刀具涂层的表面缺陷与高档数控机床高精度加工

　　高精度数控加工是现代机械加工的发展方向，“以车代磨”、 “以铣代磨”和“以钻代铰”已经成为现实。高精度数控机床不仅对机床提出高要求，而且也对刀具提出高要求。以往的铣削的一般加工精度为l0μm，现代高精度铣削的加工精度可以达到：普通级为5μm，高精密级从3～5μm至1～1.5μm，超精密级为0.0lμm。在高精密级铣加工中，如果要使加工精度达到2μm，则刀尖的跳动精度至少应控制在2μm以下。这就要求刀具不仅有非常高的耐磨性，而且，表面精度和表面质量也非常高。然而，目前的涂层刀具却往往存在较多的表面微观缺陷，其中最典型的是“液滴结瘤”和“微坑”，其尺寸一般都到达2µm以上。因此，刀具即使有非常高的耐磨性，其表面精度和表面质量也无法满足高档数控机床使用性能要求，制约了高档数控机床的发展和应用。 

　　刀具的加工性能决定于刀具基体材料和表面涂层。数控机床刀具，特别是用量最大的可转位数控刀片，一般都是对硬质合金基体采用物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）或等离子体辅助化学气相沉积（PCVD）等方法进行表面硬质涂层处理。然而，由于与我国硬质合金基体相配套的刀具表面处理技术相对落后，作为占全球总产量的40%左右的硬质合金生产大国，其附加值最高的切削刀片产量却只有3千余万吨，高性能高精度硬质合金刀具不得不依靠大量进口，国产不足30%，2009年进口刀具比2008年增加87%。 

　　基于等离子体的表面薄膜涂层作为一种清洁表面改性技术已经成为高档数控机床专用加工工具的通用技术，高性能涂层技术在高档数控机床技术领域发挥着越来越重要的重要，具有巨大的市场需求。2008年国际物理气相沉积（PVD）市场已到达99亿美元，预计将以11％的速度增长，2013年可达到167亿美元。 

　　因此，发达国家十分重视涂层缺陷对刀具摩擦学性能和切削加工性能的影响[1-8]。如美国Niagara Cutter公司、Kennametal公司等刀具制造商十分关注从源头上消除涂层缺陷。早期采用多弧离子镀上添加磁过滤设备，去除薄膜沉积过程中的大“液滴”。瑞典Sandvik Coromant公司为去除涂层中的微小缺陷，减小涂层中的残余应力，降低产生粘结和积屑瘤（BUE）的倾向，改善刀具的切削性能，开发了涂层刀片后处理专利技术，对刀片切削刃进行轻微抛光。在涂层缺陷分类、形成机理及其控制方面也开展了许多基础研究。瑞典学者对采用高离子密度反应离子镀方法制备的TiN和反应直流磁控溅射方法制备的WC/C涂层的表面缺陷进行了科学的分类并建立了其表面缺陷准则，为改进涂层工艺提高涂层品质发挥了重要作用[2]。 

　　我国从上世纪80年代起，一直有单位和学者研究刀具涂层技术[9-15]。中国工程院艾兴院士曾经指出“切削加工过程中刀具的摩擦与磨损是切削理论的最重要问题之一，它制约着高速切削加工技术的进一步发展和应用”[9]。2009年开始，国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项涉及到先进刀具的开发和研究。但是，我国刀具涂层技术与国际水平相比，差距仍然很大，在刀具涂层的基础理论的系统研究上投入力量不大，涂层工艺的自主研发比较薄弱，刀具涂层表面微观缺陷对刀具摩擦学性能和切削加工性能的影响问题仍然没有得到重视，在目前国内唯一涉及刀具涂层技术的国家标准[16]中也没有与涂层缺陷有任何关联，刀具涂层表面缺陷研究基本上处于空白。 

　　刀具涂层是老技术的新挑战，对于提高数控机床高精加工质量、提升国内刀具品质，摆脱对国外产品的依存，至关重要，值得深入研究。利用各种途径在保持较高生产效率的同时，合理的克服或减少刀具涂层缺陷，是未来高速高精度加工刀具涂层技术的发展方向。 

