摘 要: 刀具表面改性技術對于強化刀具，延長刀具的使用壽命和發展新型刀具加工技術具有重要的意義。文中綜述了刀具傳統表面改性技術的方法及新型刀具表面改性的方法，涂層方法由最初的熱噴涂和陽極電鍍的方法發展到化學氣相沉積法和物理氣相沉積法。新型刀具表面改性從離子注入、等離子體、激光技術發展到離子束輔助沉積，提出了刀具表面改性技術的研究發展方向。
 
      關鍵詞: 機械制造; 刀具; 表面改性; 沉積

      0 引言
 
     隨著制造技術全球化發展趨勢，特別是以高、精、尖的精加工設備為主流，所以對制造業帶來巨大的挑戰，而刀具在制造加工中起到關鍵性的作用。但是中國刀具技術的發展現狀不容樂觀，中國市場需要大量的高性能的刀具。特別是通用機械制造領域，離不開刀具加工。尤其是在汽車制造、飛機制造中應用比例較高，其中汽車工業是消耗機床刀具的大戶，占全球總刀具消費量的一半以上。
 
     目前刀具表面強化是提高刀具性能的重要技術，主要有表面涂層、離子滲氮、陽極氧化和氣相沉積等。新型刀具開發的方向應是更耐熱，導熱更好，更耐磨，韌性也更高。而單一的刀具表面強化處理方式已不能滿足其性能要求，因此，一些新的表面強化技術得以發展，被開始廣泛應用于刀具研究領域制造，以適應發展的要求。
 
     1 、傳統刀具表面改性的方法
 
     1．1 熱噴涂
 
     熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態，并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體表面形成涂層的方法。使普通材料達到防腐、耐磨、抗高溫、抗氧化、隔熱等多種功能，并起到節約材料、提高能源的效果。
 
     近年來對超音速噴涂技術的研究也迅速增多，并取得了很大成果。王海軍［1］等人采用超音速等離子噴涂技術制備了在 Al－10Si 合金基體上的純 Mo 和 Mo+ 30%的涂
層，用隨機配置的能量色散譜儀分析涂層成分，并利用GENESIS 型 X 射線衍射儀分析涂層的相結構。通過對涂層微觀組織、顯微硬度、結合強度和環塊滑動摩擦磨損等試驗表明，Mo+30%的涂層綜合性能優于純 Mo 涂層，涂層中的 Ni－Cr 固溶體對涂層具有固溶強化作用及鉻的硼化物( Cr2B) 、碳化物( Cr3C2) 等硬質相的彌散強化，提高了涂層的硬度，起到了耐磨支撐作用。
 
     類晶材料是近幾年發展的一種新型的熱噴涂復合材料，已在汽車、冶金行業得到廣泛的應用。林惠令［2］等人在第七屆國際熱噴涂研討會上綜述了鈦酸鉀晶須復合材料在熱噴涂技術中的應用，酸鉀晶須復合材料是世界上新一代高性能復合材料，是一種細小纖維狀的亞納米級材料，具有十分優良的力學性能和物理性能: 高強度、耐磨損、高模量、耐高溫、隔熱、高電器絕緣及優異的紅外反射性能。
 
     1．2 陽極電鍍處理
   
    陽極電鍍是一種化學電鍍表面覆蓋處理的方法，可以改變產品的外觀，改善表面顏色和紋理結構。最常見的是對鈦和鋁進行陽極電鍍表面處理。使用不同的電壓，可以產生不同的顏色( 高電壓=深顏色，低電壓=淺顏色) 。
 
    自電力工程開始使用瓷絕緣子以來，電瓷工業的發展極為迅速，電瓷成形刀具亦愈來愈受到重視。為此，從1937 年始，開展了在電瓷成形刀具上電鍍碳化硼粉的研究工作，研究表明通過電鍍的方法可以在極性材料上鍍上具有高耐磨性的非極性材料，提高了成形刀具使用壽命，并在其他相對滑動磨損較大的場合，也可以采用這種方法提高其耐磨性。
 
