1、刀具涂層技術論文刀具涂層技術論文1.刀具涂層技術出現的原因 眾所周知，刀具表面涂層技術是應市場需求而發展起來的一項優質表面改性技術，由于該項技術可使切削刀具獲得優良的綜合機械性能，不僅可有效地提高刀具使用壽命，而且還能大幅度地提高機械加工效率，因此該項技術已與材料、加工工藝并稱為切削刀具制造的三大關鍵技術。為滿足現代機械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各國都十分注重涂層技術的發展。目前我國刀具涂層技術的發展正處在一個十分關鍵的時刻，尤其是PVD涂層技術，一方面原有的技術已不能滿足切削加工日益變化的要求；另一方面國內各大工具廠涂層設備已到了必須更新換代的時期，因此有計劃、按步驟的發展PV

2、D技術，不僅能促進我國切削刀具產品技術水平的提高，而且還可獲得巨大的經濟效益和社會效益。 刀具涂層技術目前仍可劃分為兩大類，即CVD（化學氣相沉積）和PVD技術（物理氣相沉積）。 CVD技術自上世紀六十年代出現以來，在硬質合金可轉位刀具上得到了極為廣泛的應用。在CVD工藝中，氣相沉積所需金屬源的制備相對容易，可實現TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復合涂層，其涂層與基體結合強度高，薄膜厚度可達79m，相對而言，CVD涂層具有更好的耐磨性。八十年代中后期，美國85%的硬質合金工具采用了涂層處理，其中CVD涂層占到了99%；九十年代中期，CVD涂層硬質合金刀片

3、在涂層硬質合金刀具中仍占到了80%以上。但CVD工藝也有其先天性的缺陷，一是工藝處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強度的下降；二是薄膜內部為拉應力狀態，使用中易導致微裂紋的產生；三是CVD工藝所排放的廢氣、廢液會造成工業污染，對環境影響較大，與目前所提倡的綠色工業相抵觸，因此九十年代中期后高溫CVD技術的發展受到了一定的制約。 八十年代末Krupp Widia開發的PCVD（低溫化學氣相沉積）技術達到了實用水平，其工藝處理溫度已降至450650，有效地抑制了相的產生，可進行TiN、TiCN、TiC等涂層，用于螺紋刀具、銑刀、模具等，但到目前為止PCVD工藝在刀具涂層領域內的應用并不十分廣泛。 真正

4、引起CVD技術發生突變的是九十年代中期新型MT-CVD（中溫化學氣相沉積）技術的出現。新型MT-CVD是以含C/N的有機物乙腈（CH3CN）為主要反應氣體和TiCL4、H2、N2在700900下產生分解、化學反應，生成TiCN的一種新方法，可獲得致密纖維狀結晶形態的涂層，涂層厚度可達810m。這種涂層結構具有極高的耐磨損性、抗熱震性及韌性，并可通過HT-CVD（高溫化學氣相沉積）工藝技術在表層沉積上Al2O3、TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料。MT-CVD涂層刀片適合于高速、高溫、大負荷、干式切削條件下使用，其壽命可比普通涂層刀片提高1倍左右。 從目前的發展來

5、看，CVD工藝（包括MT-CVD）主要用于硬質合金車削類刀具的表面涂層，其涂層刀具適合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工，尤其是-Al2O3涂層是目前PVD技術所難以實現的，因此在干式切削加工中，CVD涂層技術仍占有極其重要的地位。 2.現代刀具涂層與傳統刀具涂層比較 2.1全球機械加工工業市場、機床市場和切削刀具工業 任何一個強大的國家都必須具有包括金屬切削加工在內的強大制造業基礎。在整個21世紀中,金屬切削加工仍是機械制造業的主導方法，切削加工（包含磨削）不僅占其90%以上的份額，而且刀具消耗費用占制造成本的2%5%。無論是專機設備還是柔性制造單元,CNC制造系統都是當今金屬切削工業中

