刀具涂层技术及其发展

２００７年１２月

Ｄｅｃ．２００７

第２４卷第４期Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．４

硬质合金ＣＥＭＥＮＴＥＤＣＡＲＢＩＤＥ

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综合评述

刀具涂层技术及其发展

雒有成

（河南理工大学高等职业学院，河南焦作４５４０００）

摘要随着切削技术向着高速、高效、干式的方向发展，刀具涂层技术得到了广泛的应用，并成为了左右切削技术发展的主要因素。本文介绍了各种刀具涂层材料、刀具涂层结构和刀具生长工艺的研究现状。对刀具涂层的发展方向提出了个人见解。关键词涂层刀具涂层材料涂层结构涂层工艺

作者简介：雒有成（１９６６－－），男，本科，讲师。工作单位：河南理工大学高等职业学院。研究方向：机械加工。

随着现代化金属切削加工的发展，未来的刀具需要满足高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命等，并且需要适应高度自动化生产需求。传统无涂

层刀具由于高温性能差，易磨损已经无法适应现代高效、高精密加工的发展要求。涂层技术在刀具上的应用为现代化金属加工技术开辟了新的航线［１］。在切削加工中，刀具性能对切削加工效率、精度、加工表面质量等有着决定性的影响。刀具性能的两个关键指标———硬度和强度（韧性）之间又存在着矛盾，硬度高的材料往往强度和韧性低，而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。涂层技术通过改进刀具力学性能，有效调解了这两者的矛盾，同时刀具的耐磨性、高温强度等也得到大大改善。在相对较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜（如ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ａｌ２Ｏ３等）组成的涂层刀具，是切削刀具发展的一次革命［２］。涂层刀具与未涂层刀具相比，具有明显的优越性：显著降低摩擦系数，改善刀具表面的摩擦学性能和排屑能力；显著提高耐磨性和抗冲击韧性，改善刀具的切削性能，提高加工效率和刀具寿命；提高刀具表面抗氧化性能，使刀具可以承受更高的切削热，有利于提高切削速度及加工效率，并扩大了干切削的应用范围，从而减少或消除切削液对环境的影响。在先进制造业中，硬质合金刀具及高性能高速钢刀具，８０％以上都采用了表面涂层技术，ＣＮＣ机床上所用的切削刀具９０％以上是涂层刀具。由于涂层刀具的切削速

度高、生产效率高，约８０％的加工量由涂层刀具完成。本文重点关注以旋转刀具为对象的涂层技术及其发展。

１刀具涂层材料

刀具的涂层材料主要是一些具有高硬度的耐磨化合物。常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种［２］。近年来，涂层技术得到了飞速的发展，涂层材料方面，从最早的ＴｉＮ涂层，已开发出ＴｉＣＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、Ａｌ２Ｏ３、ＣｒＮ、Ｃ３Ｎ４、ＺｒＮ等硬涂层及超硬涂层材料，以及ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＣ／Ｃ等软涂层材料，从而满足各种切削工艺的要求。１．１含钛硬涂层

氮化钛（ＴｉＮ）是工艺最成熟，应用最早、最广泛的硬涂层材料。它具有较高的化学稳定性，可以大大减少刀具与工件之间的摩擦系数。目前工业发达国家ＴｉＮ涂层高速钢刀具的使用率已经占高速钢刀具的５０％～７０％，有的不可重磨的复杂刀具的使用率已超过９０％。但是ＴｉＮ涂层的耐氧化性较差，使用温度达５００℃时，膜层明显氧化而被烧蚀，硬度较低，不能满足现代金属切削对刀具的技术要求［３］。

碳氮化钛（ＴｉＣＮ）是通过多元合金化方法，向ＴｉＮ涂层中加入Ｃ元素得到的。由于Ｃ元素的引入，涂层的硬度和抗氧化温度都得到了提高。ＴｉＣＮ涂层

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在常规加工、温度低于５００℃的条件下表现出比ＴｉＮ及ＴｉＡｌＮ涂层更优越的性能——

