1．引言
   

    自1980年Balzers將其物理涂層工具投人市場以來，幾十年來，歐洲地區(qū)該項技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展在世界領(lǐng)域起到了舉足輕重的作用，隨著現(xiàn)代機械加工業(yè)高速加工時代的到來，世界各國也愈加注重涂層技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。歐洲刀具涂層技術(shù)自上世紀80年代中期以來得到了廣泛發(fā)展，尤其是物理涂層技術(shù)，可以說代表了當前世界最高水平。目前，歐洲物理涂層設(shè)備制造廠有十余家，涂層服務(wù)中心六十多家，主要采用陰極電弧及磁控濺射技術(shù)，在機械工業(yè)較發(fā)達國家或地區(qū)已形成了完備的服務(wù)體系。

2．歐洲刀具涂層技術(shù)最新狀況

    目前歐洲在刀具涂層領(lǐng)域較有影響的涂層設(shè)備制造及服務(wù)公司有瑞士的Balzers公司、Platit公司，德國的CemeCon公司、PVT公司、Metaplas公司（公司總部位于美國）等，現(xiàn)將這些公司的最新狀況介紹如下。

2.1 Balzers公司

    Balzers公司是目前世界上規(guī)模最大的刀具涂層公司，自上世紀70年代開始從事物理涂層技術(shù)的研發(fā)，以工具、精密零件涂層及裝飾鍍膜為主；1980年推出了熱陰極離子鍍膜機BAI830，完成了成套技術(shù)的開發(fā)工作，成功地應(yīng)用于高速鋼刀具涂層并達到了工業(yè)化生產(chǎn)水平。在20多年里的發(fā)展過程中，該公司一直堅持設(shè)備制造、成套技術(shù)轉(zhuǎn)讓及涂層服務(wù)的方針，其所開發(fā)的設(shè)備主而目前Balzers最具代表性的涂層是一種無鈦涂層，稱為G6，即AlCrN涂層。與傳統(tǒng)的TiN、TiCN、TiAlN相比，G6具有更高的紅硬性及抗氧化性能，使用溫度可達到1000℃，這種涂層工藝適合于硬質(zhì)合金及高速鋼材料涂層，用于銑削和車削加工，切削速度可達400m/min以上。據(jù)介紹該類涂層不僅適合于精加工，也可用于粗加工，從某種角度而言，其拓寬了PVD的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2 瑞士Platit涂層公司��

    瑞士Platit公司是近幾年涌現(xiàn)出來的一家較著名的刀具涂層公司，其為BCI集團的成員，隸屬于W Blosch AG公司。W Blosch成立于1947年，主要從事表殼鍍金及寶石行業(yè)；1977年開辦了PVD（物理涂層）部；1979年建立了真空沉積生產(chǎn)廠；1985年開始從事硬質(zhì)薄膜的生產(chǎn)；1987年注冊了PLATIT品牌；1992年組裝出第一臺涂層設(shè)備；2000年在PL50和PL200的基礎(chǔ)上，建立了整套的涂層系統(tǒng)，實現(xiàn)了交鑰匙工程能力；2002年通過研究納米結(jié)構(gòu)涂層，開發(fā)出了旋轉(zhuǎn)靶π80涂層設(shè)備；2003年nACoR納米結(jié)構(gòu)涂層達到工業(yè)應(yīng)用水平。

    截止到2004年，Platit公司共生產(chǎn)了約100臺涂層設(shè)備。Platit在捷克、斯洛文尼亞、美國、中國香港、西班牙、Scandinacia設(shè)有涂層加工中心，其涂層設(shè)備共五個系列：iPL50、PL200、MO200、PL1000及π80，應(yīng)用領(lǐng)域主要涉及刀具、模具及耐磨零部件。

    Platit主要采用矩形大面積平面靶陰極電弧涂層技術(shù)，該技術(shù)起源于上世紀90年代中期，使每一陰極靶材完全覆蓋有效涂層區(qū)域，最大靶材高度可達800mm，由于成功地解決了電弧的控制技術(shù)，與同類技術(shù)相比其真空爐內(nèi)涂層均勻性得以大幅度提高，通常爐內(nèi)不均勻性可控制在10%以內(nèi)，絕對偏差小于0.5μm。