6、的主流。而在CNC制造系統中,工具刀柄和切削刀具的投入可占整個系統投入的10%甚至更多。柔性制造單元和專機設備系統的效率和能力在很大程度上取決于所采用的刀具和工具輔助系統的技術水平。 全球機械加工工業市場變得既活躍又具有過度的全球競爭性。在貿易和技術的頻繁往來之中，發達國家與發展中國家在競爭能力上的差別也日趨混同。同時，對產品的低成本、高性能、高品質、更快捷的交貨期的需求，使新產品和新技術的發展有了史無前例的發展速度和空間。 近年來,金屬切削和金屬成型機床的消費市場從390億美元減少到360億美元,其原因之一是加工中心的廣泛使用。在美國加工中心的擁有量由20世紀80年代初的11%提高到現在的2

7、5%。在世界范圍內,預期在1998年到2005年將由45億美元可望達到66億美元。在此同時，傳統的銑削機床市場預計在同期內將從16億美元下降到15億美元。在未來的十年中,超過50%的制造業的加工需求可能將由加工中心來完成。 世界切削工具的市場份額約為100億美元,預計工具的消耗量在近期內將每年增長3%以上。1998年世界切削工具市場消耗比率如下:鉸刀2%、拉刀/滾刀7%、合金立銑刀7%、絲錐6%、車刀23%、高速鋼立銑刀7%、鏜刀8%、鋸片11%、鉆頭12%、銑削刀具17%。隨著高速加工理念被人們普遍接受,CBN和金剛石切削刀具的全球需求量預計從1998年的5%到2005年將提高到11%。 2

8、000年,許多刀具制造商都發現硬質合金刀具需求量的增長超過40%以上。這種增長可能標志著HSS刀具越來越多地在許多制造領域內被硬質合金刀具取代而失去了往日的輝煌。 2.2現代金屬切削刀具與傳統工具的對比分析 我們稱謂的數控刀具，特指與加工中心、數控車床、數控鏜銑床、數控鉆等先進高效的CNC制造系統相配套使用的刀具和工具輔具系統。它包括整體合金刀具、超硬刀具、可轉位刀片、工具輔助系統、可轉位刀具、超硬材料及涂層技術等。這些應屬于現代金屬切削刀具范疇，其技術水平、性能和質量直接影響到國內數百萬臺昂貴的CNC制造系統的生產效率和加工產品質量的好壞，直接影響到整個國家機械制造工業的生產技術水平和經濟效

9、益。其特征分析見下表。 表 現代金屬切削刀具與傳統工具的對比分析 刀具材料： 傳統工具-普通工具鋼、高速鋼，焊接合金 現代切削刀具（數控刀具）-硬質合金，Co-HSS，陶瓷，CBN，PCBN，PCD，粉末冶金高速鋼，超硬材料+涂層 刀具硬度： 傳統工具-高速鋼：60HRC 現代切削刀具（數控刀具）-可達90HRC以上 被加工產品硬度： 傳統工具-一般情況下28HRC 現代切削刀具（數控刀具）-車削、銑削均可達到淬硬鋼60HRC以上 切削速度： 傳統工具-加工鋼、鑄鐵：Vc30m/min(7080m/min) 現代切削刀具（數控刀具）-加工鋼、鑄鐵：可轉位涂層合金刀片：Vcmax380m/min

10、；CBN刀片：Vcmax10002000m/min；加工鋁合金：Vcmax5000m/min 刀具制造精度： 傳統工具-10微米級(0.0xxmm) 現代切削刀具（數控刀具）-微米級(0.00xxmm) 刀具和工具系統轉速: 傳統工具-2000r/min 現代切削刀具（數控刀具）-60000r/min 關鍵技術: 傳統工具-一般機械制造、切削原理、熱處理、專機、專用工裝及工藝 現代切削刀具（數控刀具）-CAD，CAM，材料科學，力學（動平衡，動剛度等），精密機械制造，數控加工技術，粉末冶金，納米技術，涂層技術及CAX、ERP等計算機信息化管理技術 刀具消耗費用和金屬切除量： 傳統工具-高速鋼刀