—涂层硬度高、表面粗糙度和摩擦系数小。此外，该涂层可以和ＴｉＮ涂层形成多层膜结构，不但可以保持ＴｉＮ涂层与基体材料良好的结合和表面抗氧化性能，同时多层涂层形成的ＴｉＮ／ＴｉＣＮ内界面能改变单一涂层的柱状晶生长结构，提高涂层的韧性，从而提高涂层刀具的切削性能。

氮铝化钛系列涂层［（Ｔｉ，Ａｌ）］Ｎ是非常成功的一种涂层材料，具有高硬度、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性，用其加工高温合金、不锈钢、钛合金和镍合金时刀具的寿命比ＴｉＮ涂层刀具高３￣４倍［４］。不仅如此，在（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ涂层中如果有合适的铝浓度，切削加工时在刀－屑界面上容易产生一层硬的、惰性的保护膜，该膜不仅可以阻止涂层进一步被氧化，而且具有较好的润滑性能及隔热性，可以有效地用于高速切削。（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ涂层的机械物理性能优于ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等涂层，并可以与其他涂层配合组成多元多层复合涂层，如ＴｉＡｌＮ／Ａｌ２Ｏ３多层ＰＶＤ涂层，这种涂层的硬度可以达到ＨＶ４０００，涂层的层数可以达到４００层。目前（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ涂层的发展方向为：提高涂层中的铝含量；改进涂层成分，在（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ涂层中添加Ｃ（或Ｓｉ）作为粘结剂强化涂层的显微结构改善其性能，添加Ｃｒ（或Ｏ）进一步提高涂层的氧化温度；改善涂层的结构。多层、梯度和纳米化也是其发展趋势。１．２无钛硬涂层

ＡｌＣｒＮ涂层是具有代表性的一种无钛涂层，与ＴｉＡｌＮ相比，它具有更高的红硬性及抗氧化性能，使用温度可以达到１０００℃，该涂层工艺适合于硬质合金及高速钢材料涂层，用于铣削和车削加工切削速度可以达到４００ｍ／ｍｉｎ以上［５］。

氧化铝（Ａｌ２Ｏ３）涂层材料具有非常好的抗氧化磨损和抗扩散磨损性能。Ａｌ２Ｏ３的高温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比ＴｉＣ和ＴｉＮ好，月牙洼磨损率低，适合于高速、大切削热切削。但是由于与基体材料的物理、化学性能差别太大，单一的涂层无法制成理想的涂层刀具［６］。

ＣＢＮ涂层的硬度和导热率仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至１０００℃也不发生氧化。ＣＢＮ对于铁族金属具有极为稳定的化学性能，与金刚石不宜加工钢材不同，它可以广泛用于钢铁制品的精加工、研磨等。ＣＢＮ涂层除具有优良的耐磨损性能外，还可以在相当高的切削速度下加工耐热钢、钛合金、淬火钢，能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料和对刀具磨损非常严重的Ｓｉ－Ａｌ合金等。

其它新型开发硬涂层材料包括氮化碳（ＣＮｘ）、多晶氮化物超点阵涂层等。如氮化碳（ＣＮｘ）涂层能够形成β－Ｃ３Ｎ４，理论上可以计算出其硬度将超过金刚石，已经有氮化碳合成的报道。多晶氮化物超点阵涂层是一种很有希望的新型刀具涂层，多晶ＴｉＮ／ＮｂＮ和ＴｉＮ／ＶＮ超点阵涂层的硬度分别为５０９６０Ｎ／ｍｍ２和５４８８０Ｎ／ｍｍ２，超点阵涂层由于层内或层间位错导致其硬度很高。同时还有ＣｒＣ和ＣｒＮ涂层、Ｈｆ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｔａ等）的碳化物和硼化物涂层和Ｈｆ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｂｅ等）的氧化物涂层。ＣｒＣ涂层的硬质合金刀具摩擦系数小（０．１～０．１５），抗氧化温度高。由于材料的亲和性，以上含钛硬质合金涂层刀具不适合加工钛和钛合金类材料，而ＣｒＣ和ＣｒＮ涂层硬质合金是一种无钛涂层，可有限地切削钛、钛合金、铝以及其它软材料。１．３金刚石涂层工具

