表面织构刀具的研究现状与进展

第50卷第12期表面技术2021年12月SURFACE TECHNOLOGY·217·表面织构润滑减摩的国内外研究现状及进展黄云磊，钟林，王国荣，魏刚，彭事超（西南石油大学，成都 610500）摘要：表面织构是源自于自然界生物非光滑表面的微纳米结构，这些微观结构使得生物在进化过程中呈现出优异的自润滑和抗磨减摩性能。

国内外研究也一致表明，表面织构是改善表界面摩擦学特性的一种有效手段，可使材料表面实现自润滑效果，并且能够减少摩擦磨损带来的机械设备提前失效和能源耗损。

从表面织构的形态特征及其作用机制出发，对近年来表面织构在润滑减摩方面的国内外研究现状及进展进行调研分析。

讨论了表面织构形状（规则织构、不规则织构等）、织构分布形式（全织构分布、部分织构分布等）、织构几何参数（深度、面积比、深径比等）、工况参数（载荷、速度等）等因素，对织构化表面润滑减摩性能的影响，同时总结了表面织构润滑减摩作用机制研究中面临的难题。

提出未来应重点开展极端工况、混合润滑状态下多类型复合织构的润滑减摩作用机制，考虑动态磨损的表面粗糙度与织构协同作用润滑减摩规律和仿生微织构与涂层耦合作用下抗磨性能等方面的研究，从而进一步推动表面织构在润滑减摩领域的工程应用。

关键词：表面织构；摩擦；润滑；减摩；表面粗糙度；涂层中图分类号：TH117 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2021)12-0217-16DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2021.12.022Research Status and Progress of Surface TextureLubrication and Friction ReductionHUANG Yun-lei, ZHONG Lin, WANG Guo-rong, WEI Gang, PENG Shi-chao(Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)ABSTRACT: Surface texture is a kind of micro-nano structure derived from the non-smooth surface of natural organisms.These microstructures enable organisms to exhibit excellent self-lubricating, anti-wear and friction reduction properties during the evolution process. The studies at home and abroad have also consistently shown that surface texture is an effective means to improve the tribological performance of the surface, which can realize the self-lubricating effect of the material surface and reduce the premature failure of mechanical equipment and the energy consumption caused by friction and wear. In this paper, from the perspective of the morphological characteristics of surface texture and its mechanism of action, the research status and收稿日期：2020-11-29；修订日期：2021-06-01Received：2020-11-29；Revised：2021-06-01基金项目：国家重点研发计划（2018YFC0310201，2019YFC0312305）；国家自然科学基金面上项目（51775463）；国际合作项目（2019-GH02- 00055-HZ）；省级大学生创新创业训练项目（S202010615075）Fund：National Key R&D Program of China (2018YFC0310201, 2019YFC0312305); General Program of the National Natural Science Foundation of China (51775463); International Cooperation Projects (2019-GH02- 00055-HZ); College Students' Innovative Entrepreneurial Training Plan Program (S202010615075)通讯作者：钟林（1985—），男，博士，实验师，主要研究方向为油气装备的仿生摩擦学。

面积越小，摩擦力就越小。 其实不然，Duan Ran 等 [4-5]
在采用平行于主切削刃微
衍生切屑
沟槽切削实验时发 现 ，在 沟槽的棱角处会形成衍生
切屑 刀具
切屑并产生二次切削 ，如 工件
图2所示。二次切削会增大
切削变形、切削力和前刀 图2 衍生切屑形成原理
面处的摩擦磨损。
由于微凹槽的存在，同样使刀屑高压接触面间具备
比较高，实践生产中仍未推广应用。
3 微织构形式及其对切削性能的影响
对于不同刀具材料和不同的加工条件，为了寻求减
磨降阻效果更好的微织构，研究者们开发了大量形式各
异的微织构，比较典型的微观结构如
（d）
（e）
（f）
（g）
（h）
（i）
图3 典型微织构
目前对于条形和点阵凹坑状纹理的研究比较多，且 纹理加工比较容易实现。不少学者对条形纹理进行了深 入研究并指出，平行于流屑方向的条纹容易获得更好的
子y
切屑
单位切应力 分布曲线 子y
正应力分布 曲线 滓y
v 滓max
刀具
图1 前刀面处的摩擦区及应力分布
由于前刀面处微织构的出现，减少了前刀面与切屑
的实际接触面积A a，进而起到减磨和降低切削力的作用，
同时由于前刀面散热面积的增大，散热条件得到改善，也
降低了切削温度。由上面公式似乎可以发现，刀屑实际接触
[参考文献]
[1] 徐明刚,张振,马小林,等.基于DEFORM-3D的微织构刀具切削 性能仿真分析[J].组合机床与自动化加工技术,2016(3):44-47.
[2] 刘晓敏,赵登超,罗林辉,等.仿生物体表非光滑微织构形态刀具 应用及发展[J].机械设计与研究,2019,35(3):114-118.