11、具約占全部刀具費用的65%，切除的切屑僅占總切屑量的28% 現代切削刀具（數控刀具）-可轉位刀具、合金刀具及超硬刀具占全部刀具費用的34%，切除的切屑占總切屑量的68% 刀具制造用關鍵設備： 傳統工具-專機和一般機械加工設備為主；剛性生產 現代切削刀具（數控刀具）-CNC機床為主：工具磨床及加工中心，數控車床，合金型材和刀片壓制燒結專用設備，刀片深度加工數控磨床；柔性生產 刀具使用機床： 傳統工具-一般的金屬切削機床：車床、銑床、刨床、鏜床等 現代切削刀具（數控刀具）-數控車床，數控銑床，加工中心，流水線專機，柔性生產線 資金投入和企業規模： 傳統工具-追求低成本，大規模生產，資金總量投入不限

12、，屬勞動密集型 現代切削刀具（數控刀具）-追求差異化，多品種、小批量，資金投入數千萬元以上，屬知識、技術、人才、資金密集型 銷售與市場： 傳統工具-市場層面涉及所有機械加工業和維修業；商店倉儲式，分銷商為主，市場成熟，買來即用；主要競爭方式：價格競爭 現代切削刀具（數控刀具）-與數控機床配套，與被加工產品的數控加工工藝相結合采購刀具，技術配套銷售，商店式市場網絡，分銷商，甚至有專業的為企業配套的刀具管理公司；主要競爭方式：綜合性價比及技術服務，降低制造成本，提升效率 人力資源： 傳統工具-產業工人占多數，單一技術，專機制作，整體素質要求不高 現代切削刀具（數控刀具）-技術開發、營銷、技術服務、

13、數控技術工人、財務、管理等占絕大多數，人才綜合素質要求高。 3.刀具涂層與硬質合金刀具加工比較 由于硬質合金刀具材料的耐磨性和強韌性不易兼顧，因此使用者只能根據具體加工對象和加工條件在眾多硬質合金牌號中選擇適用的刀具材料，這給硬質合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進一步改善硬質合金刀具材料的綜合切削性能，目前的研究熱點主要包括以下幾個方面： 3.1細化晶粒 通過細化硬質相晶粒度、增大硬質相晶間表面積、增強晶粒間結合力，可使硬質合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。當WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時，材料的硬度、韌性、強度、耐磨性等均可提高，達到完全致密化所需溫度也可降低。普通硬質合金晶粒度為3

14、5m，細晶粒硬質合金晶粒度為l1.5m(微米級)，超細晶粒硬質合金晶粒度可達0.5m以下(亞微米、納米級)。超細晶粒硬質合金與成分相同的普通硬質合金相比，硬度可提高2HRA以上，抗彎強度可提高600800MPa。 常用的晶粒細化工藝方法主要有物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、等離子體沉積法、機械合金化法等。等徑側向擠壓法(ECAE)是一種很有發展前途的晶粒細化工藝方法。該方法是將粉體置于模具中，并沿某一與擠壓方向不同(也不相反)的方向擠出，且擠壓時的橫截面積不變。經過ECAE工藝加工的粉體晶粒可明顯細化。 由于上述晶粒細化工藝方法仍不夠成熟，因此在硬質合金燒結過程中納米晶粒容易瘋長成粗大晶粒，而

15、晶粒普遍長大將導致材料強度下降，單個的粗大WC晶粒則常常是引起材料斷裂的重要因素。另一方面，細晶粒硬質合金的價格較為昂貴，對其推廣應用也起到一定制約作用。 3.2涂層硬質合金 在韌性較好的硬質合金基體上，通過CVD(化學氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、HVOF(High Velocity Oxy-Fuel Thermal Spraying)等方法涂覆一層很薄的耐磨金屬化合物，可使基體的強韌性與涂層的耐磨性相結合而提高硬質合金刀具的綜合性能。 涂層硬質合金刀具具有良好的耐磨性和耐熱性，特別適合高速切削；由于其耐用度高、通用性好，用于小批量、多品種的柔性自動化加工時可有效減少換刀次數，提高加工