金刚石薄膜具有接近天然金刚石的高硬度、高导热系数、低摩擦系数、低热膨胀系数等优异性能，这些特性使其在切削刀具领域具有广泛的应用前景。Ｎｏｒｔｏｎ公司指出，ＣＶＤ金刚石无论厚薄都比ＰＣＤ硬度高、导热性好和更耐高温。在铣削含ＳｉＣ的增强型铝基复合材料Ａ３５６－Ｔ６的试验中，Ｎｏｒｔｏｎ公司的一把φ９．５４ｍｍ的ＤＴ－１００厚膜金刚石立铣刀，在切削速度为３５９ｍ／ｍｉｎ，即转速为１２０００ｒ／ｍｉｎ时，其寿命为硬质合金铣刀的３００倍。

ＣＶＤ金刚石涂层刀具是通过化学气相沉积法在硬质合金、陶瓷等刀具材料基体上沉积一层很薄的金刚石膜制成的。金刚石涂层刀具具有很高的刀具耐磨性和良好的刀具韧性，涂层摩擦系数小，导热性能好，抗冲击性能好，在高硅铝合金、金属基复合材料、工程陶瓷、有色金属、纤维增强聚合物层压制品等材料的切削加工领域应用前景十分广泛，该种刀具制造工艺相对简单，成本较低，尤其可以通过在刀具基体上直接沉积而制造复杂形状金刚石涂层刀具，因而研制开发高性能的ＣＶＤ金刚石涂层刀具将不仅直接冲击未涂层或其它涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具市场，而且还成为ＰＣＤ聚晶金刚石刀具强有力的竞争对手。

尽管国内外制备的金刚石薄膜刀片已有在生产上试用成功的报道，光明的应用前景已经出现，但金刚石涂层刀具仍未真正实现规模化生产。原因有两

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点，其一，各种陶瓷刀片、聚晶金刚石复合刀片、金刚石厚膜刀片和高性能硬质合金刀片的应用使金刚石薄膜刀片的市场占有份额极为有限；其二，高质量金刚石薄膜刀片的制备工艺欠稳定，切削性能一致性差。国外在金刚石涂层刀具的研究中所反映的主要问题包括提高金刚石薄膜与刀具基体附着强度、增加金刚石薄膜沉积速度率和面积、有效而快速地进行附着强度检测、金刚石薄膜的高效抛光等，其中，有关研究表明［７，８］，金刚石薄膜刀具在试用中，因薄膜开裂脱落造成的刀具非正常失效与因正常磨损造成的失效之比为１０：１。可见，金刚石薄膜与刀具基体结合强度低是导致刀具非正常失效的主要原因，并成为金刚石薄膜刀具实现产业化的主要障碍，金刚石薄膜刀具制备需要解决的关键问题是金刚石薄膜与刀具衬底之间的附着强度问题，国外围绕这一关键技术，从刀具材料的优选、刀具衬底表面预处理、ＣＶＤ沉积工艺控制及附着强度的检测评价等方面开展了大量的工作，并取得了重要的研究成果。

钨钴类硬质合金和Ｓｉ３Ｎ４陶瓷是作为刀具基体直接沉积金刚石薄膜最常用的材料。但硬质合金中的钴相在ＣＶＤ的条件下会促使金刚石向石墨转化，是导致金刚石膜附着强度低的重要原因［９］。一般是采取酸液浸蚀表面的方法去钴；Ｓｉ３Ｎ４陶瓷脆性大，只适于精加工，为此须采取ＳｉＣ晶须增韧方法。文献研究表明［１０，１１］，用机械研磨、离子束轰击、激光照射以及等离子刻蚀等表面预处理方法，可以改变ＷＣ－Ｃｏ基体表面的微观结构和化学成分，使钨钴类硬质合金基体表面成核密度增大，同时抑制Ｃｏ的催石墨化作用，从而增加金刚石薄膜与刀具基体的结合强度。金刚石薄膜与基体材料热膨胀系数不同导致的内应力也是获得高附着强度金刚石薄膜的又一障碍，文献［１２］在ＷＣ－Ｃｏ基体和金刚石薄膜之间沉积一多层中间过渡层，其结构是ＷＣ－８％Ｃｏ／Ｂ／ＴｉＢ２／Ｂ／金刚石，中间层既可以作为Ｃｏ或Ｃ的扩散障碍层，又可以缓解因热膨胀系数不同导致的金刚石薄膜与基体间应力梯度，提高金刚石薄膜附着强度。中间过渡层方法是研究提高金刚石薄膜附着强度的一个研究热点问题，该方法对金刚石、多层膜中间层及基体之间的晶格匹配性和热学匹配性要求严格，控制环节多，过程复杂，对设备条件要求较高，离应用到刀具还有较大距离。因此，如果综合各种方法的优点，特别是从产业化的角度，研究一种相对简便的ＣＶＤ涂层工艺，在低成本地制备高附着强度金刚石薄膜方面取得更好的效果，对于ＣＶＤ金刚石涂层刀具的推广应用至关重要。

