很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，“納米技術(shù)”在許多行業(yè)一直是一個(gè)時(shí)髦詞匯。但是，在刀具涂層材料領(lǐng)域，納米技術(shù)又意味著什么呢？納米結(jié)構(gòu)刀具涂層的發(fā)展近況如何呢？

       定義納米尺度可能是一個(gè)不錯(cuò)的出發(fā)點(diǎn)。被普遍接受的納米尺度定義是指100納米（或更小）的尺寸數(shù)量級(jí)（1納米是1米的十億分之一）。

       然而，對(duì)于刀具涂層而言，問題并非如此簡(jiǎn)單。盡管納米涂層材料的特征尺寸的確符合100nm或更小的尺度，但人們正在利用新的涂層工藝和涂層材料為許多困難的加工生產(chǎn)切削刀具，在某些情況下，這些涂層刀具在使用壽命和加工性能上可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)刀具。

       NanoMech公司的創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Ajay Malshe博士認(rèn)為，利用納米技術(shù)來開發(fā)刀具涂層，需要具備一種與基于化學(xué)合成的觀念完全不同的思維方式，在上個(gè)世紀(jì)或更長(zhǎng)一段時(shí)間里，材料科學(xué)的發(fā)展主要是由化學(xué)合成技術(shù)推動(dòng)。

       Malshe博士表示，“我們基本上是以與利用化學(xué)方法相反的方式利用尺寸效應(yīng)。關(guān)于材料特性的傳統(tǒng)思維并不適用于納米尺度。例如，對(duì)于刀具涂層而言，它可能意味著比傳統(tǒng)材料硬度更高、強(qiáng)度更好的新材料，或者可能意味著在涂層上產(chǎn)生新的表面結(jié)構(gòu)，使其可以在加工時(shí)充當(dāng)一種微型斷屑器。”

       CBN涂層的新進(jìn)展

       作為NanoMech公司的子公司，Duralor公司已經(jīng)開發(fā)出了在刀具表面沉積CBN復(fù)合涂層的納米技術(shù)涂層工藝，并正在對(duì)其進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。2008年時(shí)，這種CBN納米復(fù)合涂層還處于初期開發(fā)階段，在隨后這兩年時(shí)間里，Duralor公司專注于CBN涂層刀具的加工應(yīng)用，并與選定的用戶——據(jù)Duralor公司總裁Bob Reed介紹，大約有十幾家——合作，對(duì)CBN涂層刀具進(jìn)行商品化。

       Reed表示，“目前，我們重點(diǎn)關(guān)注用CBN涂層刀具加工硬度達(dá)HRC54的淬硬鋼。用該涂層加工預(yù)硬鋼和粉末冶金材料的效果也非常不錯(cuò)。”Duralor公司目前主要研究CBN涂層的連續(xù)車削加工，不過，今后幾個(gè)月，該公司期望在用CBN涂層刀片和圓刀具進(jìn)行斷續(xù)切削的開發(fā)上取得進(jìn)展。

       Duralor公司與阿肯色大學(xué)的研究人員共同開發(fā)的Tufftek工藝包括兩個(gè)步驟：首先，在硬質(zhì)合金基體上靜電沉積CBN亞微米粒子；然后，利用化學(xué)氣相沉積法（CVD），使TiN、TiCN、TiC或其他傳統(tǒng)刀具涂層材料滲入CBN粒子。該技術(shù)能夠沉積相對(duì)較厚（100μm以上）的涂層，但更典型的涂層厚度為20μm以下。

       Reed表示，與采用PCBN刀尖的刀具相比，CBN涂層刀具具有更大的成本優(yōu)勢(shì)，并且，由于CBN涂層具有使刀具壽命延長(zhǎng)3－4倍的潛力，因此，與傳統(tǒng)的多層涂層刀片的加工成本相比，也頗具競(jìng)爭(zhēng)性。

