目前，面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和不斷降低制造成本的壓力，高速切削加工已成為提升制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵點(diǎn)。高速刀具以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在汽車工業(yè)、航空航天、模具制造、電子行業(yè)和儀器儀表等行業(yè)中獲得了愈來愈廣泛的應(yīng)用。不過在實(shí)際切削加工過程中，存在切削力大、切削溫度高、刀具磨損快等問題，高速高效切削加工刀具的性能提高很大程度上依賴于刀具涂層的發(fā)展。

金屬切削對(duì)刀具涂層的要求

硬質(zhì)涂層的任務(wù)是為切削刀具基體提供磨損保護(hù)和熱防護(hù)，對(duì)涂層的具體要求取決于切削工藝、參數(shù)和被加工材料的選擇。

主要有以下要求：

（1）在連續(xù)切削過程中（如車削），刀刃?切屑、刀刃?工件接觸區(qū)域通常會(huì)達(dá)到較高溫度，通常采用低熱導(dǎo)率的厚涂層(5~20μm)，可刀具基體提供熱屏障，讓產(chǎn)生的熱量被轉(zhuǎn)移到切屑中，從而降低刀具刃口的熱負(fù)荷，阻止或延緩刀具刃口的塑性變形。但對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)低的工件材料，需要導(dǎo)熱系數(shù)較高的涂層來從接觸區(qū)域散去熱量，在切削難加工材料時(shí)，通常采用垂直表面導(dǎo)熱率低、平行表面導(dǎo)熱率高的刀具涂層。

（2）在斷續(xù)切削中，例如銑削工藝，熱量不會(huì)連續(xù)產(chǎn)生，因此接觸面溫度低于連續(xù)切削，但循環(huán)的應(yīng)力和熱載荷會(huì)導(dǎo)致切削刃產(chǎn)生疲勞破損，通常采用殘余壓應(yīng)力的薄涂層(3~5μm)，如PVD涂層。

不同類型的切削加工

PVD涂層技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

硬質(zhì)涂層性能與其化學(xué)鍵成分有關(guān)，分共價(jià)鍵為主的超硬涂層（金剛石、立方氮化硼等）、離子鍵為主的惰性涂層（氧化鋁、氧化鉻等）、金屬鍵和共價(jià)鍵混合的硬韌涂層（氮化鈦、硼化鈦等），化學(xué)鍵的性質(zhì)決定涂層力學(xué)、化學(xué)性能，影響涂層與基體的結(jié)合力。

刀具涂層材料化學(xué)鍵類型

涂層材料以單層或者多層、納米多層/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)組成刀具涂層，在實(shí)際刀具涂層設(shè)計(jì)中，為改善與基體的界面結(jié)合及調(diào)控涂層的元素?cái)U(kuò)散、應(yīng)力分布、承載能力和表面功能性等，會(huì)考慮多層的涂層設(shè)計(jì)。

刀具涂層技術(shù)分為化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)和物理氣相沉積(PVD)。最早商用的刀具涂層為CVD-TiC涂層，隨后TiN、TiCN和Al₂O₃涂層也相繼商業(yè)化。隨著切削速度的提升和難加工材料的使用，刀具服役條件日益嚴(yán)苛，TiN、TiC涂層的高溫性能已不能滿足加工需要，引入其他元素的復(fù)合材料涂層可大幅提升性能，通常采用PVD方法來制備。

相比于CVD，PVD具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：涂層種類多，沉積溫度較低，適用于大多數(shù)刀具基體材料，目前已發(fā)展出了多種元素、多種結(jié)構(gòu)（多層、納米多層、納米復(fù)合）、多材料（氮化物、硼化物、氧化物）的PVD刀具涂層。

PVD刀具涂層沉積技術(shù)的主要類型

市場(chǎng)主流的PVD刀具涂層技術(shù)有電弧離子鍍(Arc Ion Plating，AIP)和磁控濺射(Magnetron Sputtering，MS)兩類，AIP刀具涂層以瑞士Oerlikon Balzers公司為代表，MS刀具涂層以德國(guó)CemeCon公司為代表。

1.電弧離子鍍技術(shù)

在電弧離子鍍技術(shù)中，涂層材料經(jīng)真空室中低電壓、高電流的電弧放電轉(zhuǎn)化為氣相，電弧在靶材表面做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，弧斑所到之處局部溫度高達(dá)15000℃，靶材能夠瞬間蒸發(fā)并實(shí)現(xiàn)高效離化，激發(fā)粒子通常具有較高的粒子能量，有助于提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度和硬度，獲得結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)性能優(yōu)異的刀具涂層，如TiN、TiAlN、TiAlSiN和DLC等涂層。