如何在获得高附着强度的同时能够尽可能地降低金刚石薄膜摩擦系数和表面粗糙度，也是金刚石涂层刀具实用化过程中的难题。据报道［１２］Ｋａｚｕｈｉｓａ采用离子注入法往金刚石薄膜中注入碳，使薄膜摩擦系数减小，比无碳薄膜的摩擦系数及磨损率降低两个数量级，因此开展这方面ＣＶＤ涂层新工艺研究，对于提高金刚石薄膜表面的光洁度，改善金刚石涂层刀具的性能将具有非常重要的意义。

１．４软涂层（自润滑涂层）

软涂层刀具通常也称为自润滑刀具，追求的目标是低摩擦系数，增加刀具表面的润滑性能，在切削加工中减少工件与刀具之间的摩擦，防止积屑瘤的产生从而提高加工表面质量，延长刀具寿命。在某些情况下，一些材料并不适合采用硬涂层刀具加工，如在航空航天中的一些高强度铝合金、钛合金等。这些材料在加工中非常粘刀，在刀具前刀面生成积屑瘤，不仅增加切削热、降低刀具寿命，而且影响加工表面质量。采用软涂层材料刀具可获得更好的加工效果。

通常的软涂层有ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＣ／Ｃ、ＴａＳ２／Ｍｏ等。瑞士还开发出一种称为“ＭＯＶＩＣ”软涂层的新工艺，即在刀具表面涂复一层固体润滑膜二硫化钼，刀具切削寿命数倍增加，且能获得优良的加工表面；德国钴领刀具有限公司的软涂层的新品种－ＭｏｌｙＧｌｉｄｅ涂层，其硬度（ＨＶ０．０５）仅为２０～５０，它是在硬涂层的基础上涂附一层０．２～０．５μｍ厚的减摩涂层。ＭｏｌｙＧｌｉｄｅ涂层与钢材的摩擦系数仅为０．０５～０．１０，是ＴｉＮ涂层与钢材的摩擦系数的１／４，非常适合于干式或微量润滑条件下钻削加工铝合金、钛合金等轻金属材料。软涂层在加工高强度铝合金和贵重金属方面有良好的应用前景。

此外，国内外对自润滑涂层做了大量研究工作。荆阳等［１３］研究了ＴｉＡｌＮ－ＭｏＳ２／ＴｉＡｌＮ硬质润滑膜的摩擦性，指出在钻头上沉积ＴｉＡｌＮ－ＭｏＳ２／ＴｉＡｌＮ硬质膜，可使其在钻削过程中具有优异的耐磨、减摩和耐高温等性能，从而大大提高了刀具的寿命。Ｆｏｘ等［１４，１５］研究了ＭｏＳ２／Ｔｉ和石墨／ＣｒＣ润滑涂层的摩擦润滑特性，研究表明，在往复摩擦试验条件下，ＭｏＳ２／Ｔｉ润滑涂层具有典型的摩擦趋势，摩擦系数较小，且稳定。在端铣ＡＩＳＩ３０４不锈钢的实验中（铣刀φ１２ｍｍ，