浅谈涂层刀具的应用现状和发展前景摘要：随着新材料的出现，切削速度的提高，对刀具的要求是高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。

涂层刀具的出现，使难加工材料以及新材料切削性能有了重大突破。

本文从涂层刀具的概念入手，通过分析涂层刀具的发展历史和在金属切削加工中涂层刀具与普通刀具的性价对比来阐述涂层刀具的应用以及目前存在的问题，预测今后的发展前景。

关键词：涂层刀具切削加工应用Abstract:With the emergence of new material, the increase of cutting speed on tool requirements, high cutting speed, high feed rate, high reliability, long life, high precision and good cutting control. Coated cutting tools appear, make hard processing materials and new materials cutting performance has been a major breakthrough. In this paper, through the analysis of coating tools, with its historical development in metal cutting processing, and general tool of price comparison on coated cutting tool application and present problems, forecast the development foreground henceforthKey Words：Coated cutting tool Cuttingp rocessing Application引言对于机械行业来说，世界上目前发展的重要项目有:高速精密切削加工，少、无冷却润滑液的切削或干切削，高硬状态下切削加工。

刀具涂层技术的现状与发展PVDCVD刀具涂层技术的现状与发展摘要：刀具涂层技术是一种受刀具市场需求而产生的一种表面改性技术，该项技术能改变切削刀具的综合机械性能，大幅度提升加工效率以及刀具寿命，刀具涂层技术成为高效率、高精度、高可靠性要求的关键机械加工技术之一。

本文着重介绍了刀具涂层技术的涂层材料的制备方法及种类，并对刀具涂层技术的应用前景及发展趋势进行了展望。

从工艺、装备、技术开发、推广应用、售后服务等方面分析我国刀具涂层技术与工业发达国家的差距；文中建议我国工具行业应针对国内刀具涂层技术现状，建立统一的研究、开发、服务体系，系统地引进国际先进技术，通过消化吸收逐步达到自我开发的能力，最终实现参与国际市场竞争的目的。

关键词：刀具;涂层技术;PVD;CVD1 引言刀具涂层技术是一种受刀具市场需求而产生的一种表面改性技术，该项技术能改变切削刀具的综合机械性能，大幅度提升加工效率以及刀具寿命，因此该项技术已与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。

为了满足机械加工的高效率、高精度、高可靠性的要求，各个国家都十分注重刀具涂层技术的发展。

当前，我国刀具涂层技术正处于一个发展的十分关键的时期，特别是PVD涂层技术，使用原有的涂层技术生产的刀具已不能满足切削加工要求；发展PVD技术，能提高我国切削刀具的水平，获得巨大的经济效益，提高我国的综合国力。

2 国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势刀具涂层技术目前分为两大类，即化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）技术。

2.1 物理气相沉积（PVD）技术的发展习惯上，把固体(液态)镀料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、激光束、电弧等能量形式产生气相原子、分子、离子(气态，等离子态)进行输运，在固态表面上沉积凝聚，生成固相薄膜的过程称为物理气相沉积(PVD)。

物理气相沉积（PVD）技术产生于上世纪七十年代末，因为它的工艺温度控制在500℃以下，，可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。

涂层刀具的涂层材料、涂层方法及进展方向在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决议性的影响。

刀具性能的两个关键指标硬度和强度（韧性）之间好像总是存在着冲突，硬度高的材料往往强度和韧性低，而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。

在较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜（如TiC、TiN、Al2O3,等）构成的涂层刀具，较好的解决了刀具存在的强度和韧性之间的冲突，是切削刀具进展的一次革命。

涂层刀具是近20年来进展最快的新型刀具。

目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上，CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。

1涂层刀具、涂层材料及涂层方法涂层刀具的特点涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。

涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。

一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大削减刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。

但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后，因基体材料和涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层和基体之间的界面结合强度低，涂层易剥落，而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备多而杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。

常用的涂层材料及性质常用的涂层材料常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。

依据化学键的特征，可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。

涂层材料的性质金属键型涂层材料（如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等）熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好，具有良好的综合性能，是最一般的涂层材料。

共价键型涂层材料（如B4C、SiC、BN、金刚石等）硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。

涂层刀具材料研究现状与发展思路摘要：制造业的飞速发展对刀具材料的要求也越来越高，涂层技术实现了涂层材料的特殊优异性能，使刀具的使用寿命和切削性能等都得到了极大的提高。

因此，涂层技术的应用领域正在日益扩大，在制造业中必将显示更加重要的地位。

本文介绍了刀具涂层材料的研究现状，对其制备工艺及分类两方面进行了综述，并探讨了涂层刀具材料的发展趋势。

关键词：纳米涂层；物理气相沉积；化学气相沉积；超硬刀具引言19世纪70年代，用于研究的简单涂层设备开始出现；到20世纪70年代商品化的涂层设备供应于世；20世纪80年代涂层技术进入工业化大生产；21世纪初，涂层技术成为世人瞩目的新技术。

涂层技术是应市场需求发展起来的一种表面处理技术。

近10年来，涂层技术在刀具行业的应用得到了快速普及，涂层刀具已成为切削加工不可或缺的主流刀具。

与此同时，随着切削技术向高速、高效、强力、干式的方向发展，刀具涂层技术成为了左右切削技术发展的主要因素。

由于这项技术可使工、模具表面获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率及延长工、模具使用寿命，因此它已成为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性要求的关键技术之一，而且其应用领域正在迅速扩展。

涂层发展正面临前所未有的机遇。

因此，对于刀具涂层及其性能的研究，并开发满足不同加工条件的高性能刀具涂层，对促进制造业发展具有重要意义。

1.涂层刀具材料的制备及发展现状涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。

涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益[1] 。

涂层技术的发展已从当初单一的TiC、TiN涂层发展为TiC-Al2O3-TiN复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层，涂层的性能有了很大的改善，使用范围不断扩大，涂层刀具的基体材料范围也在扩大，高速钢、硬质合金、陶瓷刀具都可以进行涂层。

