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【摘 要】当前，制造业已发生了革命性的转变，切削刀具制造技术的发展至关重要。由于刀具涂层技术可大幅度地提高切削刀具的综合性能，尤其是近年来PVD设计概念的提出，在理论上可有效地改善刀具的高温性能，使涂层刀具应用于高速、干式切削加工成为现实。
【关键词】刀具涂层；PVD技术；蒸镀工艺；发展状况
0.引言
先进刀具有三大技术基础：材料、涂层和结构创新。国内PVD涂层技术的研发工作始于八十年代初，八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具TiN涂层工艺技术。随着我国汽车工业的迅速崛起、先进制造技术的大量引进及数控加工技术大面积的普及，自本世纪初，PVD技术在国内掀起了第二次开发热潮。
先进的涂层设备为涂层技术的发展创造了重要条件，尤其是PVD涂层工艺技术，一方面，在改进控制技术，提高等离子体密度、提高磁场强度、改进阴极靶的形状、实现过程的计算机全自动控制等关键技术上取得了全面的进展，从而使涂层与基体的结合强度、涂层的性能有显著的提高。
1.PVD涂层蒸镀技术机理
1.1 PVD涂层概述。
1.1.1 PVD简介
PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。它的作用是可以是某些有特殊性能（强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等）的微粒喷涂在性能较低的母体上，使得母体具有更好的性能！
PVD 法中有蒸镀、离子镀、溅射镀等三种方法。在各种方法中，由于蒸发、等离子化（离子化 ）手段的不同，有各种各样的方法。
1.1.2涂层PVD蒸镀技术
1.2 PVD涂层蒸镀技术机理
1.2.1真空蒸发的主要制备
a.真空室，为蒸发提供必要的真空；b.蒸发源和蒸发加热器，放置蒸发材料并对其进行加热；c.基板，用于接收蒸发物质并在其表面形成固体蒸发薄膜；d.基板加热器；测温器。
要实现蒸发法镀膜，需要三个最基本条件：加热，使镀料蒸发；处于真空环境，以便于气相镀料向基片运输；采用温度较低的基片，以便于气体镀料凝结成膜。
1.2.2真空蒸发镀膜技术过程
（1）加热蒸发过程。
包括从凝聚相 转变为气相（固相或液相气相）的相变过程。每种物质在不同温度有不同的饱和蒸汽压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些以气态或蒸汽进入蒸发空间。
（2）气化原子或分子在蒸发源与基片的运输。
这些粒子在空间的飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的 气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程以及 基距。
（3）蒸发原子或分子在基片上沉积的过程。
蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分 基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相变过程。
（4）真空环境的作用。
蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到污染；甚至形成氧化物或者蒸发源被加热氧化烧毁或者由于空气分子的碰撞阻拦，难以形成均 匀连续薄膜。
1.3蒸汽压与蒸发材料的选择
饱和蒸汽压与温度的关系对薄膜制备技术很重要，根据 “金属元素的平衡蒸气压随温度的变化曲线图”来合理选择蒸发材料，即确定蒸发条件。
1.4蒸发所需热量和蒸发离子的能量
电阻式蒸发源所需热量，除将蒸发材料加热所需热量外，还必须考虑蒸发源在加热过程中产 需热量外，还必须考虑蒸发源在加热过程中产生的热辐射和热传导所损失的热量。即蒸发源 生的热辐射和热传导所损失的热量。即蒸发源所需热量的总量 Q（即为蒸发源所需要的总功 ）为：
Q=Q1+Q2+Q3
Q1为蒸发材料蒸发时所需的热量。
Q2为蒸发源因热辐射而损失的热量。
Q3为蒸发源因热传导而损失的热量。
蒸发热量Q值的80%以上是作为蒸发热而消耗 。此外，还有辐射和传导损失的热量。
2.刀具PVD涂层蒸镀技术的发展状况
2.1 PVD涂层蒸镀技术优势