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铣削深度４ｍｍ，铣削宽度２５ｍｍ），使用ＭｏＳ２／Ｔｉ和ＴｉＣＮ复合涂层的铣刀比使用ＴｉＣＮ的铣刀提高了加工距离，降低了铣削力，改善了表面质量。ＹｏｕｒｏｎｇＬｉｕ等［１６］研究了ＭｏＳ２涂层陶瓷刀具的切削性能和磨损机制。用未涂层和ＭｏＳ２涂层刀具进行对比切削试验。结果表明，涂层刀具寿命比未涂层的刀具大大提高。用陶瓷刀具加工时，粘结磨损是主要的磨损原因，而ＭｏＳ２涂层有效阻止了工件和刀具之间的粘结。

今后自润滑刀具的材料研究的主要方向包括：新型自润滑刀具材料的研制、自润滑膜的形成机理及在磨损过程中的变化规律、影响自润滑膜形成和特性的主要因素、自润滑膜的组织与性能对自润滑刀具耐磨性的影响等。

２刀具涂层结构

除了涂层材料外，涂层的内部结构的变化很大程度上也影响着涂层刀具的应用效果。相同的涂层成分、不同的结构形式，可以导致涂层刀具的切削效果截然不同。就目前ＰＶＤ技术的发展状况，涂层薄膜结构大体可以分为：单一涂层、复合涂层、梯度涂层、多层涂层、纳米多层涂层、纳米复合结构涂层［１７］。

单一涂层是由一种化合物或固溶体薄膜构成，理论上讲在薄膜的纵向生长方向上涂层成分是恒定的。这种结构的涂层也称之为普通涂层。追述ＰＶＤ的发展历程，容易发现单一涂层是过去很长时间内一直采用的技术，包括最常用的ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等。

复合涂层是由各种不同功能或特性的涂层薄膜组成的结构，也成为复合涂层结构膜，其典型涂层为目前的硬涂层＋软涂层，每层薄膜各具不同的特征，从而使涂层具有更好的综合性能。

梯度涂层是指涂层成分沿着薄膜生长方向逐步变化，这种变化可以是化合物各元素比例的变化，如ＴｉＡｌＣＮ中Ｔｉ、Ａｌ含量的变化，也可以由一种化合物逐渐过渡到另一种化合物，如ＣｒＮ逐渐过渡到ＣＢＣ碳基涂层。

多层涂层是由多种性能各异的薄膜叠加而成，每层膜化学组成基本恒定。目前在实际应用中多有２种不同膜组成，由于所采用的工艺存在差异，不同企业的多层涂层刀具，其各膜层的尺寸也不近相同，通常由十几层薄膜组成，每层薄膜尺寸大于几十纳米，最具代表性的有ＡｌＮ＋ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ＋ＴｉＮ涂层等。与单层涂层相比，多层涂层可有效地改善涂层组织状况，抑制粗大晶粒组织的生长。

纳米多层涂层结构与多层涂层类似，只是各层薄膜的尺寸为纳米数量级，又可称为超显微结构。理论研究证实在纳米调制周期内（几纳米至几十纳米），与传统的单层膜或普通多层膜相比，此类薄膜具有超硬度、超模量效应，其显微硬度预计可以超过４０ＧＰａ，并且在相当高的温度下，薄膜仍可保留非常高的硬度。因此这类膜具有良好的市场应用前景，其典型代表为ＡｌＮ＋ＴｉＮ、ＡｌＮ＋ＴｉＮ＋ＣｒＮ涂层等。

纳米复合结构涂层。以（ｎｃ－Ｔｉ１－ｘＡｌｘＮ）／（α－Ｓｉ３Ｎ４）纳米复合相结构薄膜为例，在强等离子体作用下，纳米ＴｉＡｌＮ晶体被镶嵌在非晶态的Ｓｉ３Ｎ４体内，当ＴｉＡｌＮ晶体尺寸小于１０ｎｍ时，位错增殖源难于启动，而非晶态相又可阻止晶体位错的迁移，即使在较高的应力下，位错也不能穿越非晶态晶界。这种结构薄膜的硬度可以达到５０ＧＰａ以上，并可保持相当优异的韧性，且当温度达到９００℃～１１００℃时，其显微硬度仍可保持在３０ＧＰａ以上；此外这种薄膜同时可获得优异的表面质量，因此工业应用前景广阔。

