摘 要: 刀具表面改性技術(shù)對于強(qiáng)化刀具，延長刀具的使用壽命和發(fā)展新型刀具加工技術(shù)具有重要的意義。文中綜述了刀具傳統(tǒng)表面改性技術(shù)的方法及新型刀具表面改性的方法，涂層方法由最初的熱噴涂和陽極電鍍的方法發(fā)展到化學(xué)氣相沉積法和物理氣相沉積法。新型刀具表面改性從離子注入、等離子體、激光技術(shù)發(fā)展到離子束輔助沉積，提出了刀具表面改性技術(shù)的研究發(fā)展方向。
 
      關(guān)鍵詞: 機(jī)械制造; 刀具; 表面改性; 沉積

      0 引言
 
     隨著制造技術(shù)全球化發(fā)展趨勢，特別是以高、精、尖的精加工設(shè)備為主流，所以對制造業(yè)帶來巨大的挑戰(zhàn)，而刀具在制造加工中起到關(guān)鍵性的作用。但是中國刀具技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀不容樂觀，中國市場需要大量的高性能的刀具。特別是通用機(jī)械制造領(lǐng)域，離不開刀具加工。尤其是在汽車制造、飛機(jī)制造中應(yīng)用比例較高，其中汽車工業(yè)是消耗機(jī)床刀具的大戶，占全球總刀具消費(fèi)量的一半以上。
 
     目前刀具表面強(qiáng)化是提高刀具性能的重要技術(shù)，主要有表面涂層、離子滲氮、陽極氧化和氣相沉積等。新型刀具開發(fā)的方向應(yīng)是更耐熱，導(dǎo)熱更好，更耐磨，韌性也更高。而單一的刀具表面強(qiáng)化處理方式已不能滿足其性能要求，因此，一些新的表面強(qiáng)化技術(shù)得以發(fā)展，被開始廣泛應(yīng)用于刀具研究領(lǐng)域制造，以適應(yīng)發(fā)展的要求。
 
     1 、傳統(tǒng)刀具表面改性的方法
 
     1．1 熱噴涂
 
     熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并以一定的速度噴射沉積到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面形成涂層的方法。使普通材料達(dá)到防腐、耐磨、抗高溫、抗氧化、隔熱等多種功能，并起到節(jié)約材料、提高能源的效果。
 
     近年來對超音速噴涂技術(shù)的研究也迅速增多，并取得了很大成果。王海軍［1］等人采用超音速等離子噴涂技術(shù)制備了在 Al－10Si 合金基體上的純 Mo 和 Mo+ 30%的涂
層，用隨機(jī)配置的能量色散譜儀分析涂層成分，并利用GENESIS 型 X 射線衍射儀分析涂層的相結(jié)構(gòu)。通過對涂層微觀組織、顯微硬度、結(jié)合強(qiáng)度和環(huán)塊滑動(dòng)摩擦磨損等試驗(yàn)表明，Mo+30%的涂層綜合性能優(yōu)于純 Mo 涂層，涂層中的 Ni－Cr 固溶體對涂層具有固溶強(qiáng)化作用及鉻的硼化物( Cr2B) 、碳化物( Cr3C2) 等硬質(zhì)相的彌散強(qiáng)化，提高了涂層的硬度，起到了耐磨支撐作用。
 
     類晶材料是近幾年發(fā)展的一種新型的熱噴涂復(fù)合材料，已在汽車、冶金行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。林惠令［2］等人在第七屆國際熱噴涂研討會(huì)上綜述了鈦酸鉀晶須復(fù)合材料在熱噴涂技術(shù)中的應(yīng)用，酸鉀晶須復(fù)合材料是世界上新一代高性能復(fù)合材料，是一種細(xì)小纖維狀的亞納米級(jí)材料，具有十分優(yōu)良的力學(xué)性能和物理性能: 高強(qiáng)度、耐磨損、高模量、耐高溫、隔熱、高電器絕緣及優(yōu)異的紅外反射性能。
 