新的涂层工艺不断出现，如生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积（PVD）法如图1和化学气相沉积（CVD）法如图4。

2022年我国刀具行业发展现状及趋势分析据了解：10月26-27日，“2022先进制造工艺与刀具技术研讨会”在清华高校顺当召开。

此次研讨会由上海高校先进工艺与刀具技术讨论所和清华高校精密仪器与机械学系联合主办，邀请国内外闻名高校、讨论所、机床刀具生产销售和使用企业的专家、学者400余人共聚北京，为中国机床刀具行业的健康稳定进展出谋划策。

现对2022年我国刀具行业进展现状及趋势进行分析。

产学研用共赢平台当前高速、高效、精密刀具的使用还不够广泛，严峻制约了我国经济的进展和向制造强国转变。

随着劳动力成本的急剧上升以及原材料的持续涨价，将来5——10年内，中国高速、高效、精密刀具具有巨大的进展空间，有必要对先进制造工艺与刀具技术进行长期深化的探讨，以提高中国制造业的生产效率、产品精度和附加值。

在本次研讨会上，来自行业协会、高等院校和企业的20余位演讲嘉宾代表产、学、研、用各领域先后做了精彩的演讲。

清华高校材料学院及机械工程学院柳百成教授在会议中指出：“先进制造技术是制造业及战略性新兴产业的技术基础，对进展经济和国家平安至关重要。

因此，要非常重视进展资源节省、环境友好的先进制造技术。

为此，必需加大讨论与开发的投入，加强企业与高校、院所的协同创新。

”与传统的学术研讨会不同，此次研讨会非常注意理论讨论与实施实效性相结合。

来自北京航天航空高校的陈五一教授介绍了镍基合金切削加工技术，天津高校的林彬教授介绍了轴向超声振动帮助磨削机理讨论，北京航天航空高校的张德远教授介绍了有用化振动切削工具技术，西北工大高校的张定华教授介绍了航空难加工材料切削加工及其表面完整性试验讨论，装甲兵工程学院的田欣利教授介绍了工程陶瓷高效低成本加工技术的讨论进展，中国矿业高校的邓福铭教授介绍了我国超硬刀具的进展历程、问题及展望，北京交通高校的张勤俭教授介绍了聚晶金刚石精密加工技术进展现状，华南理工高校的全燕鸣教授介绍了热管刀具与无钴硬质合金切削性能讨论。

收稿 日期 ：２０１５年 １１月
具 表 面 加 工 具 有 连 续 重 叠 的 纹 理 沟 槽 和 线 性 沟 槽 织 构 ，对 １０４５ 号 钢 和 ６０６１铝 合 金 材 料 进 行 切 削 ．与 无 织 构 刀 具 对 比 发 现 ，织 构 刀 具 可 降 低 摩 擦 角 、减 小 主 切 削 力 和 进 给 力 ，并 且 织 构 化 区 域 不 同 、微 织 构 几 何 参 数 不 同 都 会 影 响 刀 具 的 切 削 性 能 。 国 内众 多 学 者 也 逐 渐 重 视 织 构 刀 具 的 研 究 。 山 东 大 学 吴 泽 等 ＿６＿在 硬 质 合 金 刀 具 前 刀 面 月 牙 湾 磨 损 区 域 加 工 微 沟 槽 织 构 ， 并 填 充 ＭｏＳ：制 备 成 微 织 构 自 润 滑 刀 具 。 在 对 ４５号 钢 进 行 干 切 削 试 验 后 发 现 ，与 传 统 硬 质 合 金 刀 具 相 比 ，微 池 自 润 滑 刀 具 可 有 效 减 小 刀 具 切 削 力 和 刀 具 表 面 的 粘 结 现 象 ，并 且 垂 直 于 切 削 流 向 的 织 构 具 有 更 好 的抗 粘 减 摩 效 果 。 南 京 航 空 航 天 大 学 王 震 ［７ 通 过 激 光 加 工 技 术 在 所 选 用 的 Ｗ Ｃ－Ｃｏ硬 质 合 金 材 料 上 加 工 几 何 参 数 不 同 的 凹 坑 和 凹 槽 织 构 造 型 ．在 微 量 润 滑 的 条 件 下 进 行 切 削 性 能 试 验 。试 验 结 果 表 明 ，微 凹 坑 和 微 凹 槽 织 构 都 具 有 减 摩 作 用 ，在 稳 定 材 料 摩 擦 因 数 方 面 ．织 构 刀 具 表 现 出 良 好 的 优 越 性 能 。
与 刀面 交接 处 的弧度 对切屑表 面光 整度 具有较 大影响 ．较 大的弧度 能够有效 降低 锯 齿切 削现 象。