    近幾十年發展起來的脈沖電鍍 Ni－Co 合金技術有了較大發展，合金鍍層具有良好的物理、化學和機械性能。宮曉靜［3］等在高頻( 20 ～ 40 kHz) 下，采用脈沖電鍍法在
1Cr18Ni9Ti 不銹鋼上制備了鎳鈷合金，結果表明高頻脈沖鍍 Ni－Co 合金的顯微硬度均比直流鍍層高; 鍍層的顯微硬度隨著硫酸鈷濃度的增加而提高; 直流脈沖制得的鍍層在不同溫度熱處理時有最大值; 脈沖頻率與鍍層的致密性有著緊密關系，隨著頻率的增加而變得致密。
 
     1．3 氣相沉積
 
     a) 化學氣相沉積( CVD)
 
     化學氣相沉積( chemical vapor deposition，CVD) 是利用氣態物質在固體表面進行化學反應，生成固態沉積物的過程。美國在 CVD 法提高金屬線或金屬板的耐熱性與耐
磨損性方面進行了深入的研究，20 世紀 60 年代后，CVD法應用于宇航工業的特殊復合材料、原子反應堆材料、刀具、耐熱耐腐蝕涂層、半導體工業等領域。
 
    采用化學氣相沉積硬質合金刀具，提高了刀具的使用壽命和生產效率。在硬質合金襯底上涂覆的金剛石薄膜可制成涂層刀具，涂層拉絲膜、涂層噴嘴和其他涂層零部件，涂層的物理和化學性能都能達到或非常接近天然金剛石的水平。且 CVD 涂層刀具的抗沖擊性能優于 PCD 刀具，適用于非鐵材料的粗加工和半精加工，其刀具壽命比硬質合金刀具提高 3 ～ 10 倍，被加工工件越硬，刀具使用壽命越長。化學氣相沉積技術主要應用于硬質合金類刀具的表面涂層，這種涂層刀具主要適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工中。
 
     采用不同的預處理方式浸蝕 YG6 硬質合金基體表面，隨后在熱絲化學氣相沉積裝置上沉積了金剛石薄膜。結果表明，硬質合金基體表明粗糙，金剛石薄膜形核密度高，結晶品質好，金剛石涂層與硬質合金基體結合良好。
 
     采用偏壓增強熱絲化學氣相沉積法，以硼酸三甲酯為摻雜源，以 WC－Co 硬質合金刀具為襯底，制備了不同摻硼濃度的金剛石薄膜涂層刀具，分析了硼元素對薄膜質量和刀具性能的影響。結果表明: 硼摻雜可以有效抑制刀具表明鈷的擴散，改變金剛石薄膜的成分，隨著摻硼濃度的增加，金剛石薄膜的晶粒變小。通過對碳化硅顆粒增強鋁基復合材料的切削加工實驗表明，在適當的摻硼濃度下金剛石薄膜涂層刀具的切削性能得到顯著的改善。
 
     采用輔助加熱 PVCD 裝置對直齒銑刀進行涂敷氮化鈦處理。試驗結果表明: 高速鋼基體上沉積的TiN 膜與基體結合良好，PCVD－TiN 膜顯微硬度可以達到2 000HV，未經涂鍍的銑刀刃角磨損很大，經過涂鍍后的銑刀刃磨較均勻，鍍膜處理后銑刀的使用壽命是不鍍膜銑刀的 2．5 倍，大大提高了刀具的使用壽命。
 
     b) 物理氣相沉積( PVD)
 
     物理氣相沉積是利用電弧、高頻電場或等離子體等高溫熱源將原料加熱至高溫，使其氣化或者形成等離子體，然后通過驟冷，使之凝聚成各種形態的材料( 如晶須、薄膜、晶粒等) 。其原理一般基于純粹的物理效應，但有時也與化學反應相關聯。
 