     1．2 陽極電鍍處理
   
    陽極電鍍是一種化學(xué)電鍍表面覆蓋處理的方法，可以改變產(chǎn)品的外觀，改善表面顏色和紋理結(jié)構(gòu)。最常見的是對鈦和鋁進(jìn)行陽極電鍍表面處理。使用不同的電壓，可以產(chǎn)生不同的顏色( 高電壓=深顏色，低電壓=淺顏色) 。
 
    自電力工程開始使用瓷絕緣子以來，電瓷工業(yè)的發(fā)展極為迅速，電瓷成形刀具亦愈來愈受到重視。為此，從1937 年始，開展了在電瓷成形刀具上電鍍碳化硼粉的研究工作，研究表明通過電鍍的方法可以在極性材料上鍍上具有高耐磨性的非極性材料，提高了成形刀具使用壽命，并在其他相對滑動(dòng)磨損較大的場合，也可以采用這種方法提高其耐磨性。
 
    近幾十年發(fā)展起來的脈沖電鍍 Ni－Co 合金技術(shù)有了較大發(fā)展，合金鍍層具有良好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。宮曉靜［3］等在高頻( 20 ～ 40 kHz) 下，采用脈沖電鍍法在
1Cr18Ni9Ti 不銹鋼上制備了鎳鈷合金，結(jié)果表明高頻脈沖鍍 Ni－Co 合金的顯微硬度均比直流鍍層高; 鍍層的顯微硬度隨著硫酸鈷濃度的增加而提高; 直流脈沖制得的鍍層在不同溫度熱處理時(shí)有最大值; 脈沖頻率與鍍層的致密性有著緊密關(guān)系，隨著頻率的增加而變得致密。
 
     1．3 氣相沉積
 
     a) 化學(xué)氣相沉積( CVD)
 
     化學(xué)氣相沉積( chemical vapor deposition，CVD) 是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過程。美國在 CVD 法提高金屬線或金屬板的耐熱性與耐
磨損性方面進(jìn)行了深入的研究，20 世紀(jì) 60 年代后，CVD法應(yīng)用于宇航工業(yè)的特殊復(fù)合材料、原子反應(yīng)堆材料、刀具、耐熱耐腐蝕涂層、半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域。
 
    采用化學(xué)氣相沉積硬質(zhì)合金刀具，提高了刀具的使用壽命和生產(chǎn)效率。在硬質(zhì)合金襯底上涂覆的金剛石薄膜可制成涂層刀具，涂層拉絲膜、涂層噴嘴和其他涂層零部件，涂層的物理和化學(xué)性能都能達(dá)到或非常接近天然金剛石的水平。且 CVD 涂層刀具的抗沖擊性能優(yōu)于 PCD 刀具，適用于非鐵材料的粗加工和半精加工，其刀具壽命比硬質(zhì)合金刀具提高 3 ～ 10 倍，被加工工件越硬，刀具使用壽命越長。化學(xué)氣相沉積技術(shù)主要應(yīng)用于硬質(zhì)合金類刀具的表面涂層，這種涂層刀具主要適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工中。
 
     采用不同的預(yù)處理方式浸蝕 YG6 硬質(zhì)合金基體表面，隨后在熱絲化學(xué)氣相沉積裝置上沉積了金剛石薄膜。結(jié)果表明，硬質(zhì)合金基體表明粗糙，金剛石薄膜形核密度高，結(jié)晶品質(zhì)好，金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體結(jié)合良好。
 
     采用偏壓增強(qiáng)熱絲化學(xué)氣相沉積法，以硼酸三甲酯為摻雜源，以 WC－Co 硬質(zhì)合金刀具為襯底，制備了不同摻硼濃度的金剛石薄膜涂層刀具，分析了硼元素對薄膜質(zhì)量和刀具性能的影響。結(jié)果表明: 硼摻雜可以有效抑制刀具表明鈷的擴(kuò)散，改變金剛石薄膜的成分，隨著摻硼濃度的增加，金剛石薄膜的晶粒變小。通過對碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的切削加工實(shí)驗(yàn)表明，在適當(dāng)?shù)膿脚饾舛认陆饎偸∧ね繉拥毒叩那邢餍阅艿玫斤@著的改善。
 
