PVD 涂层技术在我国刀具制造中的现状

沙 恒

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

在刀具制造中应用PVD（Physical Vapor Deposition，物理气相沉积）涂层技术显著提升硬度、耐热性、磨损性等性能，更好地解决以往刀具制造中刀具材料的硬度、耐磨性和抗弯强度、冲击韧性之间的矛盾，有效延长刀具的使用寿命，促使刀具获得优良的综合机械性能，大幅度提升机械加工效率。为了能够更好满足现代机械加工对于效率、精度、可靠性等多方面的要求，需要对PVD 涂层技术在我国刀具制造中的现状进行研究。

1 PVD 涂层技术

PVD 是指通过物理过程实现物质转移，基层表面上一些分子和原子由源转移过来的过程，是一种表面处理的标准化称谓。通过应用PVD，在一些性能相对较低的母体上喷涂具备强度高、耐磨、耐腐性、易散热等特殊性能的微粒，促使母体的性能有效提升。比较常见的PVD 基本方法包括真空蒸发、溅射、离子镀等。PVD 涂层技术在一些高精密加工刀具、装饰件、高要求机械零部件等领域有比较广泛的应用。与刀具制造中应用的其他技术相比，PVD 涂层技术可以说是一种能实现微米级镀层且不会造成污染的表面处理方法，也不会对刀具制造工件的尺寸产生影响。应用PVD 涂层技术形成的PVD 膜还可以有效改善刀具表面外观性能，提升刀具表面的强度、防刮擦能力、耐磨性、防腐蚀性和导热性。

PVD 涂层技术最早出现于1970 年代末，应用该技术时要求处理工艺温度＜500 ℃，因此在高速钢类刀具的涂层中的应用较为广泛。在实际刀具生产中应用PVD 涂层技术可以有效提升高速钢刀具的切削性能，因此，PVD 涂层技术得到了迅速推广。

2 PVD 涂层技术在我国刀具制造中的现状

我国在刀具制造中关注到国际上先进的PVD 涂层技术，从1980 年代初期开始研究PVD 涂层技术，发展至1980 年代中期已经成功研发出了中小型空心阴极离子镀膜机涂层设备、高速钢刀具TiN 涂层工艺技术，并在生产中获得广泛应用。这一发展时期，大型工具厂基于对切削刀具市场发展的分析与考察，引进了国际上先进的PVD 涂层技术、PVD 涂层设备，在国内掀起了技术研发、设备研究的热潮，各个真空设备企业、科研单位都先后对大型离子镀膜机展开了深入的研制工作，发展至1990 年代，逐渐研发出了多种PVD 涂层设备。但是这些设备是在没有行业标准、设备标准的基础上研发的，部分设备的指标系数相对不高，还不能保证涂层设备、涂层刀具制造生产后的质量，企业无法实现效益目标。我国目前的PVD 涂层技术仍旧是以单层TiN 涂层为主，实际制造生产情况中仍旧存在一些问题亟需解决。

2.1 不能满足刀具制造市场需求变化

在数控机床中应用PVD 涂层技术，要求其切削加工速度≤100 m/min，如果只使用单一的TiN 薄膜则无法实现数控机床加工需求。我国目前PVD 涂层技术在高速钢刀具中的应用较为广泛、集中，为了更好满足市场客户需求，对涂层刀具制造的要求逐渐提升，但是仍旧有部分先进技术存在垄断问题，导致我国的涂层加工服务面临较大挑战。

2.2 不重视新工艺研发

虽然我国在1980 年代就已经引进了较为先进的PVD 涂层技术，但是未对该技术的后续发展空间及发展速度进行充分评估。应用PVD 涂层技术对工作人员的综合素养有较高要求，需要进行持续研发，但是大多数企业中对PVD 涂层技术的应用更倾向于生产，对PVD 涂层技术的新工艺研发投入不足，不能积极推动工艺技术的进一步自主开发，这对国内研发涂层技术新工艺和装备产生严重影响。

2.3 设备开发制造仍旧存在问题

在1980 年代引进PVD 涂层技术后，我国的部分设备制造厂家、科研单位认为在短时间内就可以在生产中应用PVD 涂层技术，存在过于乐观的判断。尚未经过深入的技术了解和刀具市场调研就对各类PVD 涂层设备进行开发，未结合国内市场的需求，导致实际制造生产中部分涂层设备不能满足制造需求，尤其在一些精度高速钢刀具生产中，对批量生产的要求较高，还无法实现批量生产的需求。有些企业不关注涂层设备应用的经济效益，通常将涂层设备的应用局限于麻花钻的涂层，自然不能实现企业的经营效益目标，涂层设备制造厂就没有充足的经费用于设备开发研究。