       除了將CBN涂層的應(yīng)用范圍拓展到銑削和（如果可能的話）鉆削加工以外，Duralor公司的研究工作還集中在采用不同的涂層材料滲入靜電沉積的CBN粒子。該公司正在研究將CVD Al2O3作為可能的復(fù)合涂層材料，以及研究在復(fù)合涂層中加入具有潤(rùn)滑性的材料。

       Malshe博士解釋說，“采用這種方式涂層的刀具將CBN納米粒子與可為切削刃不斷提供潤(rùn)滑的潤(rùn)滑材料（如二硫化鉬）結(jié)合起來。因此，我們這種沉積工藝實(shí)際上是一種技術(shù)平臺(tái)，能以采用傳統(tǒng)的CVD或PVD工藝不可能實(shí)現(xiàn)的方式，將不同的涂層材料和涂層結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。”

       HPPD納米涂層的應(yīng)用

       另一種納米涂層新工藝是Rushford Hypersonic LLC公司開發(fā)的超音速等離子體顆粒沉積工藝（HPPD）。該公司總裁Daniel Fox解釋說，“這種沉積工藝的基本原理是，將材料分子分離為其基本形態(tài)，從而在等離子體流中產(chǎn)生反應(yīng)物。然后，通過成核過程，重新組合這些物質(zhì)，并將組合成的材料分子加速到8倍音速以上（大約6,000英里/每小時(shí)），使其沉積到基體上。”

       Fox指出，這種粒度為2－20nm的納米顆粒在高速撞擊基體時(shí)，會(huì)發(fā)生相變，并與基體形成化學(xué)結(jié)合，其結(jié)果是形成具有優(yōu)異的粘附性、高硬度、高斷裂韌性的單層薄涂層。他說，“我們的涂層通常具有高于37GPa的硬度和超過3.1MPa的斷裂韌性。而且，我們對(duì)納米粒子粒度分布的控制越精確，獲得的涂層斷裂韌性和硬度就越高。在今后6個(gè)月內(nèi)，我們預(yù)計(jì)可使涂層的斷裂韌性達(dá)到6MPa，硬度超過50－60GPa。”

       Rushford公司正在采用HPPD涂層工藝生產(chǎn)SiC涂層，同時(shí)準(zhǔn)備在這種沉積工藝中添加鈦和硼元素，從而獲得TiC、TiN、BN和BC涂層材料。

       與Duralor公司類似，Rushford公司也在與用戶合作，研究HPPD涂層刀具在實(shí)際加工中的應(yīng)用。Fox表示，“我們一直在與用戶合作，在主要用于鉆削加工的各種高速鋼基體材料上使用這種涂層，不過我們也在研究將其應(yīng)用于硬質(zhì)合金車刀片和銑刀片上。”該公司還在對(duì)HPPD涂層在提高刀具壽命和其他方面的作用進(jìn)行定量研究。

       Fox認(rèn)為，HPPD涂層刀具的主要優(yōu)勢(shì)之一，是其拓展干式切削加工范圍的能力。他說，“這種不需要冷卻液的加工能力可使切削加工在本質(zhì)上變得更綠色。目前，在環(huán)保法規(guī)嚴(yán)格的歐洲，這一點(diǎn)至關(guān)重要，而在美國(guó)，也將變得越來越重要。我們正在與用戶合作，將這種涂層與刀具幾何結(jié)構(gòu)和基體材料的優(yōu)化結(jié)合起來，以滿足干式加工的要求。”

       納米復(fù)合涂層的優(yōu)勢(shì)

       NanoMech公司和Rushford公司采用非傳統(tǒng)的涂層工藝來沉積一些相對(duì)而言非傳統(tǒng)的涂層材料。不過，將兩種或多種涂層材料組合到一起，形成具有更優(yōu)異特性的納米復(fù)合涂層材料的創(chuàng)新理念也被應(yīng)用于一些更傳統(tǒng)的刀具涂層材料。