对于难加工材料，高速切削加工作为主要加工方 式，加工过程中刀屑界面上的材料温度升高，分子移动
收稿日期：２０１８０８２１；修回日期：２０１８１１１０ 第一作者简介：张永波（１９９２），男，河南淮阳人，硕士研究生，主要研究方向为金属切削加工。Ｅｍａｉｌ：ｙｂ＿１２３＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｃｏｍ
［新设备·新材料·新方法］ 张永波，等：基于 ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ的表面微织构刀具切削性能仿真研究 · ７９ ·
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｎＳｕｒｆａｃｅＭｉｃｒｏＴｅｘｔｕｒｅｄＴｏｏｌＣｕｔｔｉｎｇ ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＢａｓｅｄｏｎＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ
Байду номын сангаас
ＺＨＡＮＧＹｏｎｇｂｏ，ＺＨＡＮＧＭｉｎｌｉａｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）
第 ３７卷 第 １期
轻工机械
Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１
２０１９年 ２月
ＬｉｇｈｔＩｎｄｕｓｔｒｙＭａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｆｅｂ．２０１９
［新设备·新材料·新方法］
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５２８９５．２０１９．０１．０１５
基于 ＡｄｖａｎｔＥｄｇｅ的表面微织构刀具 切削性能仿真研究
机械加工过程中，刀屑接触区一直是研究切削加 工的重点对象。接触区的切削条件影响着切削加工的 效果，制约刀具的使用寿命、工件的品质及产品的加工 成本，因此研究切削加工过程对于指导生产具有实际 意义。刀具在切削加工时受到工件的挤压作用，加大 了刀具前刀面及主切削刃的磨损，同时工件的表面局 部产生一定的塑性变形，从而出现应力集中现象，对产 品的后期使用产生一定的负面影响。由于刀具与工件 之间的互相挤压作用，切屑变形、伸长增加了刀具与切 屑的接触面积。在金属加工过程中，随着切削的不断

刀具表面微织构的研究现状与进展王英姿【期刊名称】《《山东理工大学学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(033)005【总页数】6页(P39-44)【关键词】微织构; 加工方法; 表面形貌; 减磨机理【作者】王英姿【作者单位】济南大学材料科学与工程学院山东济南250022【正文语种】中文【中图分类】TH117.1切削加工过程中，刀具表面与工件之间存在着剧烈的摩擦接触，使得切削接触区存在温度高、刀具磨损快、切削力大以及工件表面质量低等问题。

尤其是在高速切削、干切削以及切削难加工材料过程中，切削力更大、温度更高、切削环境极为恶劣，使得刀具寿命也随之降低。

随着对摩擦学研究不断的深入，人们发现并不是表面越光滑摩擦学性能越优异，反而是像穿山甲、鱼鳞等具有微小结构的表面，具有高耐性磨、低摩擦系数等优点。

刀具表面微织构是指利用生物仿生学原理，在摩擦表面加工出一定尺寸、形状的微米级结构[1]，从而提升刀具的切削性能以及摩擦学性能。

在刀具发生摩擦的区域加工出一些微坑或微沟槽阵列结构，更有利于润滑介质的渗入、成膜，有助于提高润滑效果，起到减摩的作用；从而抑制工件材料粘刀现象，减缓刀具磨损，延长刀具耐用度。

近年来，对刀具表面织构的研究越来越多，人们对刀具表面织构的认识越来越深刻。

表面微织构具有减少刀-屑接触长度、存储润滑剂和捕捉磨屑等作用[2]，已经成功应用在刀具表面上[3]。

微织构形貌从最初的凹坑、凹槽凸包状，变为更复杂的正弦、椭圆、圆阵列和鱼鳞状等[4]，如图1所示。

不同形状的微织构对刀具表面的摩擦学性能的影响必然不同。

因此，研究不同微织构的形貌，将明显提高刀具的使用寿命和摩擦学性能，并降低切削过程的切削力和切削温度，改善工件表面的加工质量[5]。

1 微织构加工方法及形貌与传统的刀具相比，微织构刀具的使用寿命、摩擦学性能明显提高，并且具有储存润滑剂、减少刀-屑接触长度、降低切削力和切削温度等优点。

目前常用的微织构加工方法包括：激光加工[6]、电火花加工[7]、光刻技术[8]、磨料射流加工[9]、磨削加工[10]、聚焦离子束加工[11]等，在刀具方面应用广泛的为激光加工、电火加工和光刻技术。

对我国刀具涂层技术现状及发展趋势的认识摘要：本文论述了我国刀具涂层技术的现状及未来发展趋势，为我国刀具涂层技术走持续、稳定及健康的发展道路提供了一定的见解。

关键词：刀具涂层技术：现状：发展趋势1前言制造业的发展离不开切削刀具，现代切削刀具已经成为提升制造业技术水平的关键因素之一。

切削加工的要求日趋提高；高速、高精度、高效、智能和环保成为切削加工的追求目标；被加工材料的能级不断提高；高强和超高强度材料、高韧性、难切削等材料层出不穷；新形势下对切削加工提出的特殊要求。

诸如加工硬度50HRC以上的硬加工、微润滑和无润滑的干切削不断涌现。

总之，切削加工中的个性化特点日见显现。

其对刀具进行徐层是机械加工行业前进道路上的一大变革。

它是在刀具韧性较高的基体上涂覆一层、二层乃至多层耐磨的难熔化合物，从而使刀具的性能得到极大改善。

经涂层的刀具可以提高加工效率、加工精度、延长寿命、降低成本，因而其受到世界各国普遍关注。

2我国刀具涂层技术的现状及存在的问题西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26％上升到2005年的90％。

新型的数控机床所用的刀具中80％左右是涂层刀具。

瑞典山特维克可乐满和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达85％以上；美国数控机床上使用的硬质合金涂层刀片的比例为80％；瑞典和德国车削用的涂层刀具都在70％以上。

