利用纳米技术开发新型刀具涂层的优势

涂层的结构

　　经过多年的发展，涂层的结构已经发生了许多变化，有了很大的改进。在涂层技术中，通常有以下五种不同的结构：

　　（1）单层结构

　　顾名思义，这种结构只有一层涂层。当我们在显微镜下观察这种结构时，可以看见一些长柱形涂层结构。这种涂层很容易涂覆，但也很容易产生裂纹和破损。想象一下，当一个球击中一束柱体时，这些柱体就会开始倒下，而裂纹轻易就能贯穿涂层，到达基体。

　　（2）多层结构

　　多层结构是由许多不同的单层结构彼此重叠在一起构成的。表面花纹钢就是历此类结构的一个例子。多层结构涂层可将几种涂层材料的特性结合在一起，形成韧性与硬度俱佳的表面。

　　（3）纳米多层结构

　　纳米多层结构与多层结构本质上相同，但其层厚却要薄得多：涂层厚度仅为原子级水平。

　　（4）纳米复合涂层结构

　　纳米复合涂层采用了与硬质合金刀具类似的技术。这种纳米结构将粘结相（例如硬质合金中的钴）的韧性与纳米复合涂层的硬度结合在一起。

　　（5）梯度结构

　　该结构的涂层性能具有渐变性：涂层中心部分较软而富有弹性，而在靠近表层时则变得坚硬而耐磨。

　　涂层的质量控制与检验

　　在对刀具进行涂层后，制造商需要对涂层本身进行质量检验。通常，这种质量检验过程和程序包括以下四个方面：

　　（1）涂层厚度检测

　　检测涂层厚度主要有两种方法：球头砂轮磨削检测法和X射线荧光辐射检测法。

　　球头砂轮磨削检测是用一个很小的金刚石砂轮（球）磨除涂层，直至露出下面的基体。然后，通过用显微镜观测磨除区域，就可以利用公式（X×Y）/球头直 径测算出涂层厚度（式中，X为从上向下观测到的涂层宽度，Y为基体+涂层宽度）。目标是将测得的涂层厚度值范围控制在制造商的技术规定以内。

　　X射线荧光辐射检测可能是一种更准确的检测方法。测量原理是：涂层和基体材料都能产生X射线荧光辐射，但涂层会使基体的辐射强度减弱。通过二次辐射量 测出基体辐射减弱的程度，即可确定涂层厚度。检测涂层厚度的方法是球头砂轮磨削检测法，因为它比较直观，而且更容易实施。

　　（2）涂层粘附性检测

　　一旦涂层厚度合格，下一步就需要检查涂层的粘附性，这可能是一项主观性的质量控制检测。检测方法主要包括洛氏压痕法和划痕试验法两种。

　　顾名思义，洛氏压痕法就是用一个硬质球，以设定的力在涂层基体表面上向下施压。涂层基体受压后产生裂纹，检测人员通过一台显微镜，对压痕点的裂纹进行 观测，并评估裂纹的数量和开裂程度。根据制造商提出的具体标准，检测人员可以确定这些裂纹是否在可接受的合格范围内。尽管这种检测方法看起来很简单，但涂 层厚度也会影响裂纹的数量和开裂程度，因此，允许较厚的涂层比较薄的涂层产生更多的裂纹。

　　划痕试验法要更直接一些。在划痕试验中，检测人员对一个在涂层刀具上移动的压头施加逐渐加大的载荷。当达到临界载荷Lc时，涂层开始出现裂纹。在该点测量压头移动的距离，如果该距离足够长，则表明该涂层的粘附性合格。

　　（3）涂层结构检测

　　如果涂层的厚度符合要求，粘附性也合格，下一步就需要检测涂层的结构，其检测方法与确定涂层厚度的球头砂轮磨削法基本相同：用相同的球头砂轮磨除涂层，并在显微镜下进行观测，就可以看到并确认前面提到的不同涂层结构。

　　（4）涂层成分与分布检测

　　一项质量控制检测是涂层的成分与分布。这项检测需要采用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线技术（EDX）。SEM具有极高的图像放大率 （高达20万倍）和高分辨率，与EDX分析相结合，就能确定涂层材料成分以及在一个很小（可小至2纳米）截面上材料的分布量。

　　自行涂层与外包涂层

　　生产刀具涂层还有一个需要仔细权衡的问题：在哪里涂层？与将涂层工作外包相比，在厂内自行涂层具有很大优势；但是，这样做需要投入大量资金购置涂层设备。

　　自行涂层在物流、加工时间和产品质量上都更具优势。在物流上，刀具制造商不必对需要涂层的产品进行包装，也不需要发货运输，通常，这样至少可以节约2 个工作日的时间。不仅可以缩短加工时间，而且还有一个额外的好处能够对生产中遇到的瓶颈问题及时做出反应，并提供24小时以内的上门服务。

　　另一个优势是可以确保涂层质量。在厂内自行涂层的刀具制造商有能力对被涂产品进行特定的装架配置和涂前预处理。他们无需将多种产品混合涂层，有能力确保涂层批次的一致性。因此，厂内自行涂层时，产品公差范围可以进一步缩小。

　　外部涂层服务商可能会在一个涂层炉内同时涂覆多种类型的产品，他们生产的涂层厚度总的公差带可能为2－4μm.批次一致性更好的厂内涂层的公差带则可 以达到名义厚度的±20％。如果涂层的名义厚度为2μm，涂层总的公差则为0.8μm.涂层厚度的分布规律类似于钟形曲线，因此，有81％的产品其总的厚 度公差为0.4μm.

　　为了发展刀具涂层，人们投入了许多时间、精力、科学知识和创新思维。刀具制造商的目标是提供刀具，帮助用户更快速、更的生产自己的零部件。我 们希望，本文提供的这些有关刀具涂层生产工艺的基本知识能够提醒人们，在这些漂亮的金色刀片背后，隐藏着一些复杂而精密的技术。