16、效率；涂層硬質合金刀具抗月牙洼磨損能力強，刀具刃形和槽形穩定，斷屑效果及其它切削性能可靠，有利于加工過程的自動控制；涂層硬質合金刀具的基體經過鈍化、精化處理后尺寸精度較高，可滿足自動化加工對換刀定位精度的要求。 上述特點決定了涂層硬質合金刀具特別適用于FMS、CIMS(計算機集成制造系統)等自動化加工設備。但是，采用涂層方法仍未能根本解決硬質合金基體材料韌性和抗沖擊性較差的問題。 3.3表面、整體熱處理和循環熱處理 對強韌性較好的硬質合金表面進行滲氮、滲硼等處理，可有效提高其表面耐磨性。對耐磨性較好但強韌性較差的硬質合金進行整體熱處理，可改變材料中的粘結成分與結構，降低WC硬質相的鄰接度，從而

17、提高硬質合金的強度和韌性。利用循環熱處理工藝緩解或消除晶界間的應力，可全面提高硬質合金材料的綜合性能。 3.4添加稀有金屬 在硬質合金材料中添加TaC、NbC等稀有金屬碳化物，可使添加物與原有硬質相WC、TiC結合形成復雜固溶體結構，從而進一步強化硬質相結構，同時可起到抑制硬質相晶粒長大、增強組織均勻性等作用，對提高硬質合金的綜合性能大有益處。在ISO標準的P、K、M類硬質合金牌號中，均有這種添加了Ta(Nb)C的硬質合金(尤以M類牌號中較多)。 3.5添加稀土元素 在硬質合金材料中添加少量釔等稀土元素，可有效提高材料的韌性和抗彎強度，耐磨性亦有所改善。這是因為稀土元素可強化硬質相和粘結相，凈

18、化晶界，并改善碳化物固溶體對粘結相的潤濕性。添加稀土元素的硬質合金最適合粗加工牌號，亦可用于半精加工牌號。此外，該類硬質合金在礦山工具、頂錘、拉絲模等硬質合金工具中亦有廣闊應用前景。我國稀土資源豐富，在硬質合金中添加稀土元素的研究也具有較高水平。 4.刀具涂層關鍵技術 從1970年最先采用的CVDTiN/TiC/TiCN到1980年開始的PVD涂層技術，現代涂層技術現在已經廣泛應用到刀具、模具、零部件和裝飾產品上。采用涂層技術可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優良的綜合機械性能，從而大幅度提高機械加工效率。 因此，涂層技術與材料、切削加工工藝一起并稱為切削刀具制造領域的三大關鍵技術。相對現

19、在廣泛應用的TiC、TiCN、CrN、TiAlN、TiAlCN，為滿足現代機械加工對高效率、高精度、高可靠性的要求，下一代的涂層技術將向高性能涂層技術發展，Ionbond（愛恩邦德）作為全球最大的PVD/CVD/PACVD/CVA涂層設備和涂層服務的供應商之一，其開發的最新一代的高性能涂層專門針對高檔刀具，尤其是硬質合金刀具；現代CNC機床的高精度、高速、大切削量加工刀具；干切削；高效率加工、大批量生產等場合。愛恩邦德高性能涂層在鉆孔刀、銑刀和齒輪滾刀上都有很好的表現。針對鉆孔刀而開發的復合涂層（TiN+DLC,TiCN+DLC，AlTiN+DLC）在原有涂層的基礎上加DLC涂層（類金剛石涂層

20、），從而得到極為光滑的表面，降低摩擦系數，從根本上解決深孔加工中的排屑問題而導致的孔徑尺寸超差現象的發生。愛恩邦德開發的IonbondSuperAlTiN能降低加工扭矩50%以上，從而極大地提高刀具的性能，IonbondHardcut基于TiSi涂層材料，針對硬、難加工材料的高速切削。 愛恩邦德高性能涂層在滾刀上的應用有含Si高性能涂層，專門針對加工速度大于120m/min，要求高速、高效的批量生產的滾齒加工。IonBondTopGear涂層針對高速干切削；IonBondTuffGear涂層針對中要求涂層。在一組加工速度為180m/min的干切削滾齒加工實驗中，普通的AlTiN能生產的齒輪數為