　　本文拟在总结国外学者对涂层缺陷分析研究经验的的基础上，运用现代表面分析手段对刀具涂层缺陷进行三维表征，探讨国产数控刀具涂层缺陷分类方法，结合涂层表面形貌对摩擦学性能的影响研究，探讨控制涂层缺陷的方法，为提高我国刀具涂层技术水平、改善涂层质量提供理论和技术支撑。 

1  PVD涂层制备过程中的表面缺陷及其分类 

研究发现，涂层缺陷是涂层追求硬度、耐磨性和沉积效率等性能指标的制备工艺中伴随产生的。对于高精度数控加工产生的微观尺度的表面缺陷是等离子体涂层制备过程中不可避免的。图1所示为PVD（TiN）处理的刀片典型的涂层缺陷。由图1可见，涂层缺陷主要包括：大颗粒、浅坑、浅突起、暴露的基体区域、涂层碎片和涂层过程中遗传的基体原始粗糙等。这些缺陷的尺寸部分在微米数量级，部分在亚微米尺寸。由于涂层缺陷与涂层性能是相互制约的矛盾体。涂层缺陷制约刀具的加工性能和使用寿命，但是，过分要求减少涂层缺陷也会影响涂层加工的生产效率或者对涂层设备提出过于苛刻的要求。因此，在对涂层缺陷的科学表征基础上，对涂层缺陷进行分类，按照高精度数控机床加工性能的要求来控制涂层缺陷，即：限制直接影响高精度加工的涂层缺陷，合理放宽对不影响高精度加工的涂层缺陷，是在现有涂层设备和技术基础上获得高品质刀具涂层，并满足我国高性能数控涂层刀具需求的有效途径之一。 

　　根据对我国主要涂层刀具产品的涂层缺陷分析，并结合瑞典学者[2]对由国际主流PVD设备Oerlikon Balzers Sandvik Coating AB，采用高离子密度反应离子镀方法制备的TiN和反应直流磁控溅射方法制备的WC/C涂层的表面缺陷的研究，本文提出将涂层缺陷分为：大液滴、结瘤与片状凸出、空洞或盘型坑和针孔或气泡的分类方法。 

　　大液滴（规则大尺寸凸出，图2）：是涂层制备过程中，高能离子轰击靶材获得高沉积效率工况下的典型缺陷，一般颗粒的三维尺寸比较均匀，大于1.5μm，是严重影响刀具加工精度的涂层缺陷，对刀具的重复定位精度和加工件的表面质量有影响。 

图2 大液滴涂层缺陷

结瘤与片状凸出（图3）：是由于真空室内的颗粒或者基体表面的颗粒在涂层沉积以前附着在基体表面，随着沉积存在于涂层当中，往往是较为松软的涂层缺陷，缺陷的面积尺寸往往大大的大于高度，在使用中易于剥落。

　　空洞或盘型坑（暴露基体，图4）： 涂层中存在与涂层的结合不牢的外来颗粒在高应力作用下进行自发脱落，形成空洞缺陷；基体之间存在污染，在真空室冷却时由于热应力作用而脱落形成盘形坑或暴露基体缺陷。 

图4空洞或盘型坑缺陷

　　针孔或气泡（图5）：当基体表面存在狭窄的凹坑时，涂层沉积过程中在凹坑边优先生长，逐渐形成涂层针孔缺陷，而进行表面抛光处理时，这种缺陷表面一层薄薄的涂层被磨掉，暴露出来。气泡是100-400nm微颗粒，真空室内形成片状，当他们穿过等离子体时可以得到电荷，这种离子能够到达基体表面，并且在电荷的作用下被固定在基体表面，沉积过程中形成气泡式缺陷。

2  PVD涂层表面缺陷的特征及处理 

　　从微观角度观察，PVD涂层制备过程中产生缺陷是不可避免的。Oerlikon Balzers 的PVD设备是国际主流生产型涂层设备，其涂层的表面缺陷水平也依然很高（见表1），而且，随着涂层工艺的不同，缺陷的类型、尺寸和密度也有差异。由于涂层缺陷的存在不可避免要对数控机床的高精度加工和摩擦学性能产生影响，采用合适的方法改善涂层缺陷尺寸和密度是十分重要的。英国学者早在2000年就曾经研究过原位真空抛光对TiN等涂层组织与性能的影响[6]，除了改进表面状态外，还发现高真空条件下的抛光能够获得TiN、TiAlN的XPS谱与RBS数据完全吻合，而且没有择优溅射效应。 