    該公司2002年所開發(fā)的π80涂層設(shè)備具有獨特的創(chuàng)新性。π80設(shè)備與傳統(tǒng)的涂層設(shè)備有較大的區(qū)別，首先引入了納米結(jié)構(gòu)薄膜概念，以（nc-Ti1-xAlxN）/（αSi3N4）納米復(fù)合相結(jié)構(gòu)薄膜為例，在強等離子體作用下，納米TiAlN晶體被鑲嵌在非晶態(tài)的Si3N4體內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)使薄膜硬度可達到50GPa，且高溫硬度更是十分突出，當溫度達到1200℃時，其硬度值仍可保持在30GPa；其二，在工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備中雖然仍采用了陰極電弧技術(shù)，但蒸發(fā)源已由原來的平面形式變換成可轉(zhuǎn)動的圓柱形靶，由此帶來的好處可能是多方面的，例如可以自動清潔、靶材利用率高、涂層表面粗糙度可達到Ra0.02～0.03μm（通常涂層為Ra0.1μm左右），π80與其它傳統(tǒng)的涂層設(shè)備相同可進行TiN、TiAlN、AlTiN、nACo、TiCN-Mp、TiAlCN、CrN、ZrN、DLC等涂層。
2.3 CemeCon涂層公司

    CemeCon是一家專門從事涂層技術(shù)開發(fā)及涂層服務(wù)的公司，創(chuàng)建于1986年，1988年開發(fā)制造了第一臺CC800 PVD專用涂層設(shè)備，并在德國、美國、丹麥及中國設(shè)立有涂層加工服務(wù)中心。公司目前生產(chǎn)的PVD涂層設(shè)備主要有三種，分別為SX、ML、XL，到目前為止設(shè)備銷售約90臺左右。

    CemeCon公司采用的是磁控濺射離子鍍技術(shù)，該項技術(shù)兼有空心陰極離子鍍和陰極電弧離子鍍的優(yōu)點，涂層組織致密，同時也選擇了大面積矩形靶材技術(shù)，從而進一步保證了涂層的均勻性；該技術(shù)可涂鍍多種單層、多層或復(fù)合薄膜，如TiN、TiC、TiCN、ZrN、CrN、WC/C、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CBN、AlO等。CemeCon公司所開發(fā)的H.I.S磁控濺射技術(shù)，成功地解決了磁控濺射離子鍍技術(shù)在實際應(yīng)用中許多關(guān)鍵性技術(shù)難題，諸如離化率、離子能量的提高等，并在刀具涂層方面達到了工業(yè)化生產(chǎn)水平。從我們了解的情況分析，該涂層技術(shù)具有薄膜組織致密、涂層均勻、產(chǎn)品一致性好的特點，尤其適合于可轉(zhuǎn)位刀片及中小尺寸刀具的涂層加工。

    CemeCon公司最新的工藝技術(shù)為H.I.P技術(shù)，基于雙極脈沖原理，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了SUPERTIN涂層，一種致密立方晶格超級氮化物，該涂層在中等切削條件下加工不銹鋼或有色金屬，與傳統(tǒng)的氮化鈦相比具有明顯的優(yōu)勢；而TINALOX則是利用該技術(shù)開發(fā)的一種高速加工用硬質(zhì)薄膜，其除具有較高的表面硬度外，還具有良好的抗高溫性能，使用溫度也可達到1000℃，可用于鑄鐵、不銹鋼及高溫合金的切削加工。也正是由于H.I.P技術(shù)的開發(fā)成功使得AlOX涂層成為可能，這種非導(dǎo)體的薄膜材料具有優(yōu)異的高溫性能，如何通過PVD的方法實現(xiàn)氧化鋁鍍膜，一直是業(yè)界所關(guān)心的問題，而H.I.P技術(shù)為這一問題的解決提供了可能的方案。該公司新近開發(fā)的Al2O3薄膜涂層，涂層溫度低于450℃，與以往的概念不同，其HIP的AlOx涂層建立在HIS的TiAlN薄膜基礎(chǔ)上，并在鑄鐵和高性能合金材料試驗中取得了滿意結(jié)果，使得PVD AlO涂層成為現(xiàn)實，也為物理涂層技術(shù)向半精加工或粗加工方面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，同時也確立了PVD今后的一個發(fā)展方向。

    此外，該公司提出了潤滑薄膜涂層的概念，在薄膜TiAlBN結(jié)構(gòu)中，通過硼含量的變化，適應(yīng)切削條件的變化，在加工過程中產(chǎn)生所謂“insitu”現(xiàn)象，即通過硼向表面的擴散，形成BN、B2N3，從而得到有利于切削加工的潤滑膜層。