（1）能在低温条件下获得性能良好的膜层，涂敷温度大约在200～600℃。PVD之前要进行热处理与精加工，然后再进行PVD处理，PVD（物理气相沉积）时，温度越高，附着力越强，由于沉积温度要低于基体热处理时的回火温度，所以在热处理时尽量选用高温回火工艺。另外，基体材料硬度越高，高压下的耐剥离性能越好，因此，尽量选用高温回火下硬度高的材料。（高速钢>冷锻模具钢>低合金钢）。
（2）除钢铁材料外，PVD法还可用于一部分铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金，一部分铝合金等非铁金属。
（3）对基材的热影响小。因此适用于尺寸精度，形状精度要求高的工件。但是对于钢材，沉积时要进行 高温回火，并且在高温回火温度下涂敷。
（4）膜层表面光滑。但是，如果基体表面粗糙，沉积后表面仍粗糙 ，因此 ，沉积前要进行精加工。
2.2 PVD涂层蒸镀技术发展存在的主要问题
（1）对PVD技术认识不足：我国在PVD技术的引进和消化中，各大工具企业，注重引进设备，忽略对涂层 工艺及材料的研究，对其后续发展空间及发展速度没有充分估计，致使引进大量PVD设备后，并没有跟上 国际的步伐，刀具行业产生的经济效益并不明显。此外，PVD技术是集电子物理、材料、真空控制等技术的新型技术；新工艺新装备的研发，不仅要有一定时间，而且研发费用也很高，使得许多企业不得不放弃或停止这方面的投入。
（2）涂层质量不稳定：由于我国开发的PVD设备没有统一的行业标准，涂层的检验标准也不完善，设备的工艺水平相差很多，导致涂层的质量不稳定。刀具的涂层只能集中在麻花钻、铣刀、丝锥等低值易耗产品中，所以在应用领域内造成了涂层成本高、质量不稳定、涂层刀具性能改善不明显的不良印象，从而严重影响了刀具涂层技术的推广应用和快速发展。
（3）整体配套性差，应用基础研究缺乏。
整体配套性差、应用基础研究缺乏一直是困扰国内刀具涂层技术发展的瓶颈。目前刀具涂层的趋势是以发展涂层加工中心为主，因此技术的整体性极为关键，前处理技术、涂层工艺技术、后处理技术及质量控制技术都是应予考虑的。而国内涂层设备制造商大多仅以提供涂层主机为主，这种模式阻碍了工业化生产的快速推进；另一方面也造成设备制造商与市场的严重脱节，制约了技术的良性发展，使得创新无从谈起。
3.结语
尽管目前国内刀具涂层技术与国际先进水平相比存在较大差距。“十年树木、百年树人”，我们要克服浮燥心理和急功近利的思想，重基础重实践努力造就一大批掌握先进切削技术基础、懂得先进切削理念、有创新意识和解决实际问题能力的切削工程师和新一代的刀具大王。这才是进一步提高切削加工的生产效率和更快地赶超切削刀具先进水平的根本途径。 [科]
【关键词】刀具涂层；PVD技术；蒸镀工艺；发展状况
0.引言
先进刀具有三大技术基础：材料、涂层和结构创新。国内PVD涂层技术的研发工作始于八十年代初，八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具TiN涂层工艺技术。随着我国汽车工业的迅速崛起、先进制造技术的大量引进及数控加工技术大面积的普及，自本世纪初，PVD技术在国内掀起了第二次开发热潮。
先进的涂层设备为涂层技术的发展创造了重要条件，尤其是PVD涂层工艺技术，一方面，在改进控制技术，提高等离子体密度、提高磁场强度、改进阴极靶的形状、实现过程的计算机全自动控制等关键技术上取得了全面的进展，从而使涂层与基体的结合强度、涂层的性能有显著的提高。
1.PVD涂层蒸镀技术机理
1.1 PVD涂层概述。
1.1.1 PVD简介
PVD是英文Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。它的作用是可以是某些有特殊性能（强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等）的微粒喷涂在性能较低的母体上，使得母体具有更好的性能！
PVD 法中有蒸镀、离子镀、溅射镀等三种方法。在各种方法中，由于蒸发、等离子化（离子化 ）手段的不同，有各种各样的方法。
1.1.2涂层PVD蒸镀技术
1.2 PVD涂层蒸镀技术机理
1.2.1真空蒸发的主要制备
a.真空室，为蒸发提供必要的真空；b.蒸发源和蒸发加热器，放置蒸发材料并对其进行加热；c.基板，用于接收蒸发物质并在其表面形成固体蒸发薄膜；d.基板加热器；测温器。
要实现蒸发法镀膜，需要三个最基本条件：加热，使镀料蒸发；处于真空环境，以便于气相镀料向基片运输；采用温度较低的基片，以便于气体镀料凝结成膜。
1.2.2真空蒸发镀膜技术过程
（1）加热蒸发过程。
