1、引言

當(dāng)前，制造業(yè)已發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變，以數(shù)控機床為基礎(chǔ)的現(xiàn)代制造技術(shù)正朝著高速、干式切削加工的方向邁進(jìn)。在該領(lǐng)域中，切削刀具制造技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。由于刀具涂層技術(shù)可大幅度地提高切削刀具的綜合性能，尤其是近年來超硬薄膜設(shè)計概念的提出，在理論上可有效地改善刀具的高溫性能，使涂層刀具應(yīng)用于高速、干式切削加工成為可能。在數(shù)控機床日益普及，現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)概念逐漸形成及國家大力推進(jìn)節(jié)能、環(huán)保制造模式的影響下，自2000年起，國內(nèi)刀具涂層技術(shù)掀起了第二次發(fā)展熱潮，發(fā)展的重點為各類PVD技術(shù)。大專院校以設(shè)計、表征超硬薄膜為主要研究方向，而社會興辦刀具涂層加工服務(wù)中心則成為國內(nèi)刀具涂層業(yè)發(fā)展的主流。盡管國內(nèi)刀具涂層技術(shù)水平依然落后，但應(yīng)用市場的普及性及需求量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)計結(jié)果。因此，高水平、穩(wěn)定的刀具涂層技術(shù)是國內(nèi)工具行業(yè)極其渴望的，如果國內(nèi)能開發(fā)出相應(yīng)的原創(chuàng)技術(shù)，則短期內(nèi)可在國內(nèi)形成廣泛的刀具涂層加工服務(wù)體系，并會帶來巨大的社會經(jīng)濟效益。

2、國內(nèi)商業(yè)應(yīng)用PVD技術(shù)概況

國內(nèi)PVD涂層技術(shù)的研發(fā)工作始于八十年代初，八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機及高速鋼刀具TiN涂層工藝技術(shù)。由于對刀具涂層市場前景的看好，國內(nèi)引進(jìn)了熱陰極離子鍍及陰極電弧(多弧)離子鍍技術(shù)與裝備。技術(shù)及裝備的引進(jìn)摧動了國內(nèi)刀具PVD涂層技術(shù)的*次開發(fā)熱潮，國內(nèi)各大真空設(shè)備廠及科研單位紛紛展開了離子鍍膜機的研制工作，并于九十年代初開發(fā)出多種PVD設(shè)備。但由于大多數(shù)的設(shè)備性能指標(biāo)低，涂層工藝穩(wěn)定性差，預(yù)期的市場效益未能實現(xiàn)，從而導(dǎo)致了近十多年國內(nèi)刀具PVD涂層技術(shù)處于徘徊不前的局面。盡管九十年代末國內(nèi)成功開發(fā)出了硬質(zhì)合金TiN-TiCN-TiN多元復(fù)合涂層工藝技術(shù)，并達(dá)到了實用水平，但在隨后的發(fā)展過程中也并未得到市場認(rèn)可。隨著我國汽車工業(yè)的迅速崛起、先進(jìn)制造技術(shù)的大量引進(jìn)及數(shù)控加工技術(shù)大面積的普及，自本世紀(jì)初，PVD技術(shù)在國內(nèi)掀起了第二次開發(fā)熱潮。與九十年代不同，目前國內(nèi)PVD技術(shù)的發(fā)展更具多元性及創(chuàng)新性，歸納起來有以下幾種類型：

①陰極電弧法(Cathode Arc Deposition)國內(nèi)已由小圓型陰極電弧技術(shù)發(fā)展到大面積陰極電弧技術(shù)及柱型靶陰極電弧技術(shù)，主要用于TiAlN等薄膜的制備。

②熱陰極法(Hot Cathode Plating)源于Balzers的技術(shù)，主要用于TiN等薄膜的制備。

③磁控濺射法(Magnetron Sputter Plating)近年來，磁控濺射技術(shù)一直是國內(nèi)涂層業(yè)的重點發(fā)展方向，先后出現(xiàn)了非平衡磁控濺射技術(shù)、磁控濺射加輔助離子源技術(shù)等，可制備各類薄膜。

④磁控濺射附加陰極電弧法目前國內(nèi)已較多采用的技術(shù)，可用于多種薄膜的制備。

⑤空心陰極附加磁控濺射及陰極電弧法空心陰極在國內(nèi)是一項傳統(tǒng)技術(shù)，其應(yīng)用市場仍舊存在。為了充分發(fā)揮此技術(shù)的特點，國內(nèi)的研究者將空心陰極與磁控濺射技術(shù)、陰極電弧技術(shù)結(jié)合在一起，用于多元薄膜的制備，且這種全新的嘗試已對市場產(chǎn)生了影響。

歸納起來，國內(nèi)刀具涂層技術(shù)開發(fā)的目的仍以TiAlN薄膜為主，上述各類技術(shù)已可在切削刀具上制取多種膜層，包括TiAlN薄膜，但目前所欠缺的是應(yīng)用基礎(chǔ)的研究及工業(yè)化生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性的保障。

3、當(dāng)前國內(nèi)薄膜技術(shù)研究的主要熱點

近年來納米超硬膜技術(shù)已成為涂層領(lǐng)域研究開發(fā)的熱點，自2000年以來在國內(nèi)已進(jìn)入持續(xù)開發(fā)階段。超硬膜定義為硬度大于40GPa，眾所周知，金剛石、立方氮化硼、非晶態(tài)類金剛石等具有超硬膜的本征硬度，其研究及應(yīng)用已經(jīng)歷了較長時間，但其膜系本身的某些特性卻制約了應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。如金剛石薄膜并不適合于鐵基材料的切削加工，而立方氮化硼薄膜由于難于與刀具基體結(jié)合、易剝落，且高純度的c-BN制備困難，也尚未達(dá)到商業(yè)應(yīng)用水平。因此近年來薄膜技術(shù)的開發(fā)熱點更多的集中于非本征超硬膜的研究。非本征硬度超硬薄膜的超硬性和力學(xué)性能主要來自于它們組成物的性質(zhì)和超細(xì)顯微結(jié)構(gòu)，其組成物多為氧化物、碳化物、氮化物及硼化物，而其顯微結(jié)構(gòu)達(dá)到了納米數(shù)量級。