2.4 缺乏整体配套性

在当前的刀具制造中应用PVD 涂层技术缺乏整体配套性，这是我国在很长一段时间内涂层刀具制造技术发展缓慢的症结所在。涂层刀具制造生产中，对PVD 涂层技术的应用集中在涂层加工方面，这要求PVD 涂层技术必须具备高度的整体性，制造中所使用的前处理技术、涂层工艺技术、后处理技术及质量控制技术之间互相协调配合。但是目前我国的刀具制造涂层设备制造企业，主要是提供涂层机，这就不利于工业化生产的展开，不仅导致涂层设备生产脱离市场需求，也不利于涂层技术的良性发展。

2.5 涂层质量不稳定

在刀具制造中引进与应用涂层技术需要花费高昂的代价，这在一定程度上决定了在相当长时间内，涂层设备价格还会保持居高不下的局面，实际制造中有部分刀具的涂层成本已经超过刀具价格的一半。因为涂层技术的引进渠道存在差异，选择设备时的依据也存在一定差异，导致涂层设备的制造生产工艺存在较大差异，不利于后期涂层刀具制造使用后实现应用价值。我国还尚未形成统一的涂层刀具检验标准，很可能导致涂层刀具不具备稳定的质量，部分涂层性能仍未得到改善，不利于涂层技术的推广应用及发展。

3 我国刀具制造中应用PVD 涂层技术的具体策略

在未来的刀具制造中，为了能够有效提升刀具制造的质量，提升涂层刀具的性能，需要根据PVD 涂层技术在我国刀具制造中的应用情况，制定我国刀具制造中应用PVD 涂层技术的具体策略。

3.1 制定合理的刀具制造规划

为了能够使我国的刀具制造应用PVD 技术取得长足发展，需要我国的工具行业管理部门根据刀具制造发展需求，制定合理的刀具制造规划目标，明确具体的刀具制造管理工作内容；对PVD 涂层技术在我国刀具制造发展的短期、中期、长期目标，制定具有针对性的发展方针；集中政府、生产制造厂家、学校、科研和商户等多方力量，促使PVD 涂层技术在我国刀具制造获得多方面支持。在1980 年代中期，我国在机械工业部机床工具司针对PVD 涂层设备越来越严重、对国外先进涂层技术越来越依赖的问题，组织过行业中的先进技术力量攻关引进设备中的涂层技术，并在此基础上取得了显著的研究成果——热阴极弧磁控等离子镀膜机，并已经获得了较为广泛的应用，这对促进TiN 涂层刀具的推广应用有积极意义。

3.2 确定创新的刀具制造研发思维

在未来的刀具制造中应用PVD 技术，必须保证集涂层刀具制备方法、刀具涂层技术及材料、切削加工技术和真空技术为一体，实现涂层刀具制造的综合性、前沿性特点，促进刀具制造的良性发展。基于我国近几十年来刀具制造中涂层技术的发展经验，只有解决各研究环节脱节问题，才能促进刀具制造应用涂层技术获得长远发展。在刀具制造研发中，进行充分的市场调研，研究薄膜性能，确定制备方法，组织研究人员进行实验室装置开发工作，再组织开展工业化生产设备设计制造，将实验室获得的PVD 涂层技术研究成果应用到工业生产，最后在刀具制造销售后接受市场评定。

3.3 构建一体化的研究体系

刀具制造企业需要根据当前市场对刀具性能的要求、涂层技术在刀具中的应用情况等多方面的因素，根据企业的发展情况逐步构建涂层技术在刀具制造中的研究、开发与服务体系，深入研究行业标准。为了在国际竞争中获得一席之地，刀具制造企业需要密切关注国内外的市场需求，在制造生产中积极应用先进的刀具制造涂层技术。在引进技术后进行内化，并不断进行积极的自我开发，能够在合理、统一的刀具制造中形成制造行业标准，使涂层设备、涂层刀具制造更加规范，在有效控制涂层刀具质量的同时，对促进涂层技术的引进、推广具有重要意义。

4 结束语

根据切削刀具发展情况，刀具制造是切削加工系统中最活跃的因素。伴随着科技的迅速发展，通过在刀具制造中应用PVD 涂层技术，可以有效提升涂层刀具的进给速度和切削速度，也有效延长使用寿命。为了能够更好满足用户对刀具性能的要求，可以通过应用PVD 技术，使刀具的基材具备高强度、耐磨性、散热性等特殊性能，在未来的研究中还要进一步加强对刀具PVD 涂层技术的研究，使其能够更好地为机械加工服务。

课题基金：山东华宇工学院2019 年校级科研平台——数控刀具制造工艺技术研发中心。