     采用輔助加熱 PVCD 裝置對直齒銑刀進(jìn)行涂敷氮化鈦處理。試驗(yàn)結(jié)果表明: 高速鋼基體上沉積的TiN 膜與基體結(jié)合良好，PCVD－TiN 膜顯微硬度可以達(dá)到2 000HV，未經(jīng)涂鍍的銑刀刃角磨損很大，經(jīng)過涂鍍后的銑刀刃磨較均勻，鍍膜處理后銑刀的使用壽命是不鍍膜銑刀的 2．5 倍，大大提高了刀具的使用壽命。
 
     b) 物理氣相沉積( PVD)
 
     物理氣相沉積是利用電弧、高頻電場或等離子體等高溫?zé)嵩磳⒃霞訜嶂粮邷兀蛊錃饣蛘咝纬傻入x子體，然后通過驟冷，使之凝聚成各種形態(tài)的材料( 如晶須、薄膜、晶粒等) 。其原理一般基于純粹的物理效應(yīng)，但有時(shí)也與化學(xué)反應(yīng)相關(guān)聯(lián)。
 
     與化學(xué)氣相沉積相比，物理氣相沉積具有鍍膜材料廣泛，鍍料汽化方式不受溫度的限制，沉積粒子能量可以調(diào)節(jié)反應(yīng)活性高，可沉積各種類型薄膜，無污染，有利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。
 
     最早利用 TIC 和 TIN 2 種材料進(jìn)行物理氣相沉積的刀具，具有抗磨料磨損能力強(qiáng)，有高的抗刀面磨損和抗月牙洼磨損的能力，適于加工鋼材或切削易于粘在前刀面上的材料，
 
     采用物 理 氣 相 沉 積 技 術(shù) 在 硬 質(zhì) 合 金 刀 具 上 作 的TiALN 涂層刀具，由于 TiALN 具有很高的高溫硬度和抗氧化能力，故刀具能抗 900℃高溫，同時(shí)在高速加工時(shí)，涂層表面會(huì)產(chǎn)生非晶態(tài)的 Al2O3薄膜，對涂層起到了保護(hù)的作用。Balzers 公 司 試 驗(yàn) 的 AlCrN 涂層刀具硬度可達(dá)3 200 HV，當(dāng)溫度達(dá)到 1 000 ℃ 時(shí)，刀具能保持原有的硬度，同時(shí)這層涂層還能保護(hù)刀具基體不氧化; 在 AlCrN 涂層的基礎(chǔ)上，又推出 TiAlN+AlCrN 基的涂層刀具，賦予刀具良好的紅硬性和抗高溫氧化的能力。
 
     在刀具傳統(tǒng)表面改性的方法中，常用化學(xué)氣相沉積法( CVD) 和物理氣相沉積法( PVD) 為主，雖然這 2 種方法在生產(chǎn)實(shí)踐中已日漸成熟，但仍存在一些不足，其中較突
出的問題是刀具的表面涂層與基體間的界面結(jié)合強(qiáng)度較低，涂層易剝落，因此涂層不能做得太厚，以免使涂層刀具使用壽命的提高受到限制，切削中一旦涂層被磨掉，刀具就會(huì)迅速磨損。此外，涂層刀具基本上不具備重磨性，這將限制其在粗加工和大型加工設(shè)備中的應(yīng)用。
 