     與化學氣相沉積相比，物理氣相沉積具有鍍膜材料廣泛，鍍料汽化方式不受溫度的限制，沉積粒子能量可以調節反應活性高，可沉積各種類型薄膜，無污染，有利于環境保護等優點。
 
     最早利用 TIC 和 TIN 2 種材料進行物理氣相沉積的刀具，具有抗磨料磨損能力強，有高的抗刀面磨損和抗月牙洼磨損的能力，適于加工鋼材或切削易于粘在前刀面上的材料，
 
     采用物 理 氣 相 沉 積 技 術 在 硬 質 合 金 刀 具 上 作 的TiALN 涂層刀具，由于 TiALN 具有很高的高溫硬度和抗氧化能力，故刀具能抗 900℃高溫，同時在高速加工時，涂層表面會產生非晶態的 Al2O3薄膜，對涂層起到了保護的作用。Balzers 公 司 試 驗 的 AlCrN 涂層刀具硬度可達3 200 HV，當溫度達到 1 000 ℃ 時，刀具能保持原有的硬度，同時這層涂層還能保護刀具基體不氧化; 在 AlCrN 涂層的基礎上，又推出 TiAlN+AlCrN 基的涂層刀具，賦予刀具良好的紅硬性和抗高溫氧化的能力。
 
     在刀具傳統表面改性的方法中，常用化學氣相沉積法( CVD) 和物理氣相沉積法( PVD) 為主，雖然這 2 種方法在生產實踐中已日漸成熟，但仍存在一些不足，其中較突
出的問題是刀具的表面涂層與基體間的界面結合強度較低，涂層易剝落，因此涂層不能做得太厚，以免使涂層刀具使用壽命的提高受到限制，切削中一旦涂層被磨掉，刀具就會迅速磨損。此外，涂層刀具基本上不具備重磨性，這將限制其在粗加工和大型加工設備中的應用。
 
     蔡志海等［7］利用多弧離子鍍技術在 YT14 硬質合金刀具上 制 備 了 CrTiAlN 復 合 涂 層，對不同偏壓條件下CrTiAlN 復合膜的表面形貌、硬度、結合性能進行了系統研究，試驗表明: CrTiAlN 復合涂層的主要成分為 Cr、Ti、Al、N、O，相組成為 Cr、CrN、Cr2N 和 TiN 晶體相與 AlN 非晶相。在干式切削條件下，不同涂層刀具的切削壽命的排序依次為 CrTiAlN＞TiAlN＞TiN 未涂層。
 
     2 、新型刀具表面改性的方法
 
     2．1 離子注入技術
   
    離子注入法是指在離子注入機中把離子加速成具有幾萬到幾十萬( 甚至幾百萬) 電子伏能量的束流，注入到固體材料的表層內，獲得高硬度( 2 000 ～ 4 000 HV) 的硬
化層表面，離子注入的整個系統保持真空狀態，避免離子中性化和外來原子( 分子) 對注入的影響，以便得到最佳的均勻性。
 
     20 世紀 80 年代中期，一些研究人員已經開始探索將離子注入作為一種改進切削刀具的方法。張通知［8］等在硬質合金刀具上進行 N 離子注入，由于 N 離子注入硬質
合金刀具中，使 WC 的晶面間距增加，同時也形成了Co3O4新的析出相，它在 Co 粘結相中形成的金屬化合物，減少了Co 的塑性流動，從而阻止了 Co 粘結相的移動，可動的間
隙原子 N，在磨損期間產生了牽制和阻礙位錯運動的作用，形成了硬表面層。這種作用的連續性是由于在磨損過程中產生的高溫和應力條件下，注入的 N 原子可以向內部遷移，使實際耐磨層增厚［9］，摩擦試驗表明，刀具表面越硬，磨損量越少，耐磨性提高 4 ～ 6 倍，從而明顯增加了刀具的耐用度。
 
    研究過氧化物陶瓷刀具的氮注入，外加注入能量為 90keV，離子劑量為 1×1016離子/cm2，結果表明: 注入陶瓷刀具的性能優于未注入陶瓷刀具，原因是由于刀具和工件材料之間黏附磨損的減少，離子注入似乎減少了一貫出現于未注入刀具前面的剝落。
 
