PVD涂層技術(shù)在我國(guó)刀具制造中的現(xiàn)狀及發(fā)展
發(fā)布時(shí)間：2017-01-03
物理氣相沉積（PVD）是一種表面處理的標(biāo)準(zhǔn)化稱謂。從高精密加工刀具、裝飾件、高要求機(jī)械零部件到高精密集成電路的模具等等具有很廣泛的用途，它是一種真正能夠獲得微米級(jí)鍍層且無(wú)污染的PVD膜可環(huán)保型表面處理方法，且在不影響工件原來(lái)的尺寸情況，用來(lái)改善表面的外觀，提高表面的強(qiáng)度，增強(qiáng)耐磨性，而且具有很好的導(dǎo)熱，防腐蝕及防刮擦的能力。
PVD技術(shù)出現(xiàn)于二十世紀(jì)七十年代末，由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下，因此可作為最終處理工藝用于高速鋼類刀具的涂層。由于采用PVD工藝可大幅度提高高速鋼刀具的切削性能，所以該技術(shù)自八十年代以來(lái)得到了迅速推廣，至八十年代末，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高速鋼復(fù)雜刀具的PVD涂層比例已超過(guò)60%。
我國(guó)PVD涂層技術(shù)的研發(fā)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陰極PVD離子鍍膜機(jī)，并開(kāi)發(fā)了高速鋼刀具TiN涂層工藝技術(shù)。在此期間，由于對(duì)切削刀具涂層市場(chǎng)前景看好，國(guó)內(nèi)共有七家大型工具廠從國(guó)外引進(jìn)了大型PVD涂層設(shè)備。技術(shù)及設(shè)備的引進(jìn)調(diào)動(dòng)了國(guó)內(nèi)PVD技術(shù)的開(kāi)發(fā)熱潮，許多科研單位和各大真空設(shè)備廠紛紛展開(kāi)了大型離子鍍膜機(jī)的研制工作，并于九十年代初開(kāi)發(fā)出多種PVD涂層設(shè)備。但由于多數(shù)設(shè)備性能指標(biāo)不高，無(wú)法保證刀具涂層質(zhì)量，同時(shí)預(yù)期的市場(chǎng)效益未能實(shí)現(xiàn)，因此大多數(shù)企業(yè)未對(duì)PVD刀具涂層技術(shù)作進(jìn)一步深入研究，導(dǎo)致近十年國(guó)內(nèi)PVD刀具涂層技術(shù)的發(fā)展徘徊不前。盡管九十年代末國(guó)內(nèi)成功開(kāi)發(fā)出硬質(zhì)合金TiN-TiCN-TiN多元復(fù)合涂層工藝技術(shù)并達(dá)到實(shí)用水平，CNx涂層技術(shù)的研發(fā)也有重大突破，但與國(guó)際發(fā)展水平相比，我國(guó)的刀具PVD涂層技術(shù)仍落后十年左右。目前國(guó)外刀具PVD涂層技術(shù)已發(fā)展到第四代，而國(guó)內(nèi)尚處于第二代水平，且仍以單層TiN涂層為主。
3.1不適應(yīng)刀具涂層市場(chǎng)的變化涂層刀具的應(yīng)用與切削加工技術(shù)緊密相關(guān)，與九十年代不同，目前的應(yīng)用更多地集中于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片、高速齒輪刀具、硬質(zhì)合金棒式刀具及部分異型刀具。應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，其切削加工速度通常高于100m/min，而單一的TiN薄膜已難于滿足使用要求。目前國(guó)內(nèi)商業(yè)應(yīng)用PVD技術(shù)，仍以高速鋼刀具涂層為主，盡管市場(chǎng)對(duì)涂層刀具的需求不斷上升，例如重慶地區(qū)的刀具涂層加工總額已從2000年的100萬(wàn)元增長(zhǎng)到了今年的1000萬(wàn)元以上，但應(yīng)用領(lǐng)域仍以摩托車齒輪加工等行業(yè)為主，切削速度大多低于50m/min；而在硬質(zhì)合金刀具領(lǐng)域應(yīng)用較少，其大多數(shù)高端涂層刀具產(chǎn)品被國(guó)外涂層公司所壟斷，尤其是國(guó)外刀具涂層加工服務(wù)中心的出現(xiàn)，使國(guó)內(nèi)的涂層加工服務(wù)企業(yè)面臨更加嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)局面。
3.2、對(duì)新工藝的研發(fā)重視不夠盡管八十年代國(guó)內(nèi)引進(jìn)了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的PVD技術(shù)，但當(dāng)時(shí)PVD技術(shù)尚處于發(fā)展初期，國(guó)內(nèi)對(duì)其后續(xù)發(fā)展空間及發(fā)展速度無(wú)法充分估計(jì)；此外，物理涂層技術(shù)是集電子物理、材料、真空控制技術(shù)于一體的新型技術(shù)，在研究、生產(chǎn)、應(yīng)用等方面對(duì)人員配置有較高要求，而大部分引進(jìn)PVD技術(shù)的企業(yè)偏重生產(chǎn)，對(duì)開(kāi)發(fā)人員及資金配置不足，難以推動(dòng)工藝技術(shù)的進(jìn)一步自主開(kāi)發(fā)，新工藝、新技術(shù)仍需再引進(jìn)，而再引進(jìn)的費(fèi)用十分昂貴，因此影響了國(guó)內(nèi)涂層技術(shù)新工藝和裝備的研發(fā)。