     蔡志海等［7］利用多弧離子鍍技術(shù)在 YT14 硬質(zhì)合金刀具上 制 備 了 CrTiAlN 復(fù) 合 涂 層，對不同偏壓條件下CrTiAlN 復(fù)合膜的表面形貌、硬度、結(jié)合性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，試驗(yàn)表明: CrTiAlN 復(fù)合涂層的主要成分為 Cr、Ti、Al、N、O，相組成為 Cr、CrN、Cr2N 和 TiN 晶體相與 AlN 非晶相。在干式切削條件下，不同涂層刀具的切削壽命的排序依次為 CrTiAlN＞TiAlN＞TiN 未涂層。
 
     2 、新型刀具表面改性的方法
 
     2．1 離子注入技術(shù)
   
    離子注入法是指在離子注入機(jī)中把離子加速成具有幾萬到幾十萬( 甚至幾百萬) 電子伏能量的束流，注入到固體材料的表層內(nèi)，獲得高硬度( 2 000 ～ 4 000 HV) 的硬
化層表面，離子注入的整個(gè)系統(tǒng)保持真空狀態(tài)，避免離子中性化和外來原子( 分子) 對注入的影響，以便得到最佳的均勻性。
 
     20 世紀(jì) 80 年代中期，一些研究人員已經(jīng)開始探索將離子注入作為一種改進(jìn)切削刀具的方法。張通知［8］等在硬質(zhì)合金刀具上進(jìn)行 N 離子注入，由于 N 離子注入硬質(zhì)
合金刀具中，使 WC 的晶面間距增加，同時(shí)也形成了Co3O4新的析出相，它在 Co 粘結(jié)相中形成的金屬化合物，減少了Co 的塑性流動(dòng)，從而阻止了 Co 粘結(jié)相的移動(dòng)，可動(dòng)的間
隙原子 N，在磨損期間產(chǎn)生了牽制和阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用，形成了硬表面層。這種作用的連續(xù)性是由于在磨損過程中產(chǎn)生的高溫和應(yīng)力條件下，注入的 N 原子可以向內(nèi)部遷移，使實(shí)際耐磨層增厚［9］，摩擦試驗(yàn)表明，刀具表面越硬，磨損量越少，耐磨性提高 4 ～ 6 倍，從而明顯增加了刀具的耐用度。
 
    研究過氧化物陶瓷刀具的氮注入，外加注入能量為 90keV，離子劑量為 1×1016離子/cm2，結(jié)果表明: 注入陶瓷刀具的性能優(yōu)于未注入陶瓷刀具，原因是由于刀具和工件材料之間黏附磨損的減少，離子注入似乎減少了一貫出現(xiàn)于未注入刀具前面的剝落。
 
    吳起白等人［11］研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行 Ti+Y 雙元注入時(shí)，在試樣表層可能形成 Y 的氧化物膜層，在離子注入過程中，由于反沖擊碰撞和級(jí)聯(lián)過程，吸附在試樣表面的氧原子進(jìn)
入到表層晶格中。因 Y 和 O 親和力很大，遂在試樣表面和最表層形成 Y 的氧化物( Y 含量高達(dá) 30%) 。此層很薄，但結(jié)構(gòu)致密并且縫合在注入層中的合金氧化物膜層( 同時(shí)含 Ti、C) ，這樣對降低材料表面的摩擦系數(shù)，提高耐磨性是十分有益的。
 
    2．2 等離子體技術(shù)
   
    等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)原理是利用低溫等離子體( 非平衡等離子體) 作能量源，工件置于低氣壓下輝光放電的陰極上，利用輝光放電( 或另加發(fā)熱體) 使工件升溫到預(yù)定的溫度，然后通進(jìn)適量的反應(yīng)氣體，氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在工件表面形成固態(tài)薄膜。它包括了化學(xué)氣相沉積的一般技術(shù)，又有輝光放電的強(qiáng)化作用。
 