３刀具涂层制备工艺

常用的涂层工艺一般为化学气相沉积法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，简称ＣＶＤ）和物理气相沉积法（ＰｈｙｓｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，简称ＰＶＤ）。由于ＣＶＤ沉积温度（一般为９００℃～１１００℃）较高，涂层厚度较厚（通常为１０μｍ），一定程度上限制了其在刀具涂层上的应用。而ＰＶＤ具有涂层温度低、结构微细、表面光滑、涂层厚度薄、应用范围更广等优点，在刀具涂层技术中有更广泛的发展前景。近年来还有一些新的涂层工艺出现，如低温涂层新工艺、溶胶－凝胶法等，同样具有很好的发展前景。

３．１化学气相沉积

化学气相沉积基本原理是沉积物以原子、离子、分子等原子尺度的形态在材料表面沉积，形成外加覆盖层，如果覆盖层通过化学反应形成，则称为化学气相沉积（ＣＶＤ），其过程包括三个阶段：物料汽化、运输到基体附近和在基体上形成覆盖层［１８］。

目前ＣＶＤ向低温和高真空两个方面发展。使用乙酰氮和甲基氢化物提供Ｎ２和ＣＨ４在７００℃～８００℃下能够沉积ＴｉＣＮ涂层，这种技术被称为中温ＣＶＤ

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（简称ＭＴＣＶＤ）。利用ＭＴＣＶＤ法沉积ＴｉＣＮ，可得到较厚的细晶纤维状结构，涂层厚度通常为ＣＶＤ法涂层的１．５倍，且为半粘接状态，可改善刀具在断续切削条件下的抗崩刃性；传统的氧化铝涂层是α－Ａｌ２Ｏ３和γ－Ａｌ２Ｏ３的混合相结构，表面不光滑化学稳定性差，而ＭＴＣＶＤ沉积形成单相α－Ａｌ２Ｏ３呈微晶结构，热稳定好，表面光滑，抗扩散磨损好。ＣＶＤ方法具有涂层与基体结合强度高，涂层在刀具各面上沉积均匀，涂层工艺稳定可靠等优点。用ＣＶＤ方法很难获得多组元的涂层。涂层一般是根据组元性质能完成一定功能的单个涂层构成，但涂层时，温度较高易削弱基体材料的强度。

目前，ＣＶＤ技术主要用于硬质合金车削类刀具的表面涂层，涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用ＣＶＤ技术还可实现α－Ａｌ２Ｏ３涂层，这是ＰＶＤ技术目前难以实现的，因此在干式切削加工中，ＣＶＤ涂层技术仍占有极为重要的地位。

３．２物理气相沉积

物理气相沉积法（ＰＶＤ）是通过气相反应过程，使蒸发或溅射出的金属原子发生气相反应，从而在刀具表面沉积出所要求的化合物。ＰＶＤ涂层技术的特点是：①沉积温度低，可以在５００℃以下沉积ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ等硬涂层，因此不会降低基体材料原有的抗弯强度，涂层和基体间不会产生η相，所以基体材料不需要采用特殊的硬质合金材料，由此可以扩大其应用范围，尤其可以用于高速钢类刀具的涂层；

②涂层具有细微结构，在涂层内部产生压应力，抗裂纹扩展能力强，更适合于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；③涂层表面光滑，比ＣＶＤ涂层更能有效地阻止前刀面上的横向裂纹扩展，同时可以降低摩擦系数；④对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。目前常用的ＰＶＤ涂层技术有单一ＰＶＤ涂层技术及复合ＰＶＤ涂层技术。

单一ＰＶＤ涂层技术根据施加于蒸发离子上的能量不同可以分为：蒸发镀、离子镀和溅射镀三大类［１９］。由于单一ＰＶＤ涂层技术其固有的特点和局限性，往往很难满足机械加工对切削刀具苛刻的要求，因而出现了将不同ＰＶＤ涂层技术或表面处理技术以适当的顺序和方法加以组合，形成新的复合涂层技术，使得在同一刀具的涂层体系中，内层涂层提供与基体特殊的附着力和较高耐磨性，外层涂层则提供一个坚固的、超细晶粒的、表面光滑的刀具表层，从而获得任何单一技术不能达到的具有良好综合物理机械性能的刀具表面。现今应用比较成功的复合ＰＶＤ工艺有：离子束辅助沉积（ＩＢＡＤ）、等离子体增强磁控溅射沉积（ＰＭＤ）、闭合场磁控溅射离子镀（ＣＦＭＳＩＰ）等。