電弧離子鍍技術(shù)原理

電弧離子鍍具有靶位可調(diào)性和較低沉積溫度的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較廣泛材料表面防護(hù)涂層的制備，同時(shí)避免零部件的熱變形及材料退火，而通過多靶組合沉積可以實(shí)現(xiàn)涂層成分和結(jié)構(gòu)的可控調(diào)節(jié)。但是由于弧斑能量集中，靶面的不均燒蝕容易形成液滴缺陷，通常會(huì)導(dǎo)致電弧離子鍍涂層具有較高的表面粗糙度，同時(shí)在涂層生長(zhǎng)過程中，液滴缺陷附著會(huì)打斷涂層的連續(xù)生長(zhǎng)，形成孔洞等生長(zhǎng)缺陷，對(duì)涂層的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生較大影響。近年來，結(jié)合電磁場(chǎng)和永磁場(chǎng)調(diào)節(jié)控制弧斑運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高性能涂層制備備受關(guān)注。

基于電弧離子鍍技術(shù)發(fā)展的過濾電弧沉積(Filtered Arc Deposition, FAD)和離子輔助沉積(Ion Assisted Deposition，IAD)技術(shù)在改善電弧沉積液滴缺陷方面也有突出效果，區(qū)別于陰極電弧源磁場(chǎng)設(shè)計(jì)，F(xiàn)AD技術(shù)通過在靶材與工件間設(shè)置弧形彎管配合電磁場(chǎng)作用實(shí)現(xiàn)對(duì)大顆粒的有效過濾，而IAD技術(shù)通過輔助離化增加了沉積腔室的等離子體密度，提高了陰極弧蒸發(fā)離子碰撞和二次離化的幾率，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控和生長(zhǎng)缺陷的改善。

電弧離子鍍技術(shù)典型涂層結(jié)構(gòu)

2.磁控濺射技術(shù)

在磁控濺射技術(shù)中，氣體放電離化形成的高能等離子在電場(chǎng)作用下加速轟擊靶材表面，濺射出的靶材原子通過動(dòng)量傳遞獲得動(dòng)能后運(yùn)動(dòng)到基材表面，通過吸附、形核、生長(zhǎng)最終形成涂層。

根據(jù)工藝需要，磁控濺射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單一金屬、合金和化合物涂層的濺射制備，濺射過程中配合通入不同的反應(yīng)性氣體（N₂、O₂等）可以實(shí)現(xiàn)涂層成分多樣化設(shè)計(jì)。磁控濺射靶面溫度低，避免了濺射過程中大顆粒缺陷的產(chǎn)生，所以能夠獲得表面質(zhì)量?jī)?yōu)異，結(jié)構(gòu)致密的涂層。

磁控濺射技術(shù)原理

與電弧離子鍍相比較，磁控濺射仍然存在靶材離化率低、膜基結(jié)合力差等缺點(diǎn)，因此實(shí)現(xiàn)磁控濺射的高效離化一直是研究熱點(diǎn)方向。根據(jù)磁控濺射電源的不同可以主要分為直流磁控濺射(DC MagnetronSputtering, DCMS)，射頻磁控濺射(Radio Frequency Magnetron Sputtering, RFMS)和脈沖磁控濺射，其中高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)在提高靶材離化率和高性能涂層制備方面表現(xiàn)突出。

HiPIMS制備的涂層性能優(yōu)異，表面光滑無液滴、厚度均勻與基體結(jié)合良好，其致密涂層形態(tài)有利于高溫穩(wěn)定性及抗氧化性的提升。因?yàn)槌练e過程中較高的的離化率，增強(qiáng)了沉積原子的遷移率，使得涂層晶粒細(xì)化、結(jié)構(gòu)更致密。相比于普通磁控濺射，HiPIMS所制備的TiN、CrN的硬度更高。HiPIMS使涂層的晶粒細(xì)化、結(jié)構(gòu)致密化獲得了更好的力學(xué)、摩擦磨損及高溫抗氧化性能等，顯著提長(zhǎng)了刀具涂層的切削壽命，因而應(yīng)用廣泛。

磁控濺射技術(shù)典型涂層結(jié)構(gòu)

總結(jié)

高速、高精、綠色切削加工的發(fā)展不僅要求刀具涂層具有優(yōu)異的硬度、耐磨性，還需具備良好的韌性及精細(xì)的熱管理。高性能硬質(zhì)涂層的研究也不斷朝著更加復(fù)雜的體系發(fā)展，多元多層多相的設(shè)計(jì)成為一大趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)PVD刀具涂層行業(yè)正經(jīng)歷從依賴進(jìn)口到全面國(guó)產(chǎn)替代的過程，近年來國(guó)產(chǎn)PVD裝備取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但在技術(shù)細(xì)節(jié)和應(yīng)用穩(wěn)定性上還與國(guó)際領(lǐng)先品牌存在一定差距，未來發(fā)展的著力點(diǎn)包括：涂層裝備與沉積技術(shù)的一體化封裝，涂層結(jié)構(gòu)性能的底層設(shè)計(jì)邏輯，涂層性能與切削摩擦磨損的作用關(guān)系。

參考來源：

1.面向切削刀具的物理氣相沉積涂層回顧與展望，王啟民、彭濱、許雨翔（廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)）；

2.高速切削加工關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向，李忠新、黃川、劉延友（中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)）；

3.高速切削刀具物理氣相沉積涂層研究進(jìn)展，王啟民、黃健、王成勇（航空制造技術(shù)）。

粉體圈小吉

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