日本、俄罗斯涂层技术开发和应用也走在世界前列。

我国涂层刀具起步晚，但进步快。

其涂层网点遍布全国。

有不少城市都有自己的涂层中心，并承接对外加工业务，而且厂矿也不甘示弱。

国内几家大的工具厂拥有涂膜机都在10台以上，但多数应用在麻花钻等低端产品上。

德国等工业发达国家的涂层公司纷纷在我国安营扎寨，大搞涂层刀具对外加工。

我国从1970s初开始研究CVD涂层技术。

由于该项技术专用性较强，因此国内从事研究的单位并不多。

1980s中期，我国CVD刀具涂层技术的开发达到实用化水平。

其工艺技术水平与当时的国际水平相当。

浅析现代刀具材料的发展及现状一、刀具材料发展我国在金属切削方面历史悠久。

今天金属加工的前期在古代是加工骨质、石质、木质、和其他非金属器物。

在旧石器时代就有石砍砸器，到了新石器时代，人们在与大自然的生存斗争中不断的改进自己的工具，并且以能在坚固的石头上打孔孔。

还能把坚硬的石头镶嵌在骨头把上制成夹固式石刃骨刀。

我国的金属切削加工工艺，萌芽于青铜器时代，慢慢的形成和发展。

到春秋时期已经出现了各种青铜器，青铜铸造业已有了很好的发展。

据记载表明，在这个时期的生产的青铜和生活工具，在制做过程中大都要经过切削加工或研磨。

我国的冶铸技术比西欧国家早将近1000年，炼钢技术、淬火、和渗碳的发明，为制作锋利的武器和工具提供了保障，当铁质工具出现是，金属切削加工进入了一个新的发展阶段。

记载表明早商代就有了雕琢玉器的工具，这也就是金属切削机床的初期。

在河北一汉墓出土的五铢钱，在外圆上，雕花均匀，切削振动波纹明朗，椭圆度精细，有经过车削的痕迹，有可能就是用手拿着工具进行切削。

到了明代，我国的手工业有了发展迅速，各种切削方法，有了明确的分工。

如：车、铣、钻、磨等等。

北京古天文台上的天文仪器的加工方法可以看出当时就有较高精度的磨、车、铣、钻削等。

晚清时间，由于政府的腐败，金属加工出于停滞不前的状态。

解放前，我国的工业也十分落后，没有自己的机床，工具制造业。

就连麻花钻这样的普通工具都不能制造。

解放后，我国的机床才有了一定的发展。

机床和工具制造业逐渐从无到有，从小到大。

70年代初80年代末，工具材料发展迅猛，硬质合金和高速钢的规格和品种获得突破。

如：涂层硬质合金、立方碳化硼，陶瓷等。

到了后来数控、数显设备也慢慢发展起来。

由于受当时电子设备、微机、传输等影响，发展缓慢。

后来随着电子设备等发展也逐渐壮大起来。

迄今，已使切削速度提高到每分钟一千米以上。

历史事实表明，在切削加工的发展过程中，刀具材料始终是最积极的因素。

同时，被加工材料的发展也大大地推动了刀具材料的发展。

Ｐ Ｄ涂层技术在我 国刀具制造 中的现状及发展 Ｖ
任 国强 （ 四川职业技术学院）
艺和 装 备 的研 发 。 ３３ 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 Ｐ Ｄ刀 具涂 层 市场 过 于 乐观 ，各 自纷 纷 Ｖ 加 大 各类 Ｐ Ｄ涂层 设 备 的开 发力 度 ，但 由于缺 乏对 刀具 及其 涂层 技 Ｖ 术 的 深入 了解 ， 未 加 强 与工 具 厂 的 合作 ， 开 发 的涂层 设 备 大部 分 也 所 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 １ Ｐ Ｄ涂 层 技 术 简介 Ｖ 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， 物 理气 相 沉 积 （ Ｖ 是 一种 表 面 处理 的标 准 化 称谓 。从 高 精 密 Ｐ Ｄ） 大部 分 真空 设 备制造 厂 已把 发 展 方 向转 向其他 行 业（ 装饰 涂层 等） 如 。 加 工 刀 具 、 饰件 、 要 求机 械 零部 件 到 高 精 密 集成 电路 的模 具等 等 装 高 ３４ 整体 配 套 性 差 ， 用 基 础 研 究 缺 乏 整 体 配 套 性 差 、 用 基 ． 应 应 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 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 环 保 型 表 面 处理 方法 ，且 在 不 影 响 工件 原 来 的尺 寸 情 况 ，ＶＤ膜 可 Ｐ 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 ， 用 来 改 善 表 面 的 外观 ， 高 表面 的 强 度 ， 强 耐磨 性 ， 且 具 有 很 好 提 增 而 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 的导 热 ， 蚀 及 防 刮 擦 的 能 力。 防腐 虑 的。 国 内涂 层 设备 制 造 商 大 多仅 以提供 涂 层 主 机 为主 ， 种模 式 而 这 Ｐ Ｄ 技 术 出 现 于 二十 世 纪 七 十 年 代 末 ， Ｖ 由于 其 工 艺 处理 温 度 可 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 控 制 在 ５ ０Ｃ以 下 ， 因此 可 作 为最 终 处理 工 艺 用于 高速 钢 类 刀 具 的 ０ｏ 的严重脱节， 制约了技术的 良性发展 ， 使得创新无从谈起。 涂 层 。 由于 采 用 Ｐ Ｄ工 艺 可 大 幅度 提 高 高速 钢 刀 具 的 切 削 性 能 ， Ｖ 所 ３５ 涂 层 质 量 的 不 稳 定 制 约 了涂 层 技 术 的 推 广 应 用 引 进 设 备 ． 以该技 术 自八 十年 代 以来 得 到 了迅 速 推 广 ， 至八 十年 代 末 ， 业 发达 工 的高 昂价 格 ， 成 涂 层 价格 的居 高 不 下 ， 造 涂层 费 用 甚 至超 过 了刀具 价 国 家高 速 钢 复杂 刀具 的 Ｐ Ｄ涂 层 比例 已超 过 ６ ％ 。 