近年来，瑞士PLATIT公司采用V80设备对涂层基体表面进行清洗，主要步骤为超声波清洗、水冲洗和烘干等。其具体工艺参数不详，但据称可降低涂层缺陷的产生，提高涂层质量。在表面后处理技术方面，该公司推出一系列应对不同涂层的抛光剂（SmooFin powder、P1等）去除大液滴，其中采用SmooFin powder抛光剂处理后的涂层表面，其粗糙度Rz可以到达平均0.5µm数量级，加工寿命达到1000小时以上[17]。

图6 抛光处理后对涂层表面形貌的影响

3  探讨与展望 

　　研究表明：涂层缺陷对涂层刀具的摩擦学性能和切削加工性能的影响是存在的。涂层缺陷过大、过多将会使刀具的耐磨性能降低，影响切削加工精度，缩短其加工寿命。但是，涂层缺陷是涂层制备过程中不可避免的产物，较少涂层缺陷往往意味着降低生产效率。因此，科学的确定涂层缺陷的各个参数对刀具的摩擦学性能和切削加工性能的影响，即，具体什么类型的涂层缺陷对刀具的摩擦学性能和切削加工性能有什么样的影响？缺陷尺寸减小到何种尺寸，密度减少到多少时它对刀具的摩擦学性能和切削加工性能影响可以忽略不计？进而形成涂层缺陷的工业化规范，将会对现有刀具的涂层制备、后处理等工序起到重要的指导作用，并且能够大大降低刀具的制造成本。但是，这些涂层缺陷表征的方法至今还没有量化指标，还没有人进行过系统的研究。 

　　研究涂层缺陷对涂层刀具的摩擦学性能和切削加工性能的影响必须对涂层缺陷进行科学准确的表征。本文尝试对涂层缺陷进行了分类，是否能够反映我国刀具涂层的技术形状，还有待深入研究。可以肯定的是，通过三维数字化表征，能够直观准确的研究涂层的缺陷，有助于研究刀具涂层缺陷的形成机理，量化分析缺陷的大小、分布和密度等涂层缺陷对刀具摩擦学性能、切削加工性能的影响，有助于提高我国刀具涂层技术水平。 

　　常用的涂层缺陷表征手段有扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）以及白光共焦显微镜（或白光干涉显微镜）等。SEM方便快捷，其缺点是不能对涂层缺陷进行三维形貌观察，无法准确表征缺陷的深度或高度数据；原子力显微镜能够对涂层缺陷进行三维形貌观察，但是其检测范围较小，无法表征液滴等大尺度缺陷；而白光共焦显微镜（或白光干涉显微镜）等设备，检测范围大，对于刀具涂层缺陷检测有足够的精度，特别适合对刀具涂层缺陷进行三维数字化表征，但它也有缺点，不能够对存在针孔式的涂层缺陷进行量化。基于这些检测方法对于涂层缺陷的表征存在的不足，需要采取相应的改进弥补措施。 

涂层刀具后处理对刀具摩擦学性能和切削加工性能影响显著。国外大量的生产实际已经证明，对切削刃的抛光处理，将大大的延长刀具的使用寿命。而目前国内对于硬质合金刀具切削刃的后处理方面的重视程度不够，与国外的类似产品相比，存在着针对性不强、抛光效果不佳等缺点，在抛光剂的选择和使用方面也存在一定的误区，应该加强研究。 

　　近年来，随着高精度数控机床对刀具切削加工精度要求的提高，越来越多的学者已经意识到了涂层缺陷对于刀具高精度加工有着重大的影响，刀具涂层方面研究的主要方向已经由新涂层的研究转到了涂层的显微研究。但是，受限于涂层缺陷的无损检测技术以及缺陷形成机理研究模型的欠缺，这方面的研究目前还处于起步阶段，仍有许多工作要做。预计未来涂层缺陷的主要研究将集中于缺陷的形成机理研究、缺陷对刀具切削加工性能以及摩擦学性能的影响研究、涂层沉积技术和参数的优化等方面。通过加大对涂层缺陷方面的研究，并且与生产实际相结合，形成工业标准，将促进改变目前我国高档数控刀具过度依赖国外产品的局面。