    等離子熔敷復(fù)合材料涂層技術(shù)具有能量利用率高、生產(chǎn)效率高、使用成本低等特點(diǎn)，制備的涂層組織均勻細(xì)小，具有典型的快速凝固特征，涂層與基體結(jié)合良好，耐磨損
耐腐蝕。夏志迎［12］用脈沖高能量密度等離子體沉積薄膜技術(shù)和等離子熔敷耐磨耐蝕復(fù)合材料涂層技術(shù)對地鐵施工用盾構(gòu)刀具的刀刃及刀體易磨損面進(jìn)行表面改性處理。研究表 明，在不銹鋼及淬火高速鋼基底表面沉積的Ta( C) N三元薄 膜 硬 度 高 達(dá) 14 GPa，楊 氏 模 量 高 達(dá) 250GPa，薄膜和基底之間存在較寬的過渡層，保證了薄膜與基體的牢固結(jié)合，薄膜具有優(yōu)異的摩擦磨損性能。在盾構(gòu)刀具刀體易磨損面上制備了( Cr，Pe) _7C_3/γ－Fe 耐磨耐蝕復(fù)合材料涂層，刀具的耐磨耐蝕性能顯著提高，刀具的服役周期明顯延長。
 
     利用等離子增強(qiáng)磁控濺射方法在硬質(zhì)合金表面制備 Ti( Cr，Al) SiC( O) N 涂層，通過對涂層和硬質(zhì)合金基體在空氣中進(jìn)行 600℃高溫處理研究涂層相結(jié)構(gòu)、膜基結(jié)合力及硬度。實(shí)驗(yàn)表明: 硬質(zhì)合金基體氧化明顯，而涂層在 600℃沒有發(fā)生氧化，膜－基結(jié)合強(qiáng)度和硬度等性能保持不變。
 
    2．3 激光技術(shù)
   
    激光加工技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代，但直到 70年代初研制出大功率激光器之后，激光表面處理技術(shù)才獲得實(shí)際的應(yīng)用，并在近 10 年內(nèi)得到迅速的發(fā)展。激光表面處理技術(shù)是在材料表面形成一定厚度的處理層，可以改善材料表面的力學(xué)性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能。
 
     在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的在大型復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)及激光熔覆難熔金屬硅化物高溫、耐磨、耐蝕多功能涂層材料等方面的最新研究及應(yīng)用進(jìn)展: “高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形制造技術(shù)”，利用快速原型制造( ＲPM) 的基本原理，通過金屬材料快速凝固激光熔覆逐層沉積，直接由零件 CAD 模型一步完成組織致密、成分均勻、性能優(yōu)異的高性能近終形復(fù)雜金屬零件的快速成形制造。采用該技術(shù)可在無需毛坯制備、無需模具加工制造、無需重型或超重型鍛鑄工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等的條件下，直接實(shí)現(xiàn)鈦合金、高溫合金、金屬間化合物等高性能‘近終形’復(fù)雜零部件的無模快速成形制造，是一種代表著先進(jìn)制造技術(shù)與材料技術(shù)發(fā)展方向，將“高性能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)、制備與‘近終形’高性能復(fù)雜零件直接成形制造”有機(jī)融為一體的“無模”、非接觸、無污染、數(shù)字化、知識(shí)化成形制造新技術(shù)。
 
     哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系 對激光表面改性技術(shù)做了大量的研究工作，總結(jié)了激光表面改性工藝的非平衡處理、非接觸加工、自冷淬火、變形少、周期短等特點(diǎn)，并綜述了當(dāng)采用了激光表面改性技術(shù)時(shí)，使得以鋼鐵、有色金屬( Al、Mg、Zn、Ni 等) 為基體的材料耐腐蝕性能都有明顯的提高，是一種有效的腐蝕防護(hù)方法。
 
     2．4 離子束輔助沉積( IBAD)
   