       Platit公司就是這種復(fù)合涂層、沉積工藝和涂覆設(shè)備的主要開發(fā)企業(yè)之一。該公司開發(fā)的PVD納米復(fù)合涂層是將納米晶粒的TiN、CrN、TiAlN或AlTiN涂層與非晶SiN材料組合到一起。該涂層包括一個(gè)粘結(jié)層、一個(gè)單一材料或梯度材料的核心層，以及一個(gè)納米復(fù)合材料的頂層。該涂層體系的總厚度為2.72μm。這種納米復(fù)合涂層具有廣泛的適用性，但尤其有益于高效切削加工。

       該涂層的特點(diǎn)是將納米晶粒的TiAlN、AlCrN或AlTiCrN顆粒嵌入非晶SiN基底中。這種安排可以防止沉積時(shí)晶粒長(zhǎng)大，并使涂層硬度保持在50GPa以上。用Platit公司采用側(cè)面或中央旋轉(zhuǎn)陰極技術(shù)的PVD涂層設(shè)備沉積的刀具涂層已在銑削、鉆削、滾削以及其他類型的加工中進(jìn)行了廣泛的切削試驗(yàn)。結(jié)果證明，該涂層在鉆削加工中的應(yīng)用最為成功，原因在于增大了涂層厚度。在用直徑5.2mm的整體硬質(zhì)合金鉆頭在D-2工具鋼上鉆孔的切削試驗(yàn)中，與采用傳統(tǒng)的TiAlN、AlTiN和Al-CrN涂層的鉆頭相比，采用納米復(fù)合涂層的鉆頭刀具壽命提高了一倍以上。

       Swiss Tek涂層公司是一家采用Platit涂層設(shè)備的涂層服務(wù)商。該公司總裁Peter Bartos表示，該公司采用其Nano-Tek和Nano-Tek/Cr工藝沉積兩種納米復(fù)合涂層：用Nano-Tek工藝沉積AlTiN/Si3N4復(fù)合涂層；用Nano-Tek/Cr工藝在Si3N4基底上沉積AlCrN涂層。他解釋說，“在其中任何一種工藝中，非晶Si3N4都填充了AlTiN或AlCrN納米晶粒之間的空隙。”

       Bartos介紹說，納米復(fù)合涂層用于整體式圓刀具以及螺紋加工、銑削和車削刀片，它們?cè)谠摴就繉訕I(yè)務(wù)中所占的比例在不斷增大。他說，“該涂層的主要優(yōu)勢(shì)是非常高的硬度和優(yōu)異的耐熱性。采用傳統(tǒng)的AlTiN涂層時(shí)，在這些性能上存在相當(dāng)大的局限性，但納米復(fù)合涂層材料突破了這些障礙。”

       Bartos指出，納米復(fù)合涂層的氧化溫度——涂層在空氣中發(fā)生氧化并開始分解的溫度點(diǎn)——為1,100℃－1,200℃。這一溫度比性能最好的傳統(tǒng)PVD涂層的氧化溫度也要高得多，并且非常接近硬質(zhì)合金基體的初始燒結(jié)溫度。這種極好的耐熱性使納米復(fù)合涂層非常適合各種高效加工或高速加工。Bartos說，“我們發(fā)現(xiàn)，這種鉻基涂層的適用范圍比鈦基涂層更廣泛，它似乎更適合對(duì)淬硬鋼進(jìn)行硬銑削。”

       但是，與傳統(tǒng)涂層相比，納米復(fù)合涂層的成本要更昂貴一些。Bartos表示，“任何一種納米復(fù)合涂層的價(jià)格可能都要比傳統(tǒng)的AlTiN或TiAlN涂層高20%左右。不過，根據(jù)涂層類型的不同，涂層的成本可能只占刀具總成本的5%－15%，因此，納米復(fù)合涂層刀具與傳統(tǒng)涂層刀具在購(gòu)置成本上不會(huì)有太大的差異。”

