1、刀具鍍膜的進展與對策摘要：本文介紹了國際硬鍍膜技術新近的七大進展，分析了我國刀具鍍膜市場現狀與需求，從服務全國，走向世界戰略要求，提出了對策。作者認為：真空鍍膜技術已發展成為現代制造業的基礎技術。而超硬鍍膜技術則是現代刀具制造業的關鍵技術。在這個領域我國與發達國家的差距達10-15 年。發展刀具鍍膜技術是我國制造業的當務之急，上海真空行業唯有整合好國內外兩個資源，盡快建立自己的、可持續發展的刀具鍍膜業，才能服務全國、走向世界。關鍵詞：工具鍍膜市場進展對策一、前言當前，我國以汽車為代表的現代制造業正在高速發展，它對刀具制造業提出了“高精度、高效率、高可靠、專用化（簡稱三高一專）的要求，作為現代刀

2、具制造業的三大關鍵技術之一的硬鍍膜技術，我國正面臨著升級換代的重大技術變革。二、發展刀具鍍膜技術是我國當務之急1 .真空鍍膜技術是現代制造業的基礎技術等離子真空鍍膜技術是將工件放在真空等離子場中，在其表面沉積一層薄膜，使工件表面改性的一種加工方法；它是真空技術的前沿，它以現代真空獲得與測量技術為基礎， 融非平衡態冶金學， 低溫等離子物理和化學，薄膜性能的分析、檢測與控制技術，高潔凈度清洗技術和現代自控技術為一體的光機電一體化的高新技術。硬鍍膜技術是真空鍍膜技術的一個分支，它突破于七十年代末、八十代就已在世界制造業中得到推廣應用。并已擴展到耐磨抗蝕膜、摩擦學膜、裝飾膜一分別應用于切削刀具、模具、

3、軸承、燃氣輪機葉片、塑料工業軋輻，成型模、建材一這極大地改善了它們的役使性能。鍍膜刀具的采用，實現了高進刀深度、高走刀速度、高切削精度、硬切削，大幅度地提高了加工質量和效率。發達國家經驗證明：刀具的成本雖然因此增加了3%。 加工成本卻降低 15-20%。 由于現代制造業推崇“效率優先”的理念；鍍膜工件的優異的役使性能，使鍍膜技術在汽車、航空航天、數控加工、能源，電子、模具、家電、石化及塑料等現代制造業中的應用越來越廣泛，它已成為支撐現代制造業的一項基礎技術。2 .硬鍍膜技術是現代刀具制造業的關鍵技術現代刀具制造有三大關鍵技術：刀具材料技術、刀具鍍膜技術、復合刀具技術，九十年代以來，刀具硬鍍膜技

4、術發展特別快；刀具鍍膜第一代鍍TiN,第二代鍍 TiC,第三代鍍 TiCN,02 年己發展到第四代鍍 AlTiN,應用更為廣泛、深入。役使性能更好；就第四代氮化鋁鈦鍍膜刀具而言，其切削性能就比第一代氮化鈦鍍膜提高了好幾倍。表1,給出了各種鍍膜的硬度、摩擦系數、切削溫度等性能的比較。表 1 和圖 1 可以清楚地看到： 新一代的超級氮化鋁鈦鍍膜比第一代氮化鈦的性能從硬度、使用溫度到實際鉆孔數都有大幅的提高。特別是鉆孔數提高了 4-5 倍。鍍膜刀具性能的提高，為高速切削。硬切削技術的采用創造了條件，為復合刀具、專用刀具的廣泛采用鋪平了道路。因此，刀具的鍍膜技術與刀具新材料技術、復合刀具技術一起并稱為

5、現代刀具制造業的三大關鍵技術。眾所周知：切削加工是制造業的最主要加工方法，其加工總成本的 70%是耗費在切削加工上；尤其是高精切削，硬切削。多功能、專用、復合刀具是數控機床、加工中心、現代自動加工生產線必備的刀具，是當今切削加工實現高精度、高效率、低成本的三大技術手段；對刀具進行鍍膜則是實現上述手段的前提。3 .發展刀具鍍膜是我國制造業的當務之急近年來，世界制造業正在東移，我國正在發展成為世界制造基地，中國的汽車制造業規模已發展到世界第四位。為提高市場競爭力，以汽車制造技術為代表的我國現代制造業正在深入進行“高起點、大投入、規模化，國際化的產業升級和結構調整”，國外新技術、新裝備大量引進，這對

