1、引言

當前，制造業(yè)已發(fā)生了革命性的轉變，以數(shù)控機床為基礎的現(xiàn)代制造技術正朝著高速、干式切削加工的方向邁進。在該領域中，切削刀具制造技術的發(fā)展至關重要。由于刀具涂層技術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)代先進制造技術概念逐漸形成及國家大力推進節(jié)能、環(huán)保制造模式的影響下，自2000年起，國內(nèi)刀具涂層技術掀起了第二次發(fā)展熱潮，發(fā)展的重點為各類PVD工藝技術。大a專院校以設計、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)刀具涂層技術水平依然落后，但應用市場的普及性及需求量已遠遠超出預計結果。因此，高水平、穩(wěn)定的刀具涂層技術是國內(nèi)工具行業(yè)極其渴望的，如果國內(nèi)能開發(fā)出相應的原創(chuàng)技術，則短期內(nèi)可在國內(nèi)形成廣泛的刀具涂層加工服務體系，并會帶來巨大的社會經(jīng)濟效益。

2、國內(nèi)商業(yè)應用PVD技術概況

國內(nèi)PVD涂層技術的研發(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。由于對刀具涂層市場前景的看好，國內(nèi)引進了熱陰極離子鍍及陰極電弧(多弧)離子鍍技術與裝備。技術及裝備的引進摧動了國內(nèi)刀具PVD涂層技術的*次開發(fā)熱潮，國內(nèi)各大真空設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設備。但由于大多數(shù)的設備性能指標低，涂層工藝穩(wěn)定性差，預期的市場效益未能實現(xiàn)，從而導致了近十多年國內(nèi)刀具PVD涂層技術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多元復合涂層工藝技術，并達到了實用水平，但在隨后的發(fā)展過程中也并未得到市場認可。隨著我國汽車工業(yè)的迅速崛起、先進制造技術的大量引進及數(shù)控加工技術大面積的普及，自本世紀初，PVD技術在國內(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發(fā)展到大面積陰極電弧技術及柱型靶陰極電弧技術，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，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、磁控濺射加輔助離子源技術等，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，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，其應用市場仍舊存在。為了充分發(fā)揮此技術的特點，國內(nèi)的研究者將空心陰極與磁控濺射技術、陰極電弧技術結合在一起，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)刀具涂層技術開發(fā)的目的仍以TiAlN薄膜為主，上述各類技術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用基礎的研究及工業(yè)化生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性的保障。

3、當前國內(nèi)薄膜技術研究的主要熱點

近年來納米超硬膜技術已成為涂層領域研究開發(fā)的熱點，自2000年以來在國內(nèi)已進入持續(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用領域的拓展。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合、易剝落，且高純度的c-BN制備困難，也尚未達到商業(yè)應用水平。因此近年來薄膜技術的開發(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性能主要來自于它們組成物的性質(zhì)和超細顯微結構，其組成物多為氧化物、碳化物、氮化物及硼化物，而其顯微結構達到了納米數(shù)量級。