    此外，CemeCon另一頗具特色的技術(shù)是CVD金剛石涂層技術(shù)。2000年建立CCDia生產(chǎn)線，使金剛石涂層技術(shù)達到工業(yè)化生產(chǎn)水平，其技術(shù)含量高，可以批量生產(chǎn)金剛石透明薄膜。

2.4 PVT涂層公司��

    PVT涂層公司也是上世紀80年代中期崛起的一家專業(yè)刀具涂層企業(yè)，可進行各種刀具、模具涂層加工。PVT公司以涂層設(shè)備銷售為主，現(xiàn)在主要開發(fā)的涂層設(shè)備有4種：S2、M2、L3、L4，近幾年銷售設(shè)備約20臺左右。

    該公司也是采用大面積矩形陰極電弧蒸發(fā)技術(shù)，與Platit涂層技術(shù)相近，主要進行TiN、TiCN、AlTiN、ZrN、CrN涂層。該公司在等離子刻蝕、清洗工藝開發(fā)方面極具特色，并且注重薄膜與基體結(jié)合結(jié)構(gòu)的研究，涂層結(jié)合強度較為理想；此外公司也十分看重生產(chǎn)效率的提高，在大幅度提高抽氣速率的同時，由通過強制冷方式縮短了冷卻周期，從而提高了生產(chǎn)效率；通過附加PLC潤滑膜技術(shù)進一步降低了薄膜表面的摩擦系數(shù)。

    PVT的涂層技術(shù)和設(shè)備在中國、美國、歐洲、日本等世界范圍內(nèi)獲得了多項專利技術(shù)，其專利技術(shù)包括了新型電弧蒸發(fā)源、電弧等離子導(dǎo)電裝置、基體處理技術(shù)和裝置等。其動態(tài)電磁控制蒸發(fā)器對電弧進行優(yōu)化控制，使靶材各個部分能得到同等強度的電弧，均勻蒸發(fā)和離子化，靶材離子化率高達85%以上，很好地解決了顆�；颉耙旱巍眴栴}，涂層微結(jié)構(gòu)非常細密，涂層表面光亮。對基體獨特的刻蝕清洗技術(shù)使得涂層被沉積到工件之前得到完全徹底的清洗，使得涂層與基體的結(jié)合力達到理想的指標。采用新的刻蝕技術(shù)后，薄膜與基體的分界不再明顯，薄膜已與基體溶為一體。

    此外，在不額外增加成本、不額外增加涂層生產(chǎn)時間的情況下，PVD還可以進行獨特的PLC（polymer like carbon——類高分子聚合物）冶金潤滑膜層沉積，進一步降低涂層表面的摩擦系數(shù)。例如在AlTiN涂層上再加上PLC涂層之后，針對不同的用途，可提高涂層刀具的使用壽命。

2.5 Metaplas Ionon公司��

    該公司成立于1984年，1987年在德國Bevgisch Gladbach建立獨立的涂層中心，主要以MAXIT耐磨涂層為主。1991年被Balche Durr AG公司購買，成立了Babcock Borsig AG公司，1992年開始生產(chǎn)制造設(shè)備，并擴大了涂層服務(wù)，1997年兼并了Klocknev Ionon GmbH公司，業(yè)務(wù)范圍擴展到等離子滲氮領(lǐng)域，即IONIT R耐磨保護，1997年獲得IONIT OX R專利，1999年注冊了METALEUROP Coating Technology GmbH，并擴展到裝飾涂層領(lǐng)域。2001年該公司被瑞士Sulzer公司收購，2002年擴大了Bergisch Gladbach的IONIT和IONIT OX的生產(chǎn)規(guī)模，成為最大的工業(yè)等離子表面處理制造商。2003年兼并了美國前DB薄膜公司，開始從事MAXIT、IONIT、IONITOX生產(chǎn)服務(wù)。

    Metaplas Ionon的MAXIT PVD涂層標準系統(tǒng)有6種，規(guī)格從MZR303、MZR323、MZR333、MZR343、MZR373到MZR393，其硬涂層蒸發(fā)器為圓形陰極弧靶，最多可達24個；軟涂層為矩形蒸發(fā)器，以濺射方式進行涂鍍，工件采用外部加熱方式�？蛇M行TiN、TiCN、AlTiN、ZrN、CrN硬涂層及W-C∶H軟涂層。