6、我國刀具制造業提出了新的，更高的要求。工具行業必須改變幾乎只生產標準傳統刀具的落后面貌，向生產三高一專現代刀具轉型；這種刀具幾乎百分之百要鍍膜。三、耐磨鍍膜技術國際上發展極快，我國差距拉大了如前所述，耐鍍膜技術是知識含量很高的高新技術：不僅開發難度大，而且要科學地、穩定地應用也是一件不容易的事；但它對工具性能的大幅度提高，使現代制造業對具有廣泛而熱切的需求，這反過來又促進了硬鍍膜技術更快更深入的發展。近年來國際上硬鍍膜技術發展特別快，其特點是：1 .電弧離子鍍是硬鍍膜的主流機型多弧離子鍍原創于美國多弧公司。它具有離化率高、沉積速度快，設備空間利用率高， 結構相對比較簡單的優點， 但因其沉積時存

7、在大尺寸粒子，一度多用于裝飾鍍；九十年代以來，由于以磁約束為代表的一系列新技術的采用，不僅較好地解決了大尺寸粒子問題，而且還提高了靶材的利用率和等離子區的尺寸精度；使其在眾多硬鍍膜技術中異軍突起，已發展成為當今硬鍍膜領域的主流機型。2 .研究進入量化階段對膜層的成份、組織、結構，厚度、應力及基底粗糙度對膜層和工具性能的影響、及其與鍍膜工藝關系研究非常深入，并已進入量化段，開始用數學模型分析和預測膜層組織結構、厚度基底粗糙度與應力狀況及性能的關系，從事膜系設計。3 .工藝更加個性化針對工件的役使條件設計工藝。多元、復合、多屢鍍、納米鍍（納米梯度鍍層、納米多層鍍層、納米結構鍍層）等等的開發，進一步

8、增強了膜基結合力。降低了摩擦系數，提高了抗氧化性、使用溫度、鍍膜的硬度和韌性，增加了可鍍厚度，大幅度地改善了役使性能，可滿足不同使用條件下的刀具及其它工具與機件的需要。表 2 是某家公司提供的不同役使條件下部份刀具所采用的一些膜系。4 .設備柔性化為擴大沒備的可鍍膜系的品種，先進的鍍膜設備往注配有不同尺寸、不同規格、采用不同靶材的靶源。除常規電弧源外，還可配寬懶射頻離子源，磁控濺射靶等， 以備用戶按需要進行組合， 以適應不同刀具采用不同膜系，設備要頻煩換靶源的需要，設備采用了模塊化、組合化結構，不僅實現了一機多用，而且在進行復雜的多元、多層、復合鍍膜時，用戶可以在不改變靶源組成，在不破壞真空的

9、條件下，一次完成。5 .設備實現了“即插即用”為便于更換靶源，現代鍍膜設備針對“模塊化”結構，還配有換靶專用工裝，實現了“即插即用”，使靶和靶材的更換、調整及設備的維修省時、省力、極為方便。6 .設備設計更為精細化磁約束技術的進一步改進，使電弧離子鍍的表面質量可以和磁控濺射相媲美，靶面能均勻蒸發、靶材的利用率大為提高；脈沖附加偏壓的采用，進一步降低了沉積溫度（最低可到 1800C）;基底預處理技術的進步（如清洗技術的改進，過渡鍍層的采用也使膜基結合力提高到了一個新水平；納米中間層的采用使膜層應力大大降低，強度進一步提高；加上多元靶組合技術的開發與采用，納米級厚度的精確控制，使硬鍍膜設備幾乎到了

