的綜合素養有較高要求，需要進行持續研發，但是大多數企業中對PVD 涂層技術的應用更傾向于生產，對PVD 涂層技術的新工藝研發投入不足，不能積極推動工藝技術的進一步自主開發，這對國內研發涂層技術新工藝和裝備產生嚴重影響。

2.3 設備開發制造仍舊存在問題

在1980 年代引進PVD 涂層技術后，我國的部分設備制造廠家、科研單位認為在短時間內就可以在生產中應用PVD 涂層技術，存在過于樂觀的判斷。尚未經過深入的技術了解和刀具市場調研就對各類PVD 涂層設備進行開發，未結合國內市場的需求，導致實際制造生產中部分涂層設備不能滿足制造需求，尤其在一些精度高速鋼刀具生產中，對批量生產的要求較高，還無法實現批量生產的需求。有些企業不關注涂層設備應用的經濟效益，通常將涂層設備的應用局限于麻花鉆的涂層，自然不能實現企業的經營效益目標，涂層設備制造廠就沒有充足的經費用于設備開發研究。

2.4 缺乏整體配套性

在當前的刀具制造中應用PVD 涂層技術缺乏整體配套性，這是我國在很長一段時間內涂層刀具制造技術發展緩慢的癥結所在。涂層刀具制造生產中，對PVD 涂層技術的應用集中在涂層加工方面，這要求PVD 涂層技術必須具備高度的整體性，制造中所使用的前處理技術、涂層工藝技術、后處理技術及質量控制技術之間互相協調配合。但是目前我國的刀具制造涂層設備制造企業，主要是提供涂層機，這就不利于工業化生產的展開，不僅導致涂層設備生產脫離市場需求，也不利于涂層技術的良性發展。

2.5 涂層質量不穩定

在刀具制造中引進與應用涂層技術需要花費高昂的代價，這在一定程度上決定了在相當長時間內，涂層設備價格還會保持居高不下的局面，實際制造中有部分刀具的涂層成本已經超過刀具價格的一半。因為涂層技術的引進渠道存在差異，選擇設備時的依據也存在一定差異，導致涂層設備的制造生產工藝存在較大差異，不利于后期涂層刀具制造使用后實現應用價值。我國還尚未形成統一的涂層刀具檢驗標準，很可能導致涂層刀具不具備穩定的質量，部分涂層性能仍未得到改善，不利于涂層技術的推廣應用及發展。

3 我國刀具制造中應用PVD 涂層技術的具體策略

在未來的刀具制造中，為了能夠有效提升刀具制造的質量，提升涂層刀具的性能，需要根據PVD 涂層技術在我國刀具制造中的應用情況，制定我國刀具制造中應用PVD 涂層技術的具體策略。

3.1 制定合理的刀具制造規劃

為了能夠使我國的刀具制造應用PVD 技術取得長足發展，需要我國的工具行業管理部門根據刀具制造發展需求，制定合理的刀具制造規劃目標，明確具體的刀具制造管理工作內容；對PVD 涂層技術在我國刀具制造發展的短期、中期、長期目標，制定具有針對性的發展方針；集中政府、生產制造廠家、學校、科研和商戶等多方力量，促使PVD 涂層技術在我國刀具制造獲得多方面支持。在1980 年代中期，我國在機械工業部機床工具司針對PVD 涂層設備越來越嚴重、對國外先進涂層技術越來越依賴的問題，組織過行業中的先進技術力量攻關引進設備中的涂層技術，并在此基礎上取得了顯著的研究成果——熱陰極弧磁控等離子鍍膜機，并已經獲得了較為廣泛的應用，這對促進TiN 涂層刀具的推廣應用有積極意義。

3.2 確定創新的刀具制造研發思維

在未來的刀具制造中應用PVD 技術，必須保證集涂層刀具制備方法、刀具涂層技術及材料、切削加工技術和真空技術為一體，實現涂層刀具制造的綜合性、前沿性特點，促進刀具制造的良性發展。基于我國近幾十年來刀具制造中涂層技術的發展經驗，只有解決各研究環節脫節問題，才能促進刀具制造應用涂層技術獲得長遠發展。在刀具制造研發中，進行充分的市場調研，研究薄膜性能，確定制備方法，組織研究人員進行實驗室裝置開發工作，再組織開展工業化生產設備設計制造，將實驗室獲得的PVD 涂層技術研究成果應用到工業生產，最后在刀具制造銷售后接受市場評定。

3.3 構建一體化的研究體系

刀具制造企業需要根據當前市場對刀具性能的要求、涂層技術在刀具中的應用情況等多方面的因素，根據企業的發展情況逐步構建涂層技術在刀具制造中的研究、開發與服務體系，深入研究行業標準。為了在國際競爭中獲得一席之地，刀具制造企業需要密切關注國內外的市場需求，在制造生產中積極應用先進的刀具制造涂層技術。在引進技術后進行內化，并不斷進行積極的自我開發，能夠在合理、統一的刀具制造中形成制造行業標準，使涂層設備、涂層刀具制造更加規范，在有效控制涂層刀具質量的同時，對促進涂層技術的引進、推廣具有重要意義。

4 結束語

根據切削刀具發展情況，刀具制造是切削加工系統中最活躍的因素。伴隨著科技的迅速發展，通過在刀具制造中應用PVD 涂層技術，可以有效提升涂層刀具的進給速度和切削速度，也有效延長使用壽命。為了能夠更好滿足用戶對刀具性能的要求，可以通過應用PVD 技術，使刀具的基材具備高強度、耐磨性、散熱性等特殊性能，在未來的研究中還要進一步加強對刀具PVD 涂層技術的研究，使其能夠更好地為機械加工服務。

課題基金：山東華宇工學院2019 年校級科研平臺——數控刀具制造工藝技術研發中心。