    Metaplas公司盡管沿用了小面積陰極弧靶技術(shù)，但其AEGD（Arc Enhanced Glow Discharge）專利技術(shù)的應(yīng)用，使得這項傳統(tǒng)技術(shù)在工藝上有了極大突破。以氮鋁鈦涂層為例，其所開發(fā)的AlTiN-saturn涂層與傳統(tǒng)的涂層有著明顯的區(qū)別。這種薄膜組織細密，呈非柱狀晶結(jié)構(gòu)，表面幾乎無“液滴”現(xiàn)象出現(xiàn)，Ra值可小于0.15μm，其使用溫度高于900℃，適合于高速、干式切削加工。此外在對涂層刀具表面潤滑性要求高的應(yīng)用場合，如鉆削、螺紋加工等，可在同一設(shè)備上利用磁控濺射技術(shù)，涂覆一層W-C∶H膜，以提高其使用性能。��

    Metaplas公司另一顯著特點是涂層設(shè)備的大型化，其24靶涂層設(shè)備可涂鍍長度達4m的拉刀或類似零部件，并以達到工業(yè)化應(yīng)用水平。

    Metaplas主要以涂層加工服務(wù)為主，涉及刀具、模具及耐磨零件等，包括滾刀、旋轉(zhuǎn)類刀具、合金刀片、拉刀、絲桿及壓輥、塑料推料蝸桿等，目前也開始從事PVD設(shè)備銷售，最近3年已銷售設(shè)備11臺套。

3．當前PVD刀具涂層技術(shù)發(fā)展特點

    從上述分析可以看出，在工業(yè)發(fā)達國家人們對涂層技術(shù)的發(fā)展愈來愈重視，物理涂層技術(shù)更是倍受青睞，應(yīng)該肯定的是近幾年來PVD正處于高速發(fā)展階段，究其原因可歸納為以下幾方面：高速切削加工時代的到來為其發(fā)展帶來了良好的契機；復(fù)合型材料不僅可大幅度提高資源的利用率，并且可使部件的功能有極大的拓展，因此也更為人們所接受；此外隨著人們對環(huán)境保護意識的增強，更為該項技術(shù)的發(fā)展拓寬了應(yīng)用空間。��

    物理涂層經(jīng)過30多年的發(fā)展，已成為工具制造業(yè)的一項關(guān)鍵技術(shù)，目前正處在蓬勃發(fā)展期，其發(fā)展速度超越了人們的想象，發(fā)展空間也出乎人們的意料。隨著材料科學(xué)技術(shù)的進展，涂層技術(shù)也由單層薄膜發(fā)展到多層、梯度、納米及納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜涂層，這些高新技術(shù)為機械制造業(yè)的發(fā)展起到了良好推動作用的同時，也使人們對其未來的發(fā)展充滿了美好的憧憬。


近年來物理涂層技術(shù)的發(fā)展主要有如下特點：

(1)薄膜的多元化及服務(wù)的個性化��

    進入21世紀的PVD技術(shù)與上世紀90年代相比，已發(fā)生了極大變化，從單一的TiN、TiCN、TiAlN發(fā)展到現(xiàn)在的幾十種涂層牌號，針對不同的切削加工應(yīng)用條件，可對薄膜成分、結(jié)構(gòu)進行選擇，通過恰當?shù)墓に囀侄�，獲取滿意地切削效果。例如在齒輪加工中，除了對涂層刀具的使用壽命有嚴格要求外，如何保證齒輪的精度及表面質(zhì)量同樣至關(guān)重要，因此目前普遍采用的是復(fù)合膜層，即硬涂層+軟涂層，當然對于不同的涂層公司而言，實現(xiàn)此目的的工藝方法不盡相同；而在高速銑削加工中，往往只采用硬質(zhì)涂層。此外個性化服務(wù)的理念初步形成，例如Platit公司的涂層設(shè)備采用了開放式工作模式，可針對不同的用戶隨時開發(fā)更適合的涂層工藝。

 

(2)高速及干式切削涂層技術(shù)的開發(fā)��

    在高速加工或干式切削過程中，溫度成為影響涂層刀具使用壽命的主要原因，因此提高薄膜的高溫性能、保證涂層刀具的紅硬性成為近幾年P(guān)VD技術(shù)的開發(fā)熱點。改進氮鋁鈦涂層，提高薄膜中Al的含量是有效方法之一，因此出現(xiàn)了所謂的AlTiN涂層（Al含量大于50%），應(yīng)該說隨著Al含量的增加（在一定范圍內(nèi)），薄膜的綜合性能有所提高，但仍有一些關(guān)鍵技術(shù)有待解決：比如如何在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)這種涂層，尤其當Al含量超過65%時；在這種涂層中如何控制AlN的晶體結(jié)構(gòu)等。從最新的發(fā)展來看，各涂層公司已通過其它的薄膜技術(shù)解決了高速、高溫切削加工問題，如Balzers的AlCrN涂層、Platit的（nc-Ti1-xAlxN）/（αSi3N4）涂層、CemeCon的TINALOX涂層、Metaplas的AlTiN-saturn涂層都具有優(yōu)異的高溫性能，并已成功應(yīng)用于高速、干式切削加工領(lǐng)域。

