目录
摘 要： 2
Abstract： 2
1. 绪 论 3
2.1 CVD技术的发展 3
2.2 PVD技术的发展 4
2.3 我国涂层技术的发展及现状 5
3.1 多元涂层 6
3.2 多层涂层 6
3.3 纳米涂层 7
3.4 超硬材料涂层 7
4. 涂层刀具在金属切削加工中的应用 8
4.1. 初期试验阶段 9
4.2 试验总结分析 11
4.3 成本改善及创效分析 12
参考文献 13
刀具涂层技术在机械加工中的应用
赵 剑
(中国第一拖拉机股份有限公司齿轮厂工装部)
摘 要：
切削刀具表面涂层技术是应机械加工性能需求发展起来的材料表面改进性技术。涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命，降低刀具消耗，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高经济效益和机械加工效率。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，尤其是机械传动行业，世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。
关键词：涂层技术，切削刀具，PVD，机械性能，经济效益。
Abstract：
Surface coating technology for cutting tool is an improving technology with the demand of maching property development. Coating technology can effectively improve the service life of tool , reduce the tool consumption and make the tool getting excellent comprehensive mechanical properties. Thus , it can improve economic returns and working effiency. In order to satisfy the requirements for high efficiency, high precision an
d high reliability, especially in the mechanical drive industry. Every country of manufacturing industy in the world should pay more attention to the development of coating technology and application in the tooling manufacturing
Keywords: Coating Technology，Cutting Tool，PVD，Mechanical properties，Economic benefit。
1. 绪 论
切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改进性技术。涂层刀具比未涂层刀具具有高速、高效、高精度、高质量、低成本及长寿命的优点，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。可以说，涂层刀具的出现是刀具材料发展的一次革命，因为它解决了刀具强度和韧性之间的矛盾。因此，涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视，并有了长足的发展，为刀具切削性能的提高开创了新的历史篇章。
我国的刀具涂层技术经过多年发展，目前正处于关键时期，即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求，而国内各大工具厂的涂层技术也远落后于世界其他国家，到了必须更新换代的时期。因此，充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势，瞄准国际涂层技术先进水平，有计划、按步骤地发展刀具涂层技术（尤其是PVD 技术），对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。
2. 涂层技术的发展及现状
刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积（CVD）技术和物理气相沉积（PVD）技术两大类，分别评述如下。
2.1 CVD技术的发展
计数继电器二十世纪六十年代以来，CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。由于CVD工艺气相沉积所需金属源的制备相对容易，可实现TiN、龙吸水设备TiC、TiCN、TiBN、TiB2、AL2O3等单层及多元多层复合涂层的沉积，涂层与基体结合强度较高，薄膜厚度可达7-9μm，因此到八十年代中后期，美国已有85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理，其中CVD涂层占到99%；到九十年代中期，CVD涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占80%以上。尽管CVD涂层具有很好的耐磨性，但CVD工艺亦有其先天缺陷：一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹；三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染。因此自九十年代中期以来，高温CVD技术的发展和应用受到一定制约。九十年代中后期，中温化学气相沉积（MT—CVD）技术的出现使CVD技术发生了革命性变革。采用MT—CVD技术可获得致密纤维状结晶形态的涂层，涂层厚度可8—10μm，（新型MT—CVD涂层的剖面结构见图1）。这种涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性，并可通过高温化学气相沉积工艺在刀片表面沉积管状电机AL2O3等抗高温氧化性能好、与被加工材料亲和力小、自润滑性能好的材料。MT—CVD涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用，其寿命可比普通涂层刀片提高一倍左右。 图1
2.2 PVD技术的发展
PVD技术出现于二十世纪七十年代末，由于其工艺处理温度可控制在500°以下，因此可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。由于采用PVD工艺可大幅度提高高速钢刀具的切削性能，所以该技术得到了迅速推广，至八十年代末，工业发达国家高速钢复杂刀具的PVD涂层比例已超过60%。研究结果表明：与CVD工艺相比，PVD工艺处理温度低，在600°以下时对刀具材料的抗弯强度无影响（试验结果见表1）；
表1 不同温度下PVD涂层对硬质合金材料抗弯强度的影响
硬质合金牌号 | 平均抗弯强度 |
未涂层 | 涂层（300°） | 涂层（600°） | 涂层（700°） |
| zssi M20 | 2109 | 2266 | 2129摇摆车 | 2059 |
M30 | 2285 | 2469 | 2370 | 1894 |
| | | | |
随着高速切削加工时代的到来，高速钢刀具应用比例逐渐下降、硬质合金刀具和陶瓷刀具应用比例上升已成必然趋势，因此，工业发达国家自九十年代初就开始致力于硬质合金刀
具PVD涂层技术的研究，至九十年代中期取得了突破性进展，PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。
经过几十年的研究和开发，各种刀具涂层工艺已广泛应用于硬质合金和高速钢切削刀具。涂层工艺的主要发展阶段及应用领域见表2。金属接线盒
表2 主要涂层工艺发展时段及应用领域
2.3 我国涂层技术的发展及现状
我国从二十世纪七十年代初开始研究CVD涂层技术，由于该项技术专用性较强，国内从事研究的单位并不多，导致在随后的十多年里发展较为缓慢。到八十年代初期，我国开始致力于PVD涂层技术的研究，至八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机，并开发了高速钢刀具TiN涂层工艺技术。在此期间，国内先后有七家大型工具厂从国外引进了大型PVD涂层设备（均以高速钢TiN涂层工艺为主）。技术及设备的引进调动了国内PVD技术的开发热潮，许多科研单位和各大真空设备厂纷纷展开了大型离子镀膜机的研制工作，并于九十年代初开发出多种PVD涂层设备。但由于多数设备性能指标不高，无法保证刀具涂层质量，同时预期的市场效益未能实现，因此大多数企业未对PVD刀具涂层技术作进一步深入研究，导致国内PVD刀具涂层技术的发展徘徊不前。尽管九十年代末国内成功开发出多元复合涂层工艺技术并达到实用水平，CNX涂层技术的研发也有重大突破，但与国际发展水平相比，我国的刀具PVD涂层技术仍落后十年左右。目前国外刀具PVD涂层技术已发展到第四代，而国内尚处于第二代水平，且仍以单层TiN涂层为主。
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