1引言
硬質膜塗層能減少刀具與工件間的摩擦，降低刀具切 削過程中的磨損，顯著提高刀具的使用壽命，因此被廣泛地應用於刀具塗層。在傳統塗層的製備中，化學氣相沉積CVD和物理氣相沉積PVD(蒸鍍、濺射、離子 鍍)仍是刀具塗層製備的主要技術。採用CVD技術可在硬質合金可轉位刀具表面實現TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元 多層複合塗層的沉積；採用PVD塗層技術可在硬質合金立銑刀、鑽頭、階梯鑽、油孔鑽、鉸刀、絲錐、可轉位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等表面製備多種塗層。 隨著各類高效、高速、高精度數控機床及加工中心的應用、普及以及綠色製造理念的提出，為了滿足各種高硬度、高韌性的難切削加工材料的加工需要，干切削技術 越來越受到人們重視，同時也對刀具塗層技術及塗層材料提出了更高要求。納米薄膜順應了干切削條件下對刀具的新要求，因此納米薄膜及其在干切削刀具中的應用 成為目前刀具塗層製備及表面工程技術領域的研究熱點。
2納米薄膜技術的研究及發展
隨著納米材料的出現，納米薄膜(塗 層)技術也得到相應的發展。時至今日，已從單一材料的納米薄膜轉向納米複合薄膜的研究，薄膜的厚度也由數微米發展到數納米的超薄膜。目前已經製備的薄膜有 Ti(N，C，CN)、(V，Al，Nb)N、Al2O3、SiC及Cu、Ni、Al、Ag、Au、金剛石等。其中TiN、Al2O3、TiC是較典型的 超硬膜，其顯微硬度分別為HV1950、HV3000和HV3200，抗磨順序是TiC>TiCN>TiN>Al2O3。這些薄膜在刀 具、微機械、微電子領域作為耐磨、耐腐蝕塗層及其它功能塗層獲得重要應用。自Veprek S等提出超硬納米複合膜的概念以來，對納米複合膜的研究更是引起廣泛的重視。超硬納米複合膜具有表面減摩、耐磨作用，可以改善摩擦副的運動可靠性和壽命， 達到與高合金材料相同甚至更佳的使用效果，實現節能、節材及提高效率的目的。納米複合膜是由兩種不同材料組成，這兩種材料可以是納米晶/納米晶，也可以是 納米晶/非晶態，每種材料的粒子尺寸在3～10nm。在複合薄膜製備方法中，等離子化學氣相沉積(PACVD)最早應用於製備nc-TiN/Si3N4、 nc-TiN-BN和nc-TiAlSiN薄膜。
如Veprek S和Shizhi L等人採用PACVD方法，以SiCl4、SiH、TiCl4、H2為反應氣體，在550～600℃的沉積溫度下製備了nc-TiN /α-Si3N4薄膜。但製備過程中反應氣會腐蝕膜和設備， 有造成環境污染甚至火災的危險。一般來說，CVD沉積技術需要溫度達500～600℃以促使納米晶粒的生長，而過高的沉積溫度會造成基材軟化、尺寸精度下 降等問題，因此嚴重限制了納米複合膜的應用。研究表明，製備納米複合膜的關鍵在於快速形成晶核的同時保證晶粒尺寸的低速增長。因此為保證覆膜后的整體性能 不至下降，降低沉積溫度便成為其技術關鍵。
目前的實驗表明，磁控濺射技術是低溫沉積最有效的方法。所以，目前的研究主要集中在用磁控濺 射法製備納米複合膜。如反應磁控濺射沉積廣泛應用於製備MeC/DLC(類金剛石碳膜)，Me為過渡金屬如Ti等。採用這種技術，其沉積溫度可低於 150℃。KarvánkováP等人應用不平衡磁控濺射技術製備ZrN-Ni和CrN-Ni納米複合膜，基體溫度分別為300℃和200℃；通過製備試 驗還發現，當基體溫度高於400℃時，合成膜的硬度會降低。由此可見沉積溫度對納米複合膜的硬度影響甚大。
Musil J用直徑100mm平面球形不平衡磁控管，在總壓0.5Pa的Ar和Ar+N2混合氣體中對TiAl合金靶進行濺射，N2分壓連續變化導致薄膜結構和顯微 硬度明顯變化，獲得的nc-TiAlN/AlN納米複合膜顯微硬度高達47GPa，且具有高的彈性回復(74%)。
同時，多種技術的複合在納米複合薄膜製備中也體現出獨特的優勢(如磁控濺射法與脈衝激光技術的結合)。Voevodin A A等人採用脈衝激光沉 積技術(PLD)和磁控濺射技術相結合分別製備了TiC/DLC、WC/DLC/WS2納米複合膜。由於採用這種複合技術使得沉積時的基體溫度低於 100℃，因而該法成為製備W-C-S系列納米複合膜的主要方法。Meng W J等人採用射頻耦合輔助(ICP)PVD/CVD技術與反應磁控濺射技術相結合製備Ti/α-C:H納米複合膜也取得良好效果。