包括从凝聚相 转变为气相（固相或液相气相）的相变过程。每种物质在不同温度有不同的饱和蒸汽压；蒸发化合物时，其组分之间发生反应，其中有些以气态或蒸汽进入蒸发空间。
（2）气化原子或分子在蒸发源与基片的运输。
这些粒子在空间的飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的 气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程以及 基距。
（3）蒸发原子或分子在基片上沉积的过程。
蒸气凝聚、成核、核生长、形成连续薄膜。由于基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分 基板温度远低于蒸发源温度，因此，沉积物分子在基板表面将直接发生从气相到固相的相变过程。
（4）真空环境的作用。
蒸发物原子或分子将与大量空气分子碰撞，使膜层受到污染；甚至形成氧化物或者蒸发源被加热氧化烧毁或者由于空气分子的碰撞阻拦，难以形成均 匀连续薄膜。
1.3蒸汽压与蒸发材料的选择
饱和蒸汽压与温度的关系对薄膜制备技术很重要，根据 “金属元素的平衡蒸气压随温度的变化曲线图”来合理选择蒸发材料，即确定蒸发条件。
1.4蒸发所需热量和蒸发离子的能量
电阻式蒸发源所需热量，除将蒸发材料加热所需热量外，还必须考虑蒸发源在加热过程中产 需热量外，还必须考虑蒸发源在加热过程中产生的热辐射和热传导所损失的热量。即蒸发源 生的热辐射和热传导所损失的热量。即蒸发源所需热量的总量 Q（即为蒸发源所需要的总功 ）为：
Q=Q1+Q2+Q3
Q1为蒸发材料蒸发时所需的热量。
Q2为蒸发源因热辐射而损失的热量。
Q3为蒸发源因热传导而损失的热量。
蒸发热量Q值的80%以上是作为蒸发热而消耗 。此外，还有辐射和传导损失的热量。
2.刀具PVD涂层蒸镀技术的发展状况
2.1 PVD涂层蒸镀技术优势
（1）能在低温条件下获得性能良好的膜层，涂敷温度大约在200～600℃。PVD之前要进行热处理与精加工，然后再进行PVD处理，PVD（物理气相沉积）时，温度越高，附着力越强，由于沉积温度要低于基体热处理时的回火温度，所以在热处理时尽量选用高温回火工艺。另外，基体材料硬度越高，高压下的耐剥离性能越好，因此，尽量选用高温回火下硬度高的材料。（高速钢>冷锻模具钢>低合金钢）。
（2）除钢铁材料外，PVD法还可用于一部分铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金，一部分铝合金等非铁金属。
（3）对基材的热影响小。因此适用于尺寸精度，形状精度要求高的工件。但是对于钢材，沉积时要进行 高温回火，并且在高温回火温度下涂敷。
（4）膜层表面光滑。但是，如果基体表面粗糙，沉积后表面仍粗糙 ，因此 ，沉积前要进行精加工。
2.2 PVD涂层蒸镀技术发展存在的主要问题
（1）对PVD技术认识不足：我国在PVD技术的引进和消化中，各大工具企业，注重引进设备，忽略对涂层 工艺及材料的研究，对其后续发展空间及发展速度没有充分估计，致使引进大量PVD设备后，并没有跟上 国际的步伐，刀具行业产生的经济效益并不明显。此外，PVD技术是集电子物理、材料、真空控制等技术的新型技术；新工艺新装备的研发，不仅要有一定时间，而且研发费用也很高，使得许多企业不得不放弃或停止这方面的投入。
（2）涂层质量不稳定：由于我国开发的PVD设备没有统一的行业标准，涂层的检验标准也不完善，设备的工艺水平相差很多，导致涂层的质量不稳定。刀具的涂层只能集中在麻花钻、铣刀、丝锥等低值易耗产品中，所以在应用领域内造成了涂层成本高、质量不稳定、涂层刀具性能改善不明显的不良印象，从而严重影响了刀具涂层技术的推广应用和快速发展。
（3）整体配套性差，应用基础研究缺乏。
整体配套性差、应用基础研究缺乏一直是困扰国内刀具涂层技术发展的瓶颈。目前刀具涂层的趋势是以发展涂层加工中心为主，因此技术的整体性极为关键，前处理技术、涂层工艺技术、后处理技术及质量控制技术都是应予考虑的。而国内涂层设备制造商大多仅以提供涂层主机为主，这种模式阻碍了工业化生产的快速推进；另一方面也造成设备制造商与市场的严重脱节，制约了技术的良性发展，使得创新无从谈起。
3.结语
尽管目前国内刀具涂层技术与国际先进水平相比存在较大差距。“十年树木、百年树人”，我们要克服浮燥心理和急功近利的思想，重基础重实践努力造就一大批掌握先进切削技术基础、懂得先进切削理念、有创新意识和解决实际问题能力的切削工程师和新一代的刀具大王。这才是进一步提高切削加工的生产效率和更快地赶超切削刀具先进水平的根本途径。 [科]