物理气相沉积法与化学气相沉积法类似，只不过物理气相沉积是在５００℃左右完成的。物理气相沉积法起先应用在高速钢上，后来也应用在硬质合金刀具上。化学气相沉积法大多是多层涂层，而物理气相沉积法则可以是单涂层与多层涂层。近来ＰＶＤ的进展尤为引人注目，多种工艺竞相推出各种不同功能的多元、多层、复合涂层，大大扩展了涂层的应用范围，涂层新品种开发的速度明显加快，随着梯度结构、纳米结构涂层的开发，涂层的性能取得了新的突破。在复合涂层中，各单一成分涂层的厚度将越来越薄，并逐步趋于纳米化；涂层工艺温度将越来越低，刀具涂层工艺将向更合理的方向发展，预计ＰＶＤ、ＭＴＣＶＤ工艺将成为主流技术。３．３低温涂层新工艺

国外采用ＣＶＤ与ＰＶＤ相结合的技术，最新开发出一种低温涂层新工艺。称为等离子体化学气相沉积法（ＰＣＶＤ法），它利用等离子体来促进化学反应，可把温度降低至６００℃以下。由于涂层温度低，在硬质合金基体与涂层材料之间不会发生扩散或交换反应，因而基本上可保持刀片原有的韧性，所涂刀片在铣削普通钢、合金钢时显示出比普通ＣＶＤ涂层法获得刀片有更优异的切削性能。目前ＰＣＶＤ法的涂覆温度已可降至１８０℃～２００℃，这样低温的工艺不影响焊接部位的性能，因此这种方法还可用在涂覆焊接硬质合金刀具。据报道，日本三菱金属公司在一种焊接硬质合金钻头上采用了ＰＣＶＤ法涂层，结果加工钢件时的寿命比高速钢钻头高１０倍，效率提高５倍。

物理气相沉积法（ＰＶＤ）与化学气相沉积法（ＣＶＤ）相结合可开发出新的涂层刀具，内层应用化学气相沉积法涂层可以形成与基体间的高粘结能力，外层应用物理气相沉积法涂层可降低切削力，使刀具适用于高速切削，这是涂层工艺一个发展的方向。

４结束语

当前世界涂层技术的发展具有以下趋势：涂层

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第２４卷刀具材料逐渐从硬涂层材料向软涂层材料方向发展，涂层材料结构逐渐从单涂层向多涂层结构过渡，涂层工艺逐渐向低温涂层、物理－化学复合涂层和纳米涂层方向发展，涂层对象逐渐从刀片涂层向粉末涂层方向发展。新的涂层材料和涂层技术的发展提高了涂层刀具的力学性能和切削性能。建立统一的研究、开发、服务体系，根据涂层技术的发展趋势和国内外市场需求，有系统地引进国际先进技术，加强对引进技术的消化吸收及协作研究工作，逐步增强自我开发能力，形成专利技术，建立刀具涂层数据库，优化涂层工艺并为不同的工件选择合适的刀具涂层材料和加工参数，真正实现高效、高质低成本的加工目标，最终实现我国的刀具技术满足国内市场需求和参与国际市场竞争的目的。参考文献

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２１（３）：１７７～１８１［１０］Ｖ．Ｂｕｃｋ，Ｆ．Ｄｅｕｅｒｌｅｒ，Ｅｎｈａｎｃｅｄｎｕｃｌｅａｔｉｏｎｏｆｄｉａｍｏｎｄｆｉｌｍｓｏｎｐｒｅ－ｔｒｅａｔｅｄｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，ＤｉａｍｏｎｄａｎｄＲｅｌａｔｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９９８，７：１５４４￣１５５２［１１］Ｊ．Ｏａｋｅｓｅｔａｌ．，Ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｕｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｄｉａｍｏｎｄｃｏａｔｉｎｇｏｎｃｅ－ｍｅｎｔｅｄｃａｒｂｉｄｅｔｏｏｌｓ，Ｓｕｒｆａｃｅ＆ＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９１，４７：６００￣６０７