21、980個/把刀，而IonbondTopGear能生產的齒輪數為2000個，刀具壽命提高了1倍。 涂層廠商應該在充分了解客戶的產品應用、需求、加工參數、設備狀況的基礎上，根據客戶的實際情況提供客戶化的涂層參數設計，從而最大程度地發揮涂層的性能，達到刀具的最佳壽命，增強與客戶的溝通和協作，在實際的涂層服務過程中是極為重要的。 5.刀具涂層案例說明 當其他涂層公司在行業里彰顯各自魅力的時候，星弧涂層科技（蘇州工業園區）有限公司（以下簡稱星弧）才開始步入中國市場，2008年末，整個行業突遇冷冬。然而，不管是面對行業競爭還是經濟危機，星弧憑借著其獨特的眼光與策略，突出重圍，這是危險與機遇的抗衡，也是星弧

22、智慧的體現。 星弧作為一家采用德國技術的外商獨資企業，主要從事真空鍍膜PVD設備和相關真空設備的制造和銷售，同時提供應用于各種工業領域的硬質涂層服務。近期與星弧總經理錢濤先生的對話，了解星弧產品與技術優勢，市場定位，涂層服務策略，感受星弧在經營理念上的魅力。 5.1最值得信賴 打開星弧的網站，最快捷、最合身、最領先、最長久、最優異、最本土化六個選擇星弧的理由，言簡意賅，充分表明了星弧對廣大用戶的承諾。針對六最錢總做了最好的詮釋：最快捷是保證在24小時內，星弧的技術專家能夠親臨現場為用戶解決棘手問題；最合身是指星弧與傳統的真空鍍膜設備制造商相比，我們不僅僅只提供現成標準設備，同時會根據用戶提出工

23、藝要求和產品特點，為用戶定制更符合其需求全面獨特的方案。最領先指星弧擁有的DLC和ta-C是全球最領先的類金剛石低溫涂層技術，特別適用于無油自潤滑和耐磨零部件，涂層工作溫度更可低至80C。用戶能夠享受最長久的技術升級服務和持續的軟件支持，提供迅捷的備件及耗材供應服務。星弧以最優異、最先進的德國技術，十多年的PVD設備生產制造經驗以及專業化的服務體系將會使用戶得到性價比最優的設備。語言障礙、地域障礙、文化障礙，始終制約了涂層及其設備在中國的運用，星弧的高度本地化優勢，去除了涂層的神秘感，將所有障礙轉化為零距離接觸。 5.2服務與設備齊頭并進 星弧涂層產品廣泛地應用于切削刀具行業、模具行業以及汽車

24、、航空航天等工業領域，受到工業領域諸多企業的青睞，這其中必定有星弧獨有的成功秘訣，筆者單刀直入的將這個疑問拋給了錢總。錢總滿懷自豪地講到：星弧既從事涂層服務，又提供涂層設備，在這兩個領域都能夠為客戶提供完整的產品、服務與方案，這是星弧與其他涂層公司最主要的區別。國內幾乎很少有企業實行這樣的營銷方式。 星弧為了滿足客戶的需求，一直不懈地努力。在涂層的產品系列里，星弧幾乎涵蓋了一般涂層公司具有的全部產品。錢總舉例介紹到：星弧涵蓋氮化物的涂層，又能夠提供類金剛石DLC的涂層，產品系列豐富，為客戶提供更為全面的解決方案。 5.3量體裁衣發揮最大優勢 在航空航天領域，飛機的傳動部件以及齒輪和軸承元件要求

25、更小的尺寸與更高的扭矩，并且要求提高壽命、降低噪音。星弧不可忽視的優勢之一，即是星弧除了現有涂層產品可供用戶選擇外，還可以根據客戶的具體需求，量身定制，開發符合客戶要求的新的涂層產品。 錢總以星弧在航空航天領域的成功應用為典型案例，向通廣傳媒現代金屬加工介紹了星弧涂層的技術獨特性，在航天領域，我們的一個合作伙伴是航天飛行測試平臺的企業，以軸承為例，過去采用普通的熱處理方式，或者從軸承的選材上進行解決，但是取得的效果總不盡如人意，在性能等方面達不到要求，或者出現經常更換等狀況。我們根據客戶實際情況，專門開發了一種類金剛石涂層，在具體的應用中起到潤滑作用，同時又能夠提高軸承使用壽命，減少摩擦系數，

