很長一段時間以來，“納米技術”在許多行業一直是一個時髦詞匯。但是，在刀具涂層材料領域，納米技術又意味著什么呢？納米結構刀具涂層的發展近況如何呢？

　　定義納米尺度可能是一個不錯的出發點。被普遍接受的納米尺度定義是指100納米（或更小）的尺寸數量級（1納米是1米的十億分之一）。

　　然而，對于刀具涂層而言，問題并非如此簡單。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遠優于傳統刀具。

　　NanoMech公司的創始人兼首席技術官AjayMalshe博士認為，利用納米技術來開發刀具涂層，需要具備一種與基于化學合成的觀念完全不同的思維方式，在上個世紀或更長一段時間里，材料科學的發展主要是由化學合成技術推動。

　　Malshe博士表示，“我們基本上是以與利用化學方法相反的方式利用尺寸效應。關于材料特性的傳統思維并不適用于納米尺度。例如，對于刀具涂層而言，它可能意味著比傳統材料硬度更高、強度更好的新材料，或者可能意味著在涂層上產生新的表面結構，使其可以在加工時充當一種微型斷屑器。”

　　CBN涂層的新進展

　　作為NanoMech公司的子公司，Duralor公司已經開發出了在刀具表面沉積CBN復合涂層的納米技術涂層工藝，并正在對其進行商業化應用。2008年時，這種CBN納米復合涂層還處于初期開發階段，在隨后這兩年時間里，Duralor公司專注于CBN涂層刀具的加工應用，并與選定的用戶——據Duralor公司總裁BobReed介紹，大約有十幾家——合作，對CBN涂層刀具進行商品化。

　　Reed表示，“目前，我們重點關注用CBN涂層刀具加工硬度達HRC54的淬硬鋼。用該涂層加工預硬鋼和粉末冶金材料的效果也非常不錯。”Duralor公司目前主要研究CBN涂層的連續車削加工，不過，今后幾個月，該公司期望在用CBN涂層刀片和圓刀具進行斷續切削的開發上取得進展。

　　Duralor公司與阿肯色大學的研究人員共同開發的Tufftek工藝包括兩個步驟：首先，在硬質合金基體上靜電沉積CBN亞微米粒子；然后，利用化學氣相沉積法（CVD），使TiN、TiCN、TiC或其他傳統刀具涂層材料滲入CBN粒子。該技術能夠沉積相對較厚（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勢，并且，由于CBN涂層具有使刀具壽命延長3－4倍的潛力，因此，與傳統的多層涂層刀片的加工成本相比，也頗具競爭性。

　　除了將CBN涂層的應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CVDAl2O3作為可能的復合涂層材料，以及研究在復合涂層中加入具有潤滑性的材料。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滑的潤滑材料（如二硫化鉬）結合起來。因此，我們這種沉積工藝實際上是一種技術平臺，能以采用傳統的CVD或PVD工藝不可能實現的方式，將不同的涂層材料和涂層結構結合在一起。”

　　HPPD納米涂層的應用

　　另一種納米涂層新工藝是RushfordHypersonicLLC公司開發的超音速等離子體顆粒沉積工藝（HPPD）。該公司總裁DanielFox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，從而在等離子體流中產生反應物。然后，通過成核過程，重新組合這些物質，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），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，會發生相變，并與基體形成化學結合，其結果是形成具有優異的粘附性、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個月內，我們預計可使涂層的斷裂韌性達到6MPa，硬度超過50－60GPa。”

　　Rushford公司正在采用HPPD涂層工藝生產SiC涂層，同時準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涂層刀具在實際加工中的應用。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用于硬質合金車刀片和銑刀片上。”該公司還在對HPPD涂層在提高刀具壽命和其他方面的作用進行定量研究。

　　Fox認為，HPPD涂層刀具的主要優勢之一，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上變得更綠色。目前，在環保法規嚴格的歐洲，這一點至關重要，而在美國，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構和基體材料的優化結合起來，以滿足干式加工的要求。”

　　納米復合涂層的優勢

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

　　Platit公司就是這種復合涂層、沉積工藝和涂覆設備的主要開發企業之一。該公司開發的PVD納米復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。該涂層包括一個粘結層、一個單一材料或梯度材料的核心層，以及一個納米復合材料的頂層。該涂層體系的總厚度為2.72μm。這種納米復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晶粒長大，并使涂層硬度保持在50GPa以上。用Platit公司采用側面或中央旋轉陰極技術的PVD涂層設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行了廣泛的切削試驗。結果證明，該涂層在鉆削加工中的應用最為成功，原因在于增大了涂層厚度。在用直徑5.2mm的整體硬質合金鉆頭在D-2工具鋼上鉆孔的切削試驗中，與采用傳統的TiAlN、AlTiN和Al-CrN涂層的鉆頭相比，采用納米復合涂層的鉆頭刀具壽命提高了一倍以上。
　　SwissTek涂層公司是一家采用Platit涂層設備的涂層服務商。該公司總裁PeterBartos表示，該公司采用其Nano-Tek和Nano-Tek/Cr工藝沉積兩種納米復合涂層：用Nano-Tek工藝沉積AlTiN/Si3N4復合涂層；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，它們在該公司涂層業務中所占的比例在不斷增大。他說，“該涂層的主要優勢是非常高的硬度和優異的耐熱性。采用傳統的AlTiN涂層時，在這些性能上存在相當大的局限性，但納米復合涂層材料突破了這些障礙。”

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

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

　　納米涂層刀具的前景

　　多年來，刀具供應商和涂層服務商都很清楚，與單層涂層相比，多層結構涂層具有更好的強度和耐磨性。Harvey刀具公司已將這種理念應用于小直徑立銑刀和鉆頭的納米涂層領域。該公司主管設計的副總裁JeffDavis表示，“多層結構能有效地控制裂紋的產生，即使產生了裂紋或剝落，它擴散到整個涂層結構的速度也要慢得多。”

　　Harvey刀具公司開發的納米涂層厚度通常為1－4μm，與之相比，其傳統的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小，因此能制備出厚度更薄、粘附性和結構一致性更好的涂層。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AlTiN涂層牌號的硬度為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涂層刀具更長的使用壽命。

　　Davis表示，“或許納米涂層的最佳應用領域是淬硬鋼的銑削加工——此類材料的硬度大約從HRC45開始，可以達到極高的硬度水平，傳統的TiN涂層刀具對它們無能為力。AlTiN涂層沿著正確的方向前進了一大步，而納米涂層——加上正確的刀具切削刃制備、基體和幾何結構優化設計——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，使冷卻液到達鉆尖處始終是至關重要的問題。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仍然對納米涂層刀具的應用提出了一些忠告：“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，還要再次強調，需要優化的不僅僅是涂層，還需要對刃口制備、刀具基體、后角和螺旋角、芯徑等進行綜合優化，才能在非常困難的加工中延長刀具壽命。”

　　SwissTek涂層公司的Bartos認為，納米涂層的應用范圍還將進一步擴大。現在，這些涂層已向最終開發出可在幾乎所有類型的切削加工中提高刀具壽命和生產效率的、神奇的通用涂層邁出了一大步。他說，“每個人都希望開發出一種‘萬應靈藥’式的納米涂層——一種可以應用于銑削和鉆削刀具、車削刀片、硬質合金和高速鋼基體，并且在每種加工中都表現出色的涂層。當然，目前這種涂層還不存在，但這是我們開發納米涂層技術和材料的努力方向。”