(3)涂層薄膜組織結(jié)構(gòu)的改善��

    目前在PVD市場中，陰極電弧離子鍍技術(shù)仍占主導(dǎo)地位，但與先前不同，無論哪一個采用陰極電弧離子鍍技術(shù)的公司，都試圖通過硬件的開發(fā)及工藝的調(diào)整來改善涂層薄膜的組織結(jié)構(gòu)，避免“液滴”和柱狀晶的產(chǎn)生。尤其是隨著納米概念的出現(xiàn)，致使陰極電弧薄膜涂層組織發(fā)生了根本的改善，采用該技術(shù)得到的涂層表面Ra值已小于0.15μm，因此使得陰極電弧涂層的綜合性能得以提高，并為市場所接受。��

(4)PVD涂層領(lǐng)域的新概念��

    眾所周知，與PVD技術(shù)相對應(yīng)的是CVD技術(shù)，該項技術(shù)結(jié)合強度高、膜層厚，并且可以涂覆α-Al2O3涂層，因此更適合于中型、重型切削的高速、干式粗加工及半精加工領(lǐng)域。如何利用PVD技術(shù)，開發(fā)出Al2O3涂層工藝，實現(xiàn)厚膜涂層，將PVD涂層技術(shù)擴展到粗加工及半精加工領(lǐng)域，這一直是該行業(yè)亟待解決的難題。而CemeCon公司在該領(lǐng)域的研究已取得了突破性的進展，也預(yù)示著PVD技術(shù)新時代的到來。��

    另一具有里程碑意義的是納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，其數(shù)學(xué)模型由德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)S Veprek教授提出，并在實驗室條件下得到驗證。此后S Veprek教授與SHM及Platit公司合作，在其實驗室研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)出獨具特色的柱形、旋轉(zhuǎn)式陰極電弧靶，其π系列的涂層設(shè)備也正在逐步達到工業(yè)化生產(chǎn)水平。從理論上講，這種涂層既具有十分高的顯微硬度，又具有良好的表面質(zhì)量，完全適合高速、高精度的切削加工。

4．結(jié)語��

    目前歐洲的PVD涂層技術(shù)對我國的市場影響極大，與上世紀80年代不同，這些世界水平的涂層公司已將最先進的技術(shù)、最好的服務(wù)模式搬到了中國。Balzers在中國開辦了涂層加工中心，并建立了In house服務(wù)模式；PVT也是如此；而CemeCon公司則是在中國建立了其最大的海外合資公司，專門從事PVD涂層業(yè)務(wù)服務(wù)。國外同行對國內(nèi)工具涂層市場的預(yù)期，使我們不得不重新審視該項技術(shù)的發(fā)展。歐洲刀具涂層技術(shù)起步與我國相仿，基本上是在80年代中期，也多由中小企業(yè)發(fā)展而來，可以說目前已發(fā)展到了第5代技術(shù)水平；而國內(nèi)還仍在第2代技術(shù)水平上下，其原因是歐洲各涂層公司堅持自己特色，追求穩(wěn)步發(fā)展，緊隨市場需求，建立多方聯(lián)合開發(fā)體系，不斷推出新技術(shù)、新產(chǎn)品，逐步滿足市場的需要。

    目前國內(nèi)的涂層研究又成為熱門話題，大專院校的理論分析研究基本與國外同行接軌，但如何指導(dǎo)工業(yè)化生產(chǎn)及進一步進行新理論的研究，應(yīng)引起各層人士的思考及重視。��

    筆者認為，結(jié)合當前涂層技術(shù)日趨重要的地位和廣泛的市場需求，在吸取先進技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展自我知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)化涂層應(yīng)用技術(shù)，仍具有極大的現(xiàn)實意義。從現(xiàn)在涂層技術(shù)的發(fā)展來看，該項技術(shù)仍處于發(fā)展過程的中期，隨著市場需求的變化，其進一步的發(fā)展空間依然巨大，因此即便現(xiàn)在加強該領(lǐng)域的研究開發(fā)工作也為時不晚。參照歐洲企業(yè)的發(fā)展模式，院校與企業(yè)的有機結(jié)合將是其健康發(fā)展的重要途徑之一。