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，歐洲地區該項技術的應用及發展在世界領域起到了舉足輕重的作用，隨著現代機械加工業高速加工時代的到來，世界各國也愈加注重涂層技術的應用與發展。歐洲刀具涂層技術自上世紀80年代中期以來得到了廣泛發展，尤其是物理涂層技術，可以說代表了當前世界*高水平。目前，歐洲物理涂層設備制造廠有十余家，涂層服務中心六十多家，主要采用陰極電弧及磁控濺射技術，在機械工業較發達國家或地區已形成了完備的服務體系。
2．歐洲刀具涂層技術*新狀況
目前歐洲在刀具涂層領域較有影響的涂層設備制造及服務公司有瑞士的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，現將這些公司的*新狀況介紹如下。
2.1 Balzers公司
Balzers公司是目前世界上規模*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的研發，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，完成了成套技術的開發工作，成功地應用于高速鋼刀具涂層并達到了工業化生產水平。在20多年里的發展過程中，該公司一直堅持設備制造、成套技術轉讓及涂層服務的方針，其所開發的設備主要有BAI830、BAI830C、BAI730D、BAIl200、RCS，包含了CVD技術和PVD技術兩類，而目前PVD主要采用BAIl200、RCS設備，該類設備以陰極電弧技術為主，也可附加磁控濺射靶進行WC/C膜的涂層。到目前為止，Balzers公司在全球已開辦了57家涂層服務中心，其涂層設備超過400臺。
BAIl200、RCS采用了圓形平面陰極靶技術和輻射加熱技術，可進行快速鍍膜生產，該公司更注重新型涂層薄膜材料的開發，目前在該類設備中可進行BALINIT A，BALINIT B，BALINIT D，BALINIT FUTURA NANO，BALINIT X.TREME，BALINIT HARDLUBE，BALINIT X.CEED等薄膜涂層，目前其比較具有代表性的涂層為FUTURA NANO和X.CEED。FUTURA NANO是一種納米多層結構TiAIN薄膜，據稱*新的技術可達到上百層，這種涂層適合于高速鋼及硬質合金材料，用于鉆削、車削或干式切削的高速加工；而X.CEED則是一種單層的TiA1N，與傳統的涂層不同，這種只用于硬質合金刀具的涂層工藝，可使刀具具有優異的紅硬性、抗氧化性，即使在惡劣的加工條件下，其薄膜與基體仍具有良好的結合強度，因此可適應于斷續切削加工方式，該類涂層可用于加工鈦合金、銦鉻鎳合金等材料的加工，被加工材料硬度可達到52HRC。
而目前Balzers*具代表性的涂層是一種無鈦涂層，稱為G6，即AlCrN涂層。與傳統的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的應用領域。
2.2 瑞士Platit涂層公司
瑞士Platit公司是近幾年涌現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；1977年開辦了PVD（物理涂層）部；1979年建立了真空沉積生產廠；1985年開始從事硬質薄膜的生產；1987年注冊了PLATIT品牌；1992年組裝出*臺涂層設備；2000年在PL50和PL200的基礎上，建立了整套的涂層系統，實現了交鑰匙工程能力；2002年通過研究納米結構涂層，開發出了旋轉靶π80涂層設備；2003年nACoR納米結構涂層達到工業應用水平。
截止到2004年，Platit公司共生產了約100臺涂層設備。Platit在捷克、斯洛文尼亞、美國、中國香港、西班牙、Scandinacia設有涂層加工中心，其涂層設備共五個系列：iPL50、PL200、MO200、PL1000及π80，應用領域主要涉及刀具、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，該技術起源于上世紀90年代中期，使每一陰極靶材完全覆蓋有效涂層區域，*大靶材高度可達800mm，由于成功地解決了電弧的控制技術，與同類技術相比其真空爐內涂層均勻性得以大幅度提高，通常爐內不均勻性可控制在10%以內，*偏差小于0.5μm。
該公司2002年所開發的π80涂層設備具有獨特的創新性。π80設備與傳統的涂層設備有較大的區別，首先引入了納米結構薄膜概念，以（nc-Ti1-xAlxN）/（αSi3N4）納米復合相結構薄膜為例，在強等離子體作用下，納米TiAlN晶體被鑲嵌在非晶態的Si3N4體內，這種結構使薄膜硬度可達到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，在工業化生產設備中雖然仍采用了陰極電弧技術，但蒸發源已由原來的平面形式變換成可轉動的圓柱形靶，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與其它傳統的涂層設備相同可進行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開發及涂層服務的公司，創建于1986年，1988年開發制造了*臺CC800 PVD專用涂層設備，并在德國、美國、丹麥及中國設立有涂層加工服務中心。公司目前生產的PVD涂層設備主要有三種，分別為SX、ML、XL，到目前為止設備銷售約90臺左右。