Ｖ Ｏ 格的 ５ ％， Ｏ 此外 由于 引 进 的 渠道 不 一 ， 备 选 择 的 依据 不 同 ， 设 导致 设 ２ Ｐ Ｄ涂 层 技 术在 我 国刀 具 制 造 中 的现 状 Ｖ 备 工 艺 水平 相 差 较 大 ， 而影 响 了涂层 刀具 的 使 用效 果 ； 从 同时 又 由于 我 国 Ｐ Ｄ涂层 技术 的研发 工作 始 于八 十 年 代初 期 ，至 八 十 年代 Ｖ 涂层刀具检验标准 不齐全 ， 因此在应用 中 期研 制成 功 中 小型 空 心 阴极 离 子镀 膜 机 ， 开发 了高 速钢 刀具 ＴＮ 国产涂层 刀具的质量不稳定 ， 并 ｉ 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 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 严 有七家大型工具厂从国外引进了大型 Ｐ Ｄ涂层设备。技术及设备 的 印 象 ， 重影 响 了该 技 术 的推 广 应 用及 发 展 。 Ｖ ４ 我 国发 展 新 型 Ｐ Ｄ 涂 层技 术 应 对 措 施 Ｖ 弓进调动 了国内 Ｐ Ｄ技术的开发热潮 ，许多科研单位和各大真空设 ｌ Ｖ ４１ 加 强 该 项 目 的规 划 及 管 理 工 作 工 具 行 业 管 理 部 门应 加 强 ． 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 该 项 目的规 划及 管理 工 作 ， 明确 我 国短 、 、 中 长期 发 展 目标 ， 立 有计 确 多种 Ｐ Ｄ涂层设备。 Ｖ 但由于多数设备性能指标不高， 无法保证刀具涂 划 不 问 断发 展 的 方针 ， 通 过 “ 产 、 、 、 ” 并 官、 学 研 商 的结 合 ， 项 目在 使 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 Ｐ Ｄ刀 Ｖ 实际上八十年代中期 ， 机械工 具涂层技术作进一步深入研 究，导致近十年国内 Ｐ Ｄ刀具涂层技术 政 策上和资金上都能得到有利地支持。 Ｖ 业 部 机 床 工 具 司 为阻 止 Ｐ Ｄ涂 层 设备 进 口 事 态 的进 ～ 步 扩 大 ， 织 Ｖ 组 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 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 ＴＮ ＴＣ — ｉ ｉ— ｉＮ ＴＮ多元复合涂层工艺技术并达到实用水平， ｘ涂层技 ＣＮ 术 的研 发也 有 重大 突破 ， 与 国 际发 展水 平 相 比 ， 国 的刀 具 Ｐ Ｄ 涂 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 但 我 Ｖ 层技术仍落后十年左右。 目前国ｔ ： Ｐ Ｄ涂层技术已发展 到第 四 ＴＮ 涂层 刀具 的普 及 应 用 。 ｌ ， ｎ具 Ｖ ｉ ４２确立研究及开发新思维 刀具涂层技术集材料 、制备方法、 ． 代 ， 国 内尚处 于第 二 代水 平 ， 而 且仍 以单层 ＴＮ涂 层 为主 。 ｉ 真 空技 术 、 削 加 工技 术 于 一体 ， 具 有综 合 性 ， 具 有前 沿 性 ， 实 切 既 又 要 ３ 国 内 Ｐ Ｄ涂 层 技 术 研 究及 应 用 存在 的 问题 Ｖ 必 整体 的研 发 思 路 。从 国 内 几十 年 的 刀 ３１ 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 现 良性 发展 ， 须树 立 合 理 的 、 ． 各研 究环 节 的脱 节是 制 约 其 发展 的症 结。 发 开 术 紧 密相 关 ， 九 十 年代 不 同 ， 与 目前 的应 用 更 多地 集 中于 硬 质 合 金 可 具 涂 层 技术 的发 展 看 ， 转位 刀 片、 高速齿 轮 刀具 、 质 合金棒 式刀具 及 部 分异 型 刀具 。 用 于 的思 路 应遵 循 ：市 场调 研 一 薄 膜 性 能研 究一 制 备 方法研 究一 实 验 室 硬 应 数控机床 ， 其切 削加工速度通常高于 １ ０ ｍｉ， ０ ｍ／ ｎ 而单一的 ＴＮ薄膜 装 置 开 发一 应 用 基础 研 究一 工 业 化生 产 设 备设 计 制 造一 应 用 工 艺技 ｉ 并 已难于满足使用要求。目前国内商业应用 Ｐ Ｄ技术， Ｖ 仍以高速钢刀具 术研 究一 市 场评 定 ， 形成 循 环 。 ４３ 建立统一 的研究、 ． 开发、 服务体系、 行业标准 建立统一的研 涂 层 为 主 ， 管 市场 对 涂 层 刀具 的需 求 不 断 上升 ， 如 重 庆 地 区 的 刀 尽 例 究 、 发 、 务体 系 ， 开 服 根据 国 内外 市 场 的 需求 ， 系统 地 １ 国 际 先进 有 进 具 涂层 加 工 总额 已从 ２ ０ ０ ０年 的 １ ０ 元增 长 到 了今 年 的 １ ０ ０万 ０ ０万 元 技 术 ， 强 对 引进 技 术 的 消化 吸 收 及协 作 研 究 工 作 ， 加 并逐 步 达 到 自我 以上 ， 但应 用 领 域仍 以摩 托 车齿 轮 加 工 等 行 业 为主 ， 削 速 度 大 多低 切 最 于 ５ ｍ／ ｎ而 在 硬质 合 金 刀具 领 域 应 用较 少 ， 大 多数 高 端涂 层 刀 开 发 的水 平 ， 终 实 现参 与 国 际 市场 竞 争 。 ０ ｍｉ： 其 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 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 量， 确保涂层技术大面积 的推广应用。 出现 ， 国 内的涂 层加 工 服务 企 业面 临 更加 严峻 的竞争 局 面。 使