    吳起白等人［11］研究發現，進行 Ti+Y 雙元注入時，在試樣表層可能形成 Y 的氧化物膜層，在離子注入過程中，由于反沖擊碰撞和級聯過程，吸附在試樣表面的氧原子進
入到表層晶格中。因 Y 和 O 親和力很大，遂在試樣表面和最表層形成 Y 的氧化物( Y 含量高達 30%) 。此層很薄，但結構致密并且縫合在注入層中的合金氧化物膜層( 同時含 Ti、C) ，這樣對降低材料表面的摩擦系數，提高耐磨性是十分有益的。
 
    2．2 等離子體技術
   
    等離子體化學氣相沉積技術原理是利用低溫等離子體( 非平衡等離子體) 作能量源，工件置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電( 或另加發熱體) 使工件升溫到預定的溫度，然后通進適量的反應氣體，氣體經一系列化學反應和等離子體反應，在工件表面形成固態薄膜。它包括了化學氣相沉積的一般技術，又有輝光放電的強化作用。
 
    等離子熔敷復合材料涂層技術具有能量利用率高、生產效率高、使用成本低等特點，制備的涂層組織均勻細小，具有典型的快速凝固特征，涂層與基體結合良好，耐磨損
耐腐蝕。夏志迎［12］用脈沖高能量密度等離子體沉積薄膜技術和等離子熔敷耐磨耐蝕復合材料涂層技術對地鐵施工用盾構刀具的刀刃及刀體易磨損面進行表面改性處理。研究表 明，在不銹鋼及淬火高速鋼基底表面沉積的Ta( C) N三元薄 膜 硬 度 高 達 14 GPa，楊 氏 模 量 高 達 250GPa，薄膜和基底之間存在較寬的過渡層，保證了薄膜與基體的牢固結合，薄膜具有優異的摩擦磨損性能。在盾構刀具刀體易磨損面上制備了( Cr，Pe) _7C_3/γ－Fe 耐磨耐蝕復合材料涂層，刀具的耐磨耐蝕性能顯著提高，刀具的服役周期明顯延長。
 
     利用等離子增強磁控濺射方法在硬質合金表面制備 Ti( Cr，Al) SiC( O) N 涂層，通過對涂層和硬質合金基體在空氣中進行 600℃高溫處理研究涂層相結構、膜基結合力及硬度。實驗表明: 硬質合金基體氧化明顯，而涂層在 600℃沒有發生氧化，膜－基結合強度和硬度等性能保持不變。
 
    2．3 激光技術
   
    激光加工技術的研究始于 20 世紀 60 年代，但直到 70年代初研制出大功率激光器之后，激光表面處理技術才獲得實際的應用，并在近 10 年內得到迅速的發展。激光表面處理技術是在材料表面形成一定厚度的處理層，可以改善材料表面的力學性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能。
 
     在實驗室中進行的在大型復雜鈦合金結構件激光直接快速成形技術及激光熔覆難熔金屬硅化物高溫、耐磨、耐蝕多功能涂層材料等方面的最新研究及應用進展: “高性能金屬結構件激光直接快速成形制造技術”，利用快速原型制造( ＲPM) 的基本原理，通過金屬材料快速凝固激光熔覆逐層沉積，直接由零件 CAD 模型一步完成組織致密、成分均勻、性能優異的高性能近終形復雜金屬零件的快速成形制造。采用該技術可在無需毛坯制備、無需模具加工制造、無需重型或超重型鍛鑄工業基礎設施等的條件下，直接實現鈦合金、高溫合金、金屬間化合物等高性能‘近終形’復雜零部件的無模快速成形制造，是一種代表著先進制造技術與材料技術發展方向，將“高性能結構材料設計、制備與‘近終形’高性能復雜零件直接成形制造”有機融為一體的“無模”、非接觸、無污染、數字化、知識化成形制造新技術。
 