26、得到了用戶的認可與贊譽。 星弧與客戶之間一直保持著長期的合作關系，從涂層開發、提供涂層設備，到完整的解決方案，星弧的每一步都會保證符合客戶的需求。錢總還強調：涂層是表面處理方案，依據客戶對材料表面的要求，我們為客戶制定的方案一定是保證其投入與回報能夠取得最佳的效果，這是星弧最基本的理念。基于星弧在市場上兩年多的推廣與應用經驗，通過吸收眾多客戶的反饋信息，總結在成功案例中的實戰經驗，對于客戶來講，星弧的產品質量已經成為客戶最大的吸引力。 5.4推進本土化戰略 在制造業領域，很多跨國公司來華發展，最初的產品與技術都是來源于國外。據了解，星弧中國市場正式做出本土化推進戰略是在2007年。錢總介紹說：

27、目前，主要的真空設備零部件制造方面星弧已經實現本土化。其次是技術服務方面，技術人員、涂層服務工藝人員、售后服務人員都能夠第一時間為客戶服務，可以說從硬件到軟件星弧都已經實現了本土化運作。 同時，星弧涂層產品與諸多工業制造領域知名企業建立了良好的合作關系MyCIMT。大多數涂層公司的服務對象以刀具行業為主，而星弧的定位不同，星弧把服務重點放在模具、零件行業、半導體、消費電子，刀具行業位居其次。更值得一提的是，星弧所服務的刀具企業與其他涂層公司也有明顯的區別。錢總強調：星弧刀具涂層服務主要面對特殊應用領域，包括石墨切割、有色金屬切割、玻璃鋼材質切割等。并且，星弧是馬斯特、拜耳特殊材料、三星半導體等

28、企業的唯一指定涂層供應商。 5.5未來潛力巨大 從整個行業來看，涂層行業還屬于發展階段，市場潛力很大。從涂層的應用領域來看，目前國內對涂層接觸最成熟當屬刀具行業，而模具和零件行業剛剛開始接受涂層的概念，像汽車發動機等零部件行業都還有很大的發展潛力和上升空間。錢總對未來涂層行業的發展前景很有預見性的做出了如上的總結。 針對當前的經濟形勢，結合涂層行業的發展，星弧有怎樣的發展規劃？錢總也發表了自己的看法，雖然目前整個經濟不景氣，但是由于涂層工藝本身是幫助客戶降低工具成本，相信在這樣的非常時期企業會更為樂意去采用這樣的技術，特別是在今年，星弧十分看好其具有獨特技術和領先優勢的產品在模具、汽車零件上的

29、發展。 與其他涂層公司相比，星弧進入中國市場比較晚，因而星弧也做出了別具一格的市場定位，當其他涂層公司把眼光主要放在刀具行業的時候，星弧卻將目標鎖定在模具、汽車零部件等領域，因而就如錢總所說，雖然當前的經濟形勢不容樂觀，但對于2009年業務增長發展，星弧卻信心百倍。 任何一個經濟格局的轉變和一次經濟變革的來臨，固然會出現幾家歡樂幾家愁的局面，但終歸是大浪淘沙優勝劣汰，能夠在激烈的市場角逐中拔得頭籌的必是強者。我們有理由相信，星弧會在中國市場的激烈角逐中獨占鰲頭！ 6刀具涂層技術的現代發展方向 6.1涂層新技術層出不窮 涂層技術作為21世紀最有發展前景的技術之一，各大涂層公司都在不斷加大對于復合涂層技術、納米涂層、新材料涂層的技術投入。目前，全世界大約每天都會有新的涂層種類出現。 愛恩邦德的歷史可以追溯到 1904 年在瑞士成立的自動汽車制造商 Berna。Berna于1966 年研制出 Bernex 冶金技術，便使得CVD設備與技術很快居于領先地位。1997 年， Bernex通過Multi-Arc技能擴大了技術范圍（包括 PVD 技術），便把它命名為愛恩邦德。 今天，愛恩邦德在超薄技術領域，包括CVD、PACVD、PVD、TetraBond和CVA，