刀具涂层技术的研究现状和发展趋势一、本文概述刀具涂层技术作为提升刀具性能、延长刀具使用寿命的重要手段，在现代制造业中发挥着至关重要的作用。

随着科学技术的不断进步，刀具涂层技术的研究和应用也在不断深化。

本文旨在全面概述刀具涂层技术的研究现状，分析其发展趋势，为相关领域的科研工作者和从业人员提供参考和借鉴。

本文将首先介绍刀具涂层技术的基本概念、分类及其应用领域，阐述涂层技术在提高刀具硬度、耐磨性、抗腐蚀性等性能方面的优势。

随后，本文将重点分析当前刀具涂层技术的研究现状，包括涂层材料的选择、制备工艺的优化、涂层与基材的结合机制等方面。

还将探讨涂层技术在不同制造领域中的应用案例，以及在实际应用中遇到的问题和挑战。

本文将展望刀具涂层技术的发展趋势，包括新型涂层材料的研发、涂层制备技术的创新、涂层性能的优化等方面。

通过对刀具涂层技术未来发展方向的探讨，旨在为相关领域的科研工作者和从业人员提供有益的启示和思考。

二、刀具涂层技术的基础知识刀具涂层技术是一种通过物理或化学方法在刀具表面形成一层或多层薄膜的技术，旨在提高刀具的性能和寿命。

这些涂层能够显著增强刀具的硬度、耐磨性、抗热性以及化学稳定性，从而提升刀具在切削过程中的切削效率、加工精度和使用寿命。

涂层材料的选择是刀具涂层技术的关键。

目前，常用的涂层材料主要包括金属氧化物（如氧化铝、氧化钛）、金属氮化物（如氮化钛、氮化铬）、金属碳化物（如碳化钛、碳化钨）以及金刚石和类金刚石等。

这些材料具有优异的物理和化学性能，能够在刀具表面形成坚固的保护层。

涂层技术主要分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两大类。

物理气相沉积技术通过物理过程将涂层材料蒸发并沉积在刀具表面，主要包括真空蒸发、溅射、离子镀等方法。

而化学气相沉积技术则通过化学反应在刀具表面生成涂层，包括热化学气相沉积和等离子化学气相沉积等。

涂层结构的设计也是刀具涂层技术中的重要环节。

涂层结构通常由底层、中间层和顶层组成，旨在实现涂层与基体之间的良好结合、提高涂层的耐磨性和抗热性，以及优化涂层表面的性能。

涂层成分能否在涂层刀具上发挥其应有性能, 在很大程度上取决于涂层工艺的技术水平, 因为涂 层与基体的结合强度、涂层及界面组织结构、择优取 向、各单层厚度及总厚度等是决定涂层刀具性能的 重要因素, 而这些因素都与涂层工艺直接相关。各 厂家所制备的相同涂层系列的刀具, 除了刀片材料、 几何参数外, 在切削性能上的差异主要是由于所采 用的涂层工艺及控制技术不同而造成的。因此, 在 改进 CVD 工艺及控制技术方面, 还有不少问题尚待 解决。
2000 年第 34 卷 3
3
刀具涂层技术的现状与展望
成都工具研究所( 610056) 陈维喜
摘 要: 综述了国内外切削刀具涂层技术的现 状, 展望了 涂层技术 的发展 前景, 分析 了 CVD 和 PVD 工艺各 自 具备的优点和不足。指出, 开发新的涂层材料和 CVD、PVD 两种工艺相互补充, 可获得较理想的涂层效果。
材料 T iC
熔点 密度 ( ) ( g/ cm3) 3067 4 93
硬度 弹性模量 线胀系数 抗高温
( Hv) ( kN/ mm2) ( 10- 6/ K) 氧化性能
2800 470
80
一般
TiN 2950 5 40 2100 590
94
一般
TiB2 3225 4 50 3000 560
78
一般
收稿日期: 1999 年 7 月
要用于套装麻花钻及齿轮刀具的涂层处理, 估计涂 层套装麻花钻已占全磨制麻花钻总量的 50% 左右。 以江苏丹阳飞达、天工两个大型工具集团为例, 每年 麻花钻涂层费用均超过 500 万元人民币, 约有 20 台 PVD 设备供麻花钻涂层使用。国内主要齿轮刀具厂 均拥有 PVD 设备, 为本厂产品涂层 服务, 加上齿轮 制造厂自身在邻近涂层厂涂层的刀具, 齿轮刀具中 涂层刀具的比例已大于 60% 。近年来, 齿轮刀具刃 磨后进行重涂以提高切削效率的概念已逐渐被齿轮 加工业认可, 因此, 今后齿轮刀具的涂层量必将进一 步增加。