10、只需要合理，什么成份、什么組織結構、什么厚度（尺度從納米到分米）的硬膜都能鍍的地步。不僅如此，在一些被人們忽視的地方，也沒有逃過國外研發者的視線，人們還著力增強了設備的予加熱能力，除了改進靶的結構之外、裝料夾具和送料車結構上也都進行了優化、改進，；加大了設備的裝載（爐）量，提高了效率、節省了工件預熱時間，使裝、出料平穩、靈活、方便，設備更加科學，緊湊、精致。7 .操控智能化、自動化工藝過程事先按鍍膜要求進行菜單化設定、予置，設備采用了全自動的閉環控制，因此，設備實現了“傻瓜”式，可自動運行，無人值守。面對國外刀具鍍膜技術的如火如荼的發展，反觀我國的刀具鍍膜技術現狀。盡管起步很早，差距卻加大了。

11、技術水平低，可靠性差、應用面窄，嚴重滯后于我國現代制造業的發展，發展刀具鍍膜技術已成為我國制造業的當務之急。四、我國刀具鍍膜市場潛力很大1 .我國刀具鍍膜仍處于起步階段發達國家制造業 20 年前就完成了傳統刀向現代刀具的過渡，新一代鍍膜技術的出現使其如虎添翼，加工效率、產品質量進一步提高。鍍膜在刀具中已很普及，鍍膜刀具已占刀具的 80%,專用復合刀具幾乎 100%鍍膜。我國鍍膜技術的開發始于八十年代初。八十年代中期便開始產業化應用，由于可靠性差，質量不穩定，一些大型工具企業搞成套引進，在八十年代中后期，前后共引進了三條國外刀具鍍膜生產線，當然全是第一代鍍 TiN 技術。近年來，生產規模在不斷擴

12、大；據可查資料，99 年我國工具鍍膜市場的銷售額為 7512 萬元， 且每年以 20%以上的速度增長；但應用面不廣，鍍膜刀具僅占工具的 20%,但技術水平則停滯不前，國內企業除少數在開發多層鍍之外，絕大多數尚停留在第一代技術階段。而在刀具成本控制的理念上也存在嚴重的缺失。不少企業片面地嚴格控制刀具的采購成本，造成價格雖高、但性價比更高的鍍膜刀具很難推廣。無論是技術水平，還是成本控制理念和應用規模，我國的刀具鍍膜都屬起步階段。現代制造業的發展，為我國刀具鍍膜技術上的更新換代和規模上的高速擴張提供了強大動力。2 .復合專用刀具幾乎全部靠進口專用復合刀具是現代制造業的基本工具之一，我國目前全靠進口，

13、99 年進口額高達 1 億美元（而當年我國國產刀具的總銷售額也只有 36 億人民幣，其中 1/3 還是出口。每年還要以 40-60%的速度增長，據預測 04年的進口額將達 3 億美元。我國制造業對現代刀具的需要及對國外的依賴從中可見一斑。3 .我國刀具鍍膜的潛在市場巨大目前， 在現代制造業發達的德國， 有鍍膜中心 30 余家， 鍍膜生產線 200余條。照目前我國現代制造業的發展速度，2010 年我國至少應該有現代鍍膜生產線 100 條，現代鍍膜設備及鍍膜加工的產值將會超過20 億人民幣。日前我國制造業的規模已超過德國，盡管技術上差距很大，但卻是一個高速發展的產業。據預測，到 2020 年，我國

14、制造業不僅規模世界第一，而技術水準也將接近發達國家。到那時，我們面臨的將是一個總體上已現代化的我國制造業，僅刀具鍍膜生產線的需求將達 1000 條以上。4 .齒輪刀具鍍膜是目前的主要市場盡管復合刀具要全部鍍膜，需要量很大，但國內工具廠目前尚不具備這種刀具的大規模生產能力，而修磨又要專用設備，目前只有一家外資企業剛剛新建了一個修磨車間，開始承接本公司生產刀具的修磨并送到國外重鍍，其它大多數復合刀具都是一次使用。盡管生產這種刀具的鍍膜是以后的潛在市場， 但國內的重磨后的重鍍， 已是一個現實的潛在市場。現實的市場還是急待技術上升級換代的傳統標準刀具，如鉆頭、絲錐、銃刀、車刀，拉刀、錢刀、插齒刀、滾齒