     哈爾濱工業大學應用化學系 對激光表面改性技術做了大量的研究工作，總結了激光表面改性工藝的非平衡處理、非接觸加工、自冷淬火、變形少、周期短等特點，并綜述了當采用了激光表面改性技術時，使得以鋼鐵、有色金屬( Al、Mg、Zn、Ni 等) 為基體的材料耐腐蝕性能都有明顯的提高，是一種有效的腐蝕防護方法。
 
     2．4 離子束輔助沉積( IBAD)
   
     離子束輔助沉積( ion beam assisted thin film deposition，IBAD)是在氣相沉積鍍膜的同時，利用高能離子轟擊薄膜沉積表面，對薄膜表面環境產生影響，從而改變沉積
薄膜成分、結構的過程。這一薄膜制備手段的優點是: 合成的薄膜致密，附著力強，能夠在低溫下合成，可以合成一些用常規手段難以獲得的特殊薄膜材料，等等。這一技術
開始于 20 紀世 70 年代，到 80 年代中期受到普遍重視，目前已成為國際上廣泛關注的新型薄膜制備手段 。
 
    IBAD 技術可明顯地改善材料表面強度，提高耐磨、耐腐蝕性，這些保護薄膜和材料結合緊密，具有良好的均勻性。立方氮化硼薄膜( c—BN) 的硬度僅次于金剛石，具有耐高溫、高壓和寬禁帶的性質。江海［1 7］等人研究表明，硼蒸汽在氮離子束轟擊下，在未加熱的硅片上沉積，所有的氮都和硼結合在一起，并且薄膜的硬度是硅基板的 3 ～ 5倍。
 
    采用 IBAD 技術制備 TIN 薄膜，具有溫度低，薄膜結合力強的優點。李曙光［18］研究表明，經過離子束增強沉積 TIN 薄膜的模具，表面機械強度大大提高，減少粘連的
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·機械制造· 張蜀紅·刀具表面改性應用技術概述Machine Building A utomation，Jun 2016，45( 3) : 66 ～ 69現象，有效壽命延長數倍。TIN 薄膜廣泛應用于機械零件中，也用于刀具表面處理及易磨損部件表面鍍膜等。
 
     3 、未來刀具表面改性的研究方向
 
     1) 研發新的刀具涂層
 
     研究新型的多層、高硬度、高韌性的涂層，若工藝超均一化、新型涂層工藝和新涂層材料、新型添加材料與熱處理工藝上領先，誰就能在世界上占主導地位。
 
     2) 研發高效能的刀具
   
    高效切削已經成為現代制造的主流，而聚晶立方氮化硼刀具在其中扮演著不可缺少的角色。目前，我國刀具制造業還停留在傳統的發展模式上，無法滿足現代制造業對高效刀具的需求，故研發高效能的刀具適應現代制造業的發展勢在必行。
 
     3) 研發超硬材料刀具
   
     超硬材料刀具的發展是現代制造業發展的重要基礎。美、德、日等世界制造業的國家無一例外都是刀具產業先進的國家。超硬材料刀具不但是推動制造技術發展進步的重要動力，是提高產品質量、降低加工成本的重要手段。今天先進的數控機床已經成為現代制造業的主要裝備，它與同步發展起來的先進超硬材料刀具一起共同推動了加工技術的進步。
 
     我國機床工具行業對現代金屬切削刀具與傳統刀具的差別缺乏足夠的熟悉，長期以來重主機、輕工具，在發展戰略上超硬材料刀具與數控機床的發展嚴重脫節，使我國
超硬材料刀具技術的發展和行業水平與現代制造業的要求相差甚遠。
 
     超硬刀具的應用程度將取決于技術和經濟兩方面的因素。然而有一點是顯而易見的，即朝著具有更高生產率、更高切削速度和更低本錢的方向發展。隨著更耐磨和更難加工工件材料的增多，各類超硬刀具的應用將持續大量增加。毫無疑問，為達到未來產業經濟的高速發展，超硬刀具的成功應用是一個關鍵因素。