涂层刀具的应用现状及发展趋势涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。

通过涂层可以提高切削刀具抗各种磨损的能力,延长了刀具的寿命,提高了被加工零件的表面精度,也提高了切削速度和进给速度,从而提高金属切削效率。

本期话题,主要讨论刀具涂层技术的最新进展情况和发展前景。

涂层刀具的应用现状及发展趋势涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。

通过涂层提高了切削刀具抗各种磨损的能力,延长了刀具的寿命,提高了被加工零件的表面精度,也提高了切削速度和进给速度,从而提高了金属切削效率。

今天,在切削刀具主流材料的硬质合金中,涂层硬质合金刀具占了80%,而其中CVD(化学涂层)又占了60%~65%,其余为PVD(物理涂层)。

在CVD涂层方面,包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各种化合物的多层复合涂层对改善涂层的综合性能,如结合强度、韧性、耐磨性和抗磨性及耐腐蚀性具有良好的效果。

现在典型的VCDTiN(外层) + Al2O3(中层)+TiCN(内层)多层式结构正在从涂层工艺上和涂膜的厚度上得到进一步改善。

MTCVD (中温化学涂层)因有较低的工艺温度和较快的沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性η相最小化,同时减少了在高温CVD涂层中常见的由高温导致的拉伸裂纹,因此,MTCVD TiCN涂层已成为CVD多层涂层中的一个主要构成,这种MTVCD已用于α- Al2O3涂层,如ISCAR的α-IC9150、α-IC9250、α-IC9350和α-IC4100等,提升了涂层与基体的结合强度和抗后面磨损、前面磨损和抗粘附的能力。

在PVD涂层方面,也从单一的TiN或TiCN或TiAlN涂层发展到现在的复合涂层即硬涂层+软涂层。

为适应更高切削速度和干式切削的要求,涂层刀具的红硬性成为近几年PVD技术的开发热点。

TiAlN的改进涂层AlTiN提高了薄膜中Al的含量(Al含量大于50%),提升了涂层的红硬性、化学稳定性和抗氧化的性能,如ISCAR的Al-IC910(加工铸铁和钢)、Al-IC900、Al-IC930(加工钢、不锈钢、硬钢、铸铁、高温合金等)。

多尺度表面织构陶瓷刀具的制备及其切削性能研究本文提出了多尺度表面织构陶瓷刀具的设计概念和设计思路,通过对陶瓷刀具材料表面微织构和纳织构的制备工艺研究,结合固体润滑技术,成功制备出多尺度表面织构陶瓷刀具,系统研究了多尺度表面织构陶瓷刀具的摩擦磨损特性及切削性能,分析并揭示了该刀具的减摩作用机理。

分析了采用纳秒激光和飞秒激光在陶瓷刀具材料表面诱导微织构和纳织构的形成机制；同时建立了织构表面与光滑平面接触的静态模型,从理论上分析了表面织构在摩擦接触过程中的减摩机理和表面织构刀具对切削力和切削温度的影响。

分析表明,表面织构能够有效地减小实际接触面积,从而减小接触界面的摩擦,降低表面的摩擦接触温度。

表面织构刀具能够有效地降低切削过程中的切削力和切削温度。

提出了多尺度表面织构陶瓷刀具的设计概念和设计思路,研究了多尺度表面织构陶瓷刀具的制备方法和制备工艺。

通过开展纳秒激光和飞秒激光在陶瓷刀具材料表面加工微织构与纳织构的工艺试验,优化得到最佳的微织构和纳织构激光加工工艺参数。

采用纳秒激光制备微织构的最佳工艺参数为：泵浦电压为19.5 V,扫描速度为5 mm/s,重复频率为6 kHz,扫描1遍；对应的微织构宽度约为50μm,深度约为43μm。

采用飞秒激光制备纳织构的最佳的工艺参数为：能量为1.75μJ,扫描速度为500μm/s,扫描1遍；对应的纳织构周期约为750 nnm,深度约为150 nm。

采用最佳激光加工参数同时结合固体润滑技术制备出了多尺度表面织构陶瓷刀具。

通过摩擦磨损试验对微织构陶瓷刀具材料表面摩擦磨损特性进行了研究。

结果表明,干摩擦条件下,微织构试样(AT)增大了摩擦系数和摩擦温度,但减小了表面的磨粒磨损和粘结。

微织构与固体润滑技术协同作用(AT-W)能够有效地减小摩擦系数、摩擦温度和表面的磨损与粘结；与未织构表面试样(AS)相比,其摩擦系数降低了70-80%,摩擦温度降低了40-50%。

这主要是由于摩擦作用引起了微织构内部固体润滑剂转移到摩擦接触界面形成润滑膜,从而有效地减小了摩擦,降低了摩擦温度；同时,微织构能够有效地收集磨屑,减少表面的磨粒磨损和粘结。