CemeCon公司采用的是磁控濺射離子鍍技術，該項技術兼有空心陰極離子鍍和陰極電弧離子鍍的優點，涂層組織致密，同時也選擇了大面積矩形靶材技術，從而進一步保證了涂層的均勻性；該技術可涂鍍多種單層、多層或復合薄膜，如TiN、TiC、TiCN、ZrN、CrN、WC/C、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CBN、AlO等。CemeCon公司所開發的H.I.S磁控濺射技術，成功地解決了磁控濺射離子鍍技術在實際應用中許多關鍵性技術難題，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化生產水平。從我們了解的情況分析，該涂層技術具有薄膜組織致密、涂層均勻、產品一致性好的特點，尤其適合于可轉位刀片及中小尺寸刀具的涂層加工。
CemeCon公司*新的工藝技術為H.I.P技術，基于雙極脈沖原理，在此基礎上開發了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，與傳統的氮化鈦相比具有明顯的優勢；而TINALOX則是利用該技術開發的一種高速加工用硬質薄膜，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技術的開發成功使得AlOX涂層成為可能，這種非導體的薄膜材料具有優異的高溫性能，如何通過PVD的方法實現氧化鋁鍍膜，一直是業界所關心的問題，而H.I.P技術為這一問題的解決提供了可能的方案。該公司新近開發的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薄膜基礎上，并在鑄鐵和高性能合金材料試驗中取得了滿意結果，使得PVD AlO涂層成為現實，也為物理涂層技術向半精加工或粗加工方面發展奠定了基礎，同時也確立了PVD今后的一個發展方向。
此外，該公司提出了潤滑薄膜涂層的概念，在薄膜TiAlBN結構中，通過硼含量的變化，適應切削條件的變化，在加工過程中產生所謂“insitu”現象，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是CVD金剛石涂層技術。2000年建立CCDia生產線，使金剛石涂層技術達到工業化生產水平，其技術含量高，可以批量生產金剛石透明薄膜。
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刀具涂層企業，可進行各種刀具、模具涂層加工。PVT公司以涂層設備銷售為主，現在主要開發的涂層設備有4種：S2、M2、L3、L4，近幾年銷售設備約20臺左右。
該公司也是采用大面積矩形陰極電弧蒸發技術，與Platit涂層技術相近，主要進行TiN、TiCN、AlTiN、ZrN、CrN涂層。該公司在等離子刻蝕、清洗工藝開發方面*特色，并且注重薄膜與基體結合結構的研究，涂層結合強度較為理想；此外公司也十分看重生產效率的提高，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，從而提高了生產效率；通過附加PLC潤滑膜技術進一步降低了薄膜表面的摩擦系數。
PVT的涂層技術和設備在中國、美國、歐洲、日本等世界范圍內獲得了多項專利技術，其專利技術包括了新型電弧蒸發源、電弧等離子導電裝置、基體處理技術和裝置等。其動態電磁控制蒸發器對電弧進行優化控制，使靶材各個部分能得到同等強度的電弧，均勻蒸發和離子化，靶材離子化率高達85%以上，很好地解決了顆粒或“液滴”問題，涂層微結構非常細密，涂層表面光亮。對基體獨特的刻蝕清洗技術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合力達到理想的指標。采用新的刻蝕技術后，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。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年開始生產制造設備，并擴大了涂層服務，1997年兼并了Klocknev Ionon GmbH公司，業務范圍擴展到等離子滲氮領域，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的生產規模，成為*大的工業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生產服務。
Metaplas Ionon的MAXIT PVD涂層標準系統有6種，規格從MZR303、MZR323、MZR333、MZR343、MZR373到MZR393，其硬涂層蒸發器為圓形陰極弧靶，*多可達24個；軟涂層為矩形蒸發器，以濺射方式進行涂鍍，工件采用外部加熱方式。可進行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，但其AEGD（Arc Enhanced Glow Discharge）專利技術的應用，使得這項傳統技術在工藝上有了極大突破。以氮鋁鈦涂層為例，其所開發的AlTiN-saturn涂層與傳統的涂層有著明顯的區別。這種薄膜組織細密，呈非柱狀晶結構，表面幾乎無“液滴”現象出現，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用場合，如鉆削、螺紋加工等，可在同一設備上利用磁控濺射技術，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備的大型化，其24靶涂層設備可涂鍍長度達4m的拉刀或類似零部件，并以達到工業化應用水平。
Metaplas主要以涂層加工服務為主，涉及刀具、模具及耐磨零件等，包括滾刀、旋轉類刀具、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設備銷售，*近3年已銷售設備11臺套。