由於 PVD、CVD等方法工藝複雜，成本昂貴，不宜用於大面積製備納米複合薄膜，因此近十多年來，國外對電沉積法製備納米晶體材料進行了較多研究，國內近幾年 也開始了這方面的研究。電沉積法因設備簡單、工藝成熟、低溫且參數可控等突出優點而逐漸受到重視。電沉積方法經歷了直流、脈衝及選擇性噴射電沉積的發展， 目前已能製備出各種厚度的薄膜。已研究的電沉積納米材料有鎳、銅、鈷等，其中鎳及鎳基合金的複合沉積是最受關注的，已沉積的材料有Ni-P、Ni-Fe、 Ni-Cu、Ni-Mo、Ni-SiC、Ni-Al2O3、Ni-ZrO2等。在基體上電沉積薄金屬層(厚度100μm以下)以改善表面性能是電沉積技術 最廣泛的應用。電沉積的納米結構薄層，具有高耐磨、耐蝕性的同時，又具有高的硬度及與基體極好的結合力，可作為理想的保護性鍍層；所具有的低磨損率和較低 的摩擦係數，可用於要求高耐磨性的同時又要求低摩擦係數的場合，如刀具材料、汽車發動機和液壓活塞的表面塗層等。
有報道表明，近年來許多研究者用溶膠-凝膠法製備了納米薄膜。由於溶膠的先驅體可以提純且其溶膠-凝膠過程在常溫下可液相成膜，所用的設備簡單，操作方 便，具有化學計量比易控、成份均勻、成膜面積大等優點而被廣泛用於薄膜製備。目前已採用該法製備的納米複合薄膜主要有 Co(Fe，Ni，Mn)/SiO2，CdS(ZnS，PbS)/SiO2等。陳元春等就溶膠-凝膠法製備氧化鋁塗層硬質合金刀具進行了研究，可獲得單層 凝膠膜的厚度在幾百納米以內。試驗結果說明在干切削狀態下溶膠-凝膠法製得的塗層刀具壽命比未塗層刀具提高一倍左右。
3納米薄膜在乾式切削刀具中的應用
塗層技術的發展是乾式切削加工得以推廣應用的重要條件之一。在乾式切削過程中，具有納米薄膜的刀具塗層可起到明顯作用：①在刀具與被切削材料之間形成隔 離層；②通過抑制從切削區到刀片的熱傳導來降低熱衝擊；③減少摩擦力及摩擦熱。刀具通過塗層處理，可實現固體潤滑，減少摩擦和粘結，使刀具吸收熱量減少， 可承受更高的切削溫度。
目前，採用封閉場非平衡磁控濺射(CFUMS)技術，可在硬質合金刀具和HSS鑽頭上塗覆上B4C/W多層納米 塗層。塗層總層數100層，每層由厚度為13埃的B4C塗層材料及18埃的W塗層材料組成。在105m/min的切削速度下，分別用B4C/W多層納米塗 層刀具與未塗層刀具、普通單塗層(TiAlN)刀具、三塗層(TiC/TiCN/TiN及TiC/Al2O3/TiN)刀具對中碳鋼進行了干切削對比試 驗。試驗結果表明，納米塗層刀具的后刀面磨損量比未塗層刀具和常用的TiC/Al2O3/TiN三塗層刀具大大減小。此外，隨著切削時間的延長，納米塗層 刀具的切削力與未塗層刀具、TiC/TiCN/TiN三塗層刀具和TiAlN塗層刀具相比也顯著減小。試驗進一步說明了採用封閉場非平衡磁控濺射技術生產 的刀具塗層具有重複性好、塗層與基體粘結強度更高、摩擦係數小等特點，因而在干切削中具有更長的使用壽命。
層狀結晶的二硫化鉬具有較小 的摩擦係數，是常用的固體潤滑劑。將MoS2與耐熱金屬Mo組合成複合塗層MoS2/Mo，具有優異的減摩耐熱的效果。研究者採用MoS2/Mo雙材料塗 層結構在HSS鑽頭表面製備了層厚80埃、總厚度為3.2μm(共400層)的納米塗層。用該塗層鑽頭與未塗層HSS鑽頭進行了TI6Al4V合金工件干 切削對比試驗。試驗用鑽頭直徑為φ9.5mm，名義鑽削速度2200rpm。試驗結果表明，未塗層鑽頭鑽進時，由於鑽削力急劇增大，導致鑽頭卡入工件中； 測得多層納米塗層鑽頭鑽進時的鑽削力減小約33%，在相同的鑽削時間內能保證正常鑽削，鑽削性能顯著優於未塗層鑽頭。說明採用MoS2/Mo雙材料塗層結 構的納米塗層刀具是適用於干切削的理想刀具。
此外，刀具表面塗覆納米(Ti50Al45Si5)N、(Ti50Al45Si5)N+ (Ti80Al15Si5)N和Ti-B-N四種納米複合塗層后，對ASTM1043標準鋼工件進行的切削試驗(切削速度為150～310m/min，切 深為2mm，進給量為0.219mm/rev)也表明這幾種納米複合塗層在高速切削測試中具有極其優異的耐磨性，可用作干切削刀具的塗層材料。
4展望
目前薄膜技術發展迅速，所製備的薄膜越來越薄，晶粒尺寸1納米的薄膜是製備納米超薄膜的研究目標；由於單一塗層材料難以滿足提高刀具綜合機械性能的要 求，因此為滿足乾式切削加工對塗層的要求，出現了多樣化的製備工藝，且朝著多種技術的複合、化學組分的多組元化等方向發展；塗層工藝溫度將越來越低，刀具 塗層工藝將向更合理的方向發展。無疑，這些薄膜新技術的研究和開發，在刀具塗層製備中具有極為廣泛的應用前景，但PVD、MTCVD工藝仍為刀具塗層製備 的主流技術。