15、刀，等等。其中插齒刀、滾齒刀和拉刀是此前述其它刀具更為復雜要求更高的刀具，人們稱其為復雜刀具，它是一個急待開發的、更大的，現實的潛在市場。齒輪是大批生產的零件，他對刀具的壽命、可靠性比普通的標準刀具有更高的要求。但比復合刀具無論是技術上的復雜性，還是設備的投資額均稍遜一籌；近年來，其生產規模急速擴大，目前我國齒輪刀具市場銷售額已達 2 億人民幣左右，大多數齒輪加工企業尚未采用鍍膜技術。目前我國刀具鍍膜即是少量采用的也是第一代技術，鍍 TiN;質量不穩定。第四代鍍膜刀具不僅質量穩定、可靠，而且切削能力比第一代提高了 3-4 倍。生產這些刀具企業迫切要求鍍膜技術升級換代，僅此一項的鍍膜市場就是兩個

16、億，每年還要以 30%甚至更高的速度增長。我國拉刀的生產情況與此類似，目前每年的市場容最也達 1 個億。五、抓住機遇迎接挑戰面對這誘人的市場和大量國外鍍膜公司的涌入，這對建立我國自主的現代制造業體系，無疑是一個嚴峻的挑戰。為此，國家一方面制定政策，03年特發專門文件，將離子鍍膜設備列入鼓勵外商投資的領域；另一方面化巨資，通過各個渠道列項目，資助我國真空鍍膜科技工作者努力攻關，盡快在這個領域趕上去。1 .既是挑戰，更是機遇上海是全國的龍頭，上海的六大支柱產業：汽車、鋼鐵、造船、石化、微電子、 電氣設備和迅速發展的航空、 航天無不需要鍍膜刀具和鍍膜技術。當今，上海正在承接世界制造業的轉移，培育和創

17、建世界制造業基地，和長江三角一起共筑國際現代工業走廊；同時還面臨著服務全國、走向世界的戰略任務；上海及其周邊地區現代制造業發展極為迅速，對新一代刀具硬鍍膜技術的需求尤為迫切。上海以至長三角，無論是普通標準刀具、復雜刀具、還是復合刀具的市場都非常大。就齒輪刀具而言，全國 26 家齒輪骨干企業中，就有 10 家在長三角,兩家在江西；其中上汽齒輪總廠，上海通用汽車變速器有限公司的產量占全國的 1/3。這給上海硬鍍膜技求的發展帶來了巨大的商機。2 .整合國內外兩個資源上海真空業界的硬鍍膜研發，盡管起步很早，由于體制及基礎技術落后等原因，現在不僅與國外、而且與國內的差距都拉大了。要抓住機遇，迎接挑戰，唯

18、有整合國內外資源。對外與國際上在硬鍍膜領域處寸，領先地位的公司合資，引進技術；對內不拘一格，引進人才；在上海成立硬鍍膜中心，不僅搞鍍膜加工，而且造設備、搞研發。就能由劣勢變優勢，由弱變強，實現服務全同，走向世界的戰略任務。3 .市場開拓是關鍵采用硬鍍膜刀具對我國許多企業來說是一個新技術，是一個潛在市場。它的采用無疑要明顯增加刀具的采購成本，但卻會帶來整個切削加工總成本的大幅降低。因此首先要抓好“效率優先”這個現代制造理念的深入普及。在一般切削加工成本中有 1、刀具；2、切削加工輔助材料（如電、切削液、氣、水等）；3、人工；4、設備；5、廠房；6、管理等六大部份組成。其中，刀具成本僅占總成本中很小一部份，通常約占 3%;若采用新一代鍍膜刀具，盡管刀具成本可能倍增，但它卻會帶來刀具壽命和切削速度提高，這將導致加工時間縮短、使換刀成本（加工輔助時間）、停機成本（包括設備拆舊、人工、廠房、管理等費用）和冷卻液使用費的降低。 山特維克可樂滿公司的研究表明： 切削速度只要提高 20%,切削加工總成本就可降低 15%。當然這里反映的僅僅是一般趨勢，具體每個企業、每個工況將因情況不同而有差異。因此，除了要借助媒體引導之外，更為重要的是需要從業人員深入企