3．當前PVD刀具涂層技術發展特點
從上述分析可以看出，在工業發達國家人們對涂層技術的發展愈來愈重視，物理涂層技術更是倍受青睞，應該肯定的是近幾年來PVD正處于高速發展階段，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展帶來了良好的契機；復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；此外隨著人們對環境保護意識的增強，更為該項技術的發展拓寬了應用空間。
物理涂層經過30多年的發展，已成為工具制造業的一項關鍵技術，目前正處在蓬勃發展期，其發展速度超越了人們的想象，發展空間也出乎人們的意料。隨著材料科學技術的進展，涂層技術也由單層薄膜發展到多層、梯度、納米及納米復合結構薄膜涂層，這些高新技術為機械制造業的發展起到了良好推動作用的同時，也使人們對其未來的發展充滿了美好的憧憬。
近年來物理涂層技術的發展主要有如下特點：
(1)薄膜的多元化及服務的個性化
進入21世紀的PVD技術與上世紀90年代相比，已發生了極大變化，從單一的TiN、TiCN、TiAlN發展到現在的幾十種涂層牌號，針對不同的切削加工應用條件，可對薄膜成分、結構進行選擇，通過恰當的工藝手段，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量同樣至關重要，因此目前普遍采用的是復合膜層，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，往往只采用硬質涂層。此外個性化服務的理念初步形成，例如Platit公司的涂層設備采用了開放式工作模式，可針對不同的用戶隨時開發更適合的涂層工藝。
(2)高速及干式切削涂層技術的開發
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PVD技術的開發熱點。改進氮鋁鈦涂層，提高薄膜中Al的含量是有效方法之一，因此出現了所謂的AlTiN涂層（Al含量大于50%），應該說隨著Al含量的增加（在一定范圍內），薄膜的綜合性能有所提高，但仍有一些關鍵技術有待解決：比如如何在生產過程中實現這種涂層，尤其當Al含量超過65%時；在這種涂層中如何控制AlN的晶體結構等。從*新的發展來看，各涂層公司已通過其它的薄膜技術解決了高速、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涂層都具有優異的高溫性能，并已成功應用于高速、干式切削加工領域。
(3)涂層薄膜組織結構的改善
目前在PVD市場中，陰極電弧離子鍍技術仍占主導地位，但與先前不同，無論哪一個采用陰極電弧離子鍍技術的公司，都試圖通過硬件的開發及工藝的調整來改善涂層薄膜的組織結構，避免“液滴”和柱狀晶的產生。尤其是隨著納米概念的出現，致使陰極電弧薄膜涂層組織發生了根本的改善，采用該技術得到的涂層表面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涂層領域的新概念
眾所周知，與PVD技術相對應的是CVD技術，該項技術結合強度高、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域。如何利用PVD技術，開發出Al2O3涂層工藝，實現厚膜涂層，將PVD涂層技術擴展到粗加工及半精加工領域，這一直是該行業亟待解決的難題。而CemeCon公司在該領域的研究已取得了突破性的進展，也預示著PVD技術新時代的到來。
另一具有里程碑意義的是納米復合結構涂層，其數學模型由德國慕尼黑工業大學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上，開發出獨具特色的柱形、旋轉式陰極電弧靶，其π系列的涂層設備也正在逐步達到工業化生產水平。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量，完全適合高速、高精度的切削加工。
4．結語
目前歐洲的PVD涂層技術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*先進的技術、*好的服務模式搬到了中國。Balzers在中國開辦了涂層加工中心，并建立了In house服務模式；PVT也是如此；而CemeCon公司則是在中國建立了其*大的海外合資公司，專門從事PVD涂層業務服務。
國外同行對國內工具涂層市場的預期，使我們不得不重新審視該項技術的發展。歐洲刀具涂層技術起步與我國相仿，基本上是在80年代中期，也多由中小企業發展而來，可以說目前已發展到了第5代技術水平；而國內還仍在第2代技術水平上下，其原因是歐洲各涂層公司堅持自己特色，追求穩步發展，緊隨市場需求，建立多方聯合開發體系，不斷推出新技術、新產品，逐步滿足市場的需要。
目前國內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，但如何指導工業化生產及進一步進行新理論的研究，應引起各層人士的思考及重視。
筆者認為，結合當前涂層技術日趨重要的地位和廣泛的市場需求，在吸取先進技術的基礎上發展自我知識產權的工業化涂層應用技術，仍具有極大的現實意義。從現在涂層技術的發展來看，該項技術仍處于發展過程的中期，隨著市場需求的變化，其進一步的發展空間依然巨大，因此即便現在加強該領域的研究開發工作也為時不晚。參照歐洲企業的發展模式，院校與企業的有機結合將是其健康發展的重要途徑之一。
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