3.3、涂層設(shè)備開(kāi)發(fā)制造存在的問(wèn)題八十年代后期，國(guó)內(nèi)真空設(shè)備制造廠及一些科研單位對(duì)PVD刀具涂層市場(chǎng)過(guò)于樂(lè)觀，各自紛紛加大各類PVD涂層設(shè)備的開(kāi)發(fā)力度，但由于缺乏對(duì)刀具及其涂層技術(shù)的深入了解，也未加強(qiáng)與工具廠的合作，所開(kāi)發(fā)的涂層設(shè)備大部分無(wú)法滿足刀具涂層工藝的要求，尤其是精密高速鋼刀具涂層技術(shù)尚達(dá)不到批量生產(chǎn)水平。這類設(shè)備大多只能用于麻花鉆的涂層，由于麻花鉆涂層費(fèi)用極低，相應(yīng)涂層設(shè)備的利潤(rùn)也很低，因此進(jìn)入九十年代后，大部分真空設(shè)備制造廠已把發(fā)展方向轉(zhuǎn)向其他行業(yè)(如裝飾涂層等)。
3.4、整體配套性差，應(yīng)用基礎(chǔ)研究缺乏整體配套性差、應(yīng)用基礎(chǔ)研究缺乏一直是困擾國(guó)內(nèi)刀具涂層技術(shù)發(fā)展的瓶頸。目前刀具涂層的趨勢(shì)是以發(fā)展涂層加工中心為主，因此技術(shù)的整體性極為關(guān)鍵，前處理技術(shù)、涂層工藝技術(shù)、后處理技術(shù)及質(zhì)量控制技術(shù)都是應(yīng)予考慮的。而國(guó)內(nèi)涂層設(shè)備制造商大多僅以提供涂層主機(jī)為主，這種模式阻礙了工業(yè)化生產(chǎn)的快速推進(jìn)；另一方面也造成設(shè)備制造商與市場(chǎng)的嚴(yán)重脫節(jié)，制約了技術(shù)的良性發(fā)展，使得創(chuàng)新無(wú)從談起。
3.5、涂層質(zhì)量的不穩(wěn)定制約了涂層技術(shù)的推廣應(yīng)用引進(jìn)設(shè)備的高昂價(jià)格，造成涂層價(jià)格的居高不下，涂層費(fèi)用甚至超過(guò)了刀具價(jià)格的50%，此外由于引進(jìn)的渠道不一，設(shè)備選擇的依據(jù)不同，導(dǎo)致設(shè)備工藝水平相差較大，從而影響了涂層刀具的使用效果；同時(shí)又由于國(guó)產(chǎn)涂層刀具的質(zhì)量不穩(wěn)定，涂層刀具檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不齊全，因此在應(yīng)用領(lǐng)域造成了涂層價(jià)格高，但涂層質(zhì)量不穩(wěn)定，刀具性能改善不明顯的印象，嚴(yán)重影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用及發(fā)展。
4.1、加強(qiáng)該項(xiàng)目的規(guī)劃及管理工作工具行業(yè)管理部門應(yīng)加強(qiáng)該項(xiàng)目的規(guī)劃及管理工作，明確我國(guó)短、中、長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，確立有計(jì)劃不間斷發(fā)展的方針，并通過(guò)"官、產(chǎn)、學(xué)、研、商"的結(jié)合，使項(xiàng)目在政策上和資金上都能得到有利地支持。實(shí)際上八十年代中期，機(jī)械工業(yè)部機(jī)床工具司為阻止PVD涂層設(shè)備進(jìn)口事態(tài)的進(jìn)一步擴(kuò)大，組織了全行業(yè)的力量對(duì)引進(jìn)設(shè)備進(jìn)行攻關(guān)，其中所開(kāi)發(fā)的熱陰極弧磁控等離子鍍膜機(jī)，已成功的在工具行業(yè)推廣應(yīng)用，并因此帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)TiN涂層刀具的普及應(yīng)用。
4.2、確立研究及開(kāi)發(fā)新思維刀具涂層技術(shù)集材料、制備方法、真空技術(shù)、切削加工技術(shù)于一體，既具有綜合性，又具有前沿性，要實(shí)現(xiàn)良性發(fā)展，必須樹(shù)立合理的、整體的研發(fā)思路。從國(guó)內(nèi)幾十年的刀具涂層技術(shù)的發(fā)展看，各研究環(huán)節(jié)的脫節(jié)是制約其發(fā)展的癥結(jié)。開(kāi)發(fā)的思路應(yīng)遵循：市場(chǎng)調(diào)研→薄膜性能研究→制備方法研究→實(shí)驗(yàn)室裝置開(kāi)發(fā)→應(yīng)用基礎(chǔ)研究→工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)制造→應(yīng)用工藝技術(shù)研究→市場(chǎng)評(píng)定，并形成循環(huán)。
4.3、建立統(tǒng)一的研究、開(kāi)發(fā)、服務(wù)體系、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建立統(tǒng)一的研究、開(kāi)發(fā)、服務(wù)體系，根據(jù)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求，有系統(tǒng)地引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收及協(xié)作研究工作，并逐步達(dá)到自我開(kāi)發(fā)的水平，最終實(shí)現(xiàn)參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
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