PVD涂层技术在我国刀具制造中的现状及发展

PVD涂层技术在我国刀具制造中的现状及发展
切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。

采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机械加工效率。

我国的刀具涂层技术经过多年发展,目前正处于关键时期,充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势,瞄准国际涂层技术先进水平,有计划、按步骤地发展刀具涂层技术,对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

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1PVD涂层技术简介
物理气相沉积(PVD)是一种表面处理的标准化称谓。

从高精密加工刀具、装饰件、高要求机械零部件到高精密集成电路的模具等等具有很广泛的用途,它是一种真正能够获得微米级镀层且无污染的环保型表面处理方法,且在不影响工件原来的尺寸情况,PVD膜可用来改善表面的外观,提高表面的强度,增强耐磨性,而且具有很好的导热,防腐蚀及防刮擦的能力。

PVD技术出现于二十世纪七十年代末,由于其工艺处理温度可控制在500℃以下,因此可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。

由于采用PVD工艺可大幅度提高高速钢刀具的切削性能,所以该技术自八十年代以来得到了迅速推广,至八十年代末,工业发达国家高速钢复杂刀具的PVD涂层比例已超过60%。

2PVD涂层技术在我国刀具制造中的现状
我国PVD涂层技术的研发工作始于八十年代初期,至八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机,并开发了高速钢刀具TiN涂层工艺技术。

在此期间,由于对切削刀具涂层市场前景看好,国内共有七家大型工具厂从国外引进了大型PVD涂层设备。

技术及设备的引进调动了国内PVD技术的开发热潮,许多科研单位和各大真空设备厂纷纷展开了大型离子镀膜机的研制工作,并于九十年代初开发出多种PVD涂层设备。

但由于多数设备性能指标不高,无法保证刀具涂层质量,同时预期的市场效益未能实现,因此大多数企业未对PVD刀具涂层技术作进一步深入研究,导致近十年国内PVD刀具涂层技术的发展徘徊不前。

尽管九十年代末国内成功开发出硬质合金TiN—TiCN—TiN多元复合涂层工艺技术并达到实用水平,CNx涂层技术的研发也有重大突破,但与国际发展水平相比,我国的刀具PVD涂层技术仍落后十年左右。

目前国外刀具PVD涂层技术已发展到第四代,而国内尚处于第二代水平,且仍以单层TiN涂层为主。

3国内PVD涂层技术研究及应用存在的问题
3.1不适应刀具涂层市场的变化涂层刀具的应用与切削加工技术紧密相关,与九十年代不同,目前的应用更多地集中于硬质合金可转位刀片、高速齿轮刀具、
硬质合金棒式刀具及部分异型刀具。

应用于数控机床,其切削加工速度通常高于100m/min,而单一的TiN薄膜已难于满足使用要求。

目前国内商业应用PVD技术,仍以高速钢刀具涂层为主,尽管市场对涂层刀具的需求不断上升,例如重庆地区的刀具涂层加工总额已从2000年的100万元增长到了今年的1000万元以上,但应用领域仍以摩托车齿轮加工等行业为主,切削速度大多低于50m/min;而在硬质合金刀具领域应用较少,其大多数高端涂层刀具产品被国外涂层公司所垄断,尤其是国外刀具涂层加工服务中心的出现,使国内的涂层加工服务企业面临更加严峻的竞争局面。

3.2对新工艺的研发重视不够尽管八十年代国内引进了当时最先进的PVD 技术,但当时PVD技术尚处于发展初期,国内对其后续发展空间及发展速度无法充分估计;此外,物理涂层技术是集电子物理、材料、真空控制技术于一体的新型技术,在研究、生产、应用等方面对人员配置有较高要求,而大部分引进PVD技术的企业偏重生产,对开发人员及资金配置不足,难以推动工艺技术的进一步自主开发,新工艺、新技术仍需再引进,而再引进的费用十分昂贵(如Balzers公司的设备从TiN涂层工艺升级为TjCN涂层工艺,仅硬件改造费即需30万美元),因此影响了国内涂层技术新工艺和装备的研发。

3.3涂层设备开发制造存在的问题八十年代后期,国内真空设备制造厂及一些科研单位对PVD刀具涂层市场过于乐观,各自纷纷加大各类PVD涂层设备的开发力度,但由于缺乏对刀具及其涂层技术的深入了解,也未加强与工具厂的合作,所开发的涂层设备大部分无法满足刀具涂层工艺的要求,尤其是精密高速钢刀具涂层技术尚达不到批量生产水平。

这类设备大多只能用于麻花钻的涂层,由于麻花钻涂层费用极低,相应涂层设备的利润也很低,因此进入九十年代后,大部分真空设备制造厂已把发展方向转向其他行业(如装饰涂层等)。

3.4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。

3.5涂层质量的不稳定制约了涂层技术的推广应用引进设备---的高昂价格,造成涂层价格的居高不下,涂层费用甚至超过了刀具价格的50%,此外由于引进的渠道不一,设备选择的依据不同,导致设备工艺水平相差较大,从而影响了涂层刀具的使用效果,同时又由于国产涂层刀具的质量不稳定,涂层刀具检验标准不齐全,因此在应用领域造成了涂层价格高,但涂层质量不稳定,刀具性能改善不明显的印象,严重影响了该技术的推广应用及发展。

4我国发展新型PVD涂层技术应对措施
4.1加强该项目的规划及管理工作工具行业管理部门应加强该项目的规划及管理工作,明确我国短、中、长期发展目标,确立有计划不问断发展的方针,并通
过”官、产、学、研、商“的结合,使项目在政策上和资金上都能得到有利地支持。

实际上八十年代中期,机械工业部机床工具司为阻止PVD涂层设备进口事态的进一步扩大,组织了全行业的力量对引进设备进行攻关,其中所开发的热阴极弧磁控等离子镀膜机,已成功的在工具行业推广应用,并因此带动了国内TiN涂层刀具的普及应用。

4.2确立研究及开发新思维刀具涂层技术集材料、制备方法、真空技术、切削加工技术于一体,既具有综合性,又具有前沿性,要实现良性发展,必须树立合理的、整体的研发思路。

从国内几十年的刀具涂层技术的发展看,各研究环节的脱节是制约其发展的症结。

开发的思路应遵循:市场调研——薄膜性能研究——制备方法研究——实验室装置开发——应用基础研究——业化生产设备设计制造——应用工艺技术研究——市场评定,并形成循环。

4.3建立统一的研究、开发、服务体系、行业标准建立统一的研究、开发、服务体系,根据国内外市场的需求,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,并逐步达到自我开发的水平,最终实现参与国际市场竞争。

建立涂层设备、涂层刀具行业检验标准,严格控制涂层刀具质量,确保涂层技术大面积的推广应用。

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