［１２］ＫａｚｕｈｉｓａＭｉｙｏｓｈｉ，Ｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｄｗｅａｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｓ－ｄｅｐｏｓｉｔｅｄａｎｄｃａｒｂｏｎｉｏｎ－ｉｍｐｌａｎｔｅｄｄｉａｍｏｎｄｆｉｌｍｓ，ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒ－ｉｎｇ，１９９６，Ａ２０９：３８～

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２２（４）：４５７～４５９［１４］Ｖ．Ｆｏｘ，Ａ．Ｊｏｎｅｓ，Ｎ．Ｍ．Ｒｅｎｅｖｉｅｒ，Ｄ．Ｇ．Ｔｅｅｒ．Ｈａｒｄｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇｃｏａｔ－ｉｎｇｓｆｏｒｃｕｔｔｉｎｇａｎｄｆｏｒｍｉｎｇｔｏｏｌｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２０００，１２５（２）：３４７～

３５３［１５］Ｎ．Ｍ．Ｒｅｎｅｖｉｅｒ，Ｎ．Ｌｏｂｉｏｎｄｏ，Ｖ．ＣＦｏｘ，Ｄ．ＧＴｅｅｒ，Ｊ．Ｈａｍｐｈｓｉｒｅ，ＰｅｒｆｏｒｍａｃｅｏｆＭｏＳ２／ｍｅｔａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｓｕｓｅｄｆｏｒｄｒｙｍａｃｈｉｎｉｎｇａｎｄｏｔｈｅｒｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２００１，１４２～

１４４：６７～７７［１６］ＹｏｕｒｏｎｇＬｉｕ，ＴｒａｕｇｏｔｔＥ．Ｆｉｓｃｈｅｒ，ＡｎｄｒｅｗＤｅｎｔ．ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＨＶＯＦａｎｄｐｌａｓｍａ－ｓｐｒａｙｅｄａｌｕｍｉｎ－ｔｉｔａｎｉａｃｏａｔｉｎｇｓｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｅ－ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄａｂｒａｓｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒ．ＳｕｒｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓＴｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｙ，２００３，１６７：６８～

７６［１７］赵海波，周彤，梁红樱，李波．刀具涂层的分类与应用．工具技术，２００５，３９（１２）：１４～１７

［１８］阎洪，金属处理新技术．北京：冶金工业出版社，１９９６

［１９］谢宏，切削刀具ＰＶＤ涂层技术的发展及应用．硬质合金，２００２，１９（１）：１４～１７

（２００７－０４－０４收稿；

２００７－０７－１５修回）ＴｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＴｏｏｌＣｏａｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ＬｕｏＹｏｕｃｈｅｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＨｉｇｈｅｒＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌｉｔｙ，ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＪｉａｏｚｕｏＨｅｎａｎ４５４０００）

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌｃｏａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄａｎｄｗｉｌｌｐｌａｙａｖｉｔａｌｒｏｌｅｉｎａｄｖａｎｃｅｄｃｕｔｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｂｏｏｓｔｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏａｎｅｗｔｒｅｎｄｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ－ｈｉｇｈｓｐｅｅｄ，ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｄｒｙｃｕｔｔｉｎｇ．Ｔｈｅｌａｔｅｓｔｒｅｓｅａｒｃｈａｄｖａｎｃｅｓｉｎｔｏｏｌｃｏａｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｏｏｌｃｏａｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｏｏｌｃｏａｔｉｎｇｈａｓａｌｓｏｂｅｅｎｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．

ＫＥＹＷＯＲＤＳｃｏａｔｅｄｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌ；ｃｏａｔｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌ；ｃｏａｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｏａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

雒有成：刀具涂层技术及其发展

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