       納米涂層刀具的前景

       多年來，刀具供應(yīng)商和涂層服務(wù)商都很清楚，與單層涂層相比，多層結(jié)構(gòu)涂層具有更好的強(qiáng)度和耐磨性。Harvey刀具公司已將這種理念應(yīng)用于小直徑立銑刀和鉆頭的納米涂層領(lǐng)域。該公司主管設(shè)計(jì)的副總裁Jeff Davis表示，“多層結(jié)構(gòu)能有效地控制裂紋的產(chǎn)生，即使產(chǎn)生了裂紋或剝落，它擴(kuò)散到整個(gè)涂層結(jié)構(gòu)的速度也要慢得多。”

       Harvey刀具公司開發(fā)的納米涂層厚度通常為1－4μm，與之相比，其傳統(tǒng)的AlTiN涂層厚度為2－5μm或更厚。Davis表示，由于納米涂層材料的晶粒尺寸更細(xì)小，因此能制備出厚度更薄、粘附性和結(jié)構(gòu)一致性更好的涂層。用納米晶粒材料沉積出的涂層還具有更高的硬度和更佳的耐熱性。Harvey刀具公司宣稱，其納米AlTiN涂層材料的硬度為45GPa，最高工作溫度為1,150℃，與之相比，其傳統(tǒng)AlTiN涂層牌號(hào)的硬度為35.5GPa，最高工作溫度為760℃。

       涂層性能的提高，使納米涂層刀具在難切削材料的加工中具有比傳統(tǒng)涂層刀具更長(zhǎng)的使用壽命。Davis表示，“或許納米涂層的最佳應(yīng)用領(lǐng)域是淬硬鋼的銑削加工——此類材料的硬度大約從HRC45開始，可以達(dá)到極高的硬度水平，傳統(tǒng)的TiN涂層刀具對(duì)它們無能為力。AlTiN涂層沿著正確的方向前進(jìn)了一大步，而納米涂層——加上正確的刀具切削刃制備、基體和幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)——使用戶能將刀具壽命從也許幾秒鐘提高到幾分鐘。”

       Davis表示，該公司下一步還將把納米涂層應(yīng)用于鉆削加工，“如果你需要加工深度超過4倍孔徑的孔，使冷卻液到達(dá)鉆尖處始終是至關(guān)重要的問題。你可以采取‘啄擊’加工或其他方式，但納米涂層可承受更高切削溫度的能力將使這種加工受益無窮。”

       盡管如此，Davis仍然對(duì)納米涂層刀具的應(yīng)用提出了一些忠告：“納米涂層與TiN涂層不同。TiN涂層可以用于任何刀具，而且都能提高其切削性能。而納米涂層屬于專用涂層，其適用范圍較窄。我們將其用于硬銑削刀具、幾種精加工刀具和一些可變螺旋槽刀具上。此外，還要再次強(qiáng)調(diào)，需要優(yōu)化的不僅僅是涂層，還需要對(duì)刃口制備、刀具基體、后角和螺旋角、芯徑等進(jìn)行綜合優(yōu)化，才能在非常困難的加工中延長(zhǎng)刀具壽命。”

       Swiss Tek涂層公司的Bartos認(rèn)為，納米涂層的應(yīng)用范圍還將進(jìn)一步擴(kuò)大?，F(xiàn)在，這些涂層已向最終開發(fā)出可在幾乎所有類型的切削加工中提高刀具壽命和生產(chǎn)效率的、神奇的通用涂層邁出了一大步。他說，“每個(gè)人都希望開發(fā)出一種‘萬應(yīng)靈藥’式的納米涂層——一種可以應(yīng)用于銑削和鉆削刀具、車削刀片、硬質(zhì)合金和高速鋼基體，并且在每種加工中都表現(xiàn)出色的涂層。當(dāng)然，目前這種涂層還不存在，但這是我們開發(fā)納米涂層技術(shù)和材料的努力方向。”