一、前言

在各種被加工材料中，沃斯田不銹鋼、高錳鋼、淬硬鋼、復合材料和耐磨鑄鐵等材料加工難度很高，但隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這些材料的用量不斷增加。同時，今后隨著各行各業(yè)對用材要求的不斷提高，更多的新材料會出現(xiàn)，如在航天工業(yè)領域，鈦合金、鎳基合金以及超耐熱合金、陶瓷等難加工材料，每一種新型材料都對切削加工提出了新的挑戰(zhàn)。

覆膜刀具的出現(xiàn)是刀具材料發(fā)展中的一次改變，采用鍍膜技術(shù)可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的整體機械性能，從而大幅度提高機械加工效率。因此，工業(yè)先進國家使用的覆膜刀具在切削刀具中占的比例越來越大，約達70%～80%的比重?！緢D1】所示為刀具鍍膜的發(fā)展歷程，從一代的單一膜層逐漸發(fā)展到多元多層膜層，以滿足不同材料及切削環(huán)境的切削加工。

二、技術(shù)發(fā)展動向

(一)薄膜的多元化及服務的客制化

進入21世紀的PVD技術(shù)與1990年代相比，已發(fā)生了極大變化，從單一的TiN、TiCN、TiAlN發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)十種鍍膜型態(tài)，針對不同的切削加工應用條件，可對薄膜成分、結(jié)構(gòu)進行選擇，透過適當?shù)闹苽浼夹g(shù)，以獲取令人滿意的切削效果。例如在齒輪加工中，除了對 zz覆膜刀具的使用壽命有嚴格要求外，如何保證齒輪的精度及表面質(zhì)量同樣至關重要，因此目前普遍采用的是復合膜層，即硬涂層+軟涂層，當然對于不同的鍍膜廠商而言，達成此目的的制程方法不盡相同；而在高速銑削加工中，往往只采用硬質(zhì)涂層。此外客制化服務的概念初步形成，例如Platit公司的鍍膜設備采用了開放式工作模式，可針對不同的客戶隨時開發(fā)更適合的鍍膜技術(shù)。

(二)高速及干式切削之鍍膜技術(shù)的開發(fā)

在高速加工或干式切削過程中，溫度成為影響刀具使用壽命的主要原因，因此提高薄膜的高溫性能、保證覆膜刀具的紅硬性成為近幾年PVD技術(shù)的開發(fā)重點。欲改進氮鋁鈦膜層，提高薄膜中Al的含量是有效方法之一，因此出現(xiàn)了所謂的AlTiN鍍層(Al含量大于50%)，應該說隨著Al含量的增加(在一定范圍內(nèi))，薄膜的整體效能有所提升，但仍有一些關鍵技術(shù)有待解決：比如說，如何在生產(chǎn)過程中完成這種鍍膜，尤其當Al含量超過65%時，在這種膜層中如何控制AlN的晶體結(jié)構(gòu)等。從發(fā)展來看，各鍍膜業(yè)者已透過其他的薄膜技術(shù)解決了高速、高溫切削加工問題，如Balzers的AlCrN鍍膜、Platit的(nc-Ti1-xAlxN)/(αSi3N4) 鍍膜、CemeCon的TINALOX鍍膜、Metaplas的AlTiN-saturn鍍膜都具有優(yōu)異的高溫性能，并已成功應用于高速、干式切削加工領域。

(三)膜層組織結(jié)構(gòu)之改善

目前在PVD市場中，陰極電弧離子鍍技術(shù)仍占主導地位，但與先前不同，無論哪一個采用陰極電弧離子鍍技術(shù)的公司，都試圖透過硬件的開發(fā)及制程的調(diào)整來改善膜層的組織結(jié)構(gòu)，避免“液滴”和柱狀晶的產(chǎn)生。尤其是隨著奈米概念的出現(xiàn)，致使陰極電弧薄膜涂層組織獲得根本的改善，采用該技術(shù)得到的膜層表面粗糙度Ra值已小于0.15μm，因此使得陰極電弧涂層的整體效能得以提高，并為市場所接受。

(四)PVD鍍膜領域的新概念

眾所周知，與PVD技術(shù)相對應的是CVD技術(shù)，該項技術(shù)結(jié)合強度高、膜層厚，并且可以涂鍍α-Al2O3膜層，因此更適合于中型、重型切削的高速、干式粗加工及半精加工領域。如何利用PVD技術(shù)，開發(fā)出Al2O3鍍膜技術(shù)，實現(xiàn)厚膜鍍層，將PVD涂層技術(shù)擴展到粗加工及半精加工領域，這一直是該行業(yè)亟待解決的難題。而CemeCon公司在該領域的研究已取得了突破性的進展，也預示著PVD技術(shù)新時代的到來。

(五)具有里程碑意義的奈米鍍膜技術(shù)

隨著奈米技術(shù)的發(fā)展及涂鍍技術(shù)的進步，應用在刀具的奈米鍍膜材料亦引起廣大研究者的關注。奈米鍍膜主要有兩種：奈米多層結(jié)構(gòu)及奈米復合結(jié)構(gòu)，刀具中較為常見的應用是奈米多層結(jié)構(gòu)鍍膜，一般是由晶格常數(shù)相近的各單層硬質(zhì)膜材料交疊組成，可能得到與組成此一多層結(jié)構(gòu)的各單層膜層的效能差異明顯的全新鍍膜。這是一種人為可控的一維周期結(jié)構(gòu)，交替沉積單層涂層不超過5～15nm。

三、結(jié)語

單一的表面鍍膜處理越來越難以滿足高速、精密及超精密切削等先進切削加工技術(shù)對高性能刀具的要求，從技術(shù)面來說，刀具表面鍍膜處理采行復合表面處理技術(shù)，可實現(xiàn)成分、結(jié)構(gòu)的梯度過渡區(qū)域，獲得性能更好的膜層組織，更高界面結(jié)合強度。因此膜層成分將趨于多元化、復合化；為滿足不同的切削加工要求，涂層成分將更為復雜、更具特定功能性；在復合鍍膜中，各單一成分膜層的厚度將越來越薄，并逐步趨于 奈米化；另一方面，鍍膜制程溫度將越來越低。

PVD鍍膜技術(shù)經(jīng)過30多年的發(fā)展，已成為工具制造業(yè)的一項關鍵技術(shù)，目前正處在蓬勃發(fā)展期。隨著材料科學技術(shù)的進展，鍍膜技術(shù)也由單層薄膜發(fā)展到多層、漸層、奈米及奈米復合結(jié)構(gòu)薄膜，若于此基礎上，進一步減少操作步驟，降低成本，擴大多種多層鍍膜在不同刀具上的應用，必將取得更大的技術(shù)經(jīng)濟效益。

圖1 刀具鍍膜發(fā)展歷程

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