     離子束輔助沉積( ion beam assisted thin film deposition，IBAD)是在氣相沉積鍍膜的同時(shí)，利用高能離子轟擊薄膜沉積表面，對薄膜表面環(huán)境產(chǎn)生影響，從而改變沉積
薄膜成分、結(jié)構(gòu)的過程。這一薄膜制備手段的優(yōu)點(diǎn)是: 合成的薄膜致密，附著力強(qiáng)，能夠在低溫下合成，可以合成一些用常規(guī)手段難以獲得的特殊薄膜材料，等等。這一技術(shù)
開始于 20 紀(jì)世 70 年代，到 80 年代中期受到普遍重視，目前已成為國際上廣泛關(guān)注的新型薄膜制備手段 。
 
    IBAD 技術(shù)可明顯地改善材料表面強(qiáng)度，提高耐磨、耐腐蝕性，這些保護(hù)薄膜和材料結(jié)合緊密，具有良好的均勻性。立方氮化硼薄膜( c—BN) 的硬度僅次于金剛石，具有耐高溫、高壓和寬禁帶的性質(zhì)。江海［1 7］等人研究表明，硼蒸汽在氮離子束轟擊下，在未加熱的硅片上沉積，所有的氮都和硼結(jié)合在一起，并且薄膜的硬度是硅基板的 3 ～ 5倍。
 
    采用 IBAD 技術(shù)制備 TIN 薄膜，具有溫度低，薄膜結(jié)合力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。李曙光［18］研究表明，經(jīng)過離子束增強(qiáng)沉積 TIN 薄膜的模具，表面機(jī)械強(qiáng)度大大提高，減少粘連的
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·機(jī)械制造· 張蜀紅·刀具表面改性應(yīng)用技術(shù)概述Machine Building A utomation，Jun 2016，45( 3) : 66 ～ 69現(xiàn)象，有效壽命延長數(shù)倍。TIN 薄膜廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件中，也用于刀具表面處理及易磨損部件表面鍍膜等。
 
     3 、未來刀具表面改性的研究方向
 
     1) 研發(fā)新的刀具涂層
 
     研究新型的多層、高硬度、高韌性的涂層，若工藝超均一化、新型涂層工藝和新涂層材料、新型添加材料與熱處理工藝上領(lǐng)先，誰就能在世界上占主導(dǎo)地位。
 
     2) 研發(fā)高效能的刀具
   
    高效切削已經(jīng)成為現(xiàn)代制造的主流，而聚晶立方氮化硼刀具在其中扮演著不可缺少的角色。目前，我國刀具制造業(yè)還停留在傳統(tǒng)的發(fā)展模式上，無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)對高效刀具的需求，故研發(fā)高效能的刀具適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展勢在必行。
 
     3) 研發(fā)超硬材料刀具
   
     超硬材料刀具的發(fā)展是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。美、德、日等世界制造業(yè)的國家無一例外都是刀具產(chǎn)業(yè)先進(jìn)的國家。超硬材料刀具不但是推動(dòng)制造技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的重要?jiǎng)恿Γ翘岣弋a(chǎn)品質(zhì)量、降低加工成本的重要手段。今天先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的主要裝備，它與同步發(fā)展起來的先進(jìn)超硬材料刀具一起共同推動(dòng)了加工技術(shù)的進(jìn)步。
 
     我國機(jī)床工具行業(yè)對現(xiàn)代金屬切削刀具與傳統(tǒng)刀具的差別缺乏足夠的熟悉，長期以來重主機(jī)、輕工具，在發(fā)展戰(zhàn)略上超硬材料刀具與數(shù)控機(jī)床的發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)，使我國
超硬材料刀具技術(shù)的發(fā)展和行業(yè)水平與現(xiàn)代制造業(yè)的要求相差甚遠(yuǎn)。
 
     超硬刀具的應(yīng)用程度將取決于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的因素。然而有一點(diǎn)是顯而易見的，即朝著具有更高生產(chǎn)率、更高切削速度和更低本錢的方向發(fā)展。隨著更耐磨和更難加工工件材料的增多，各類超硬刀具的應(yīng)用將持續(xù)大量增加。毫無疑問，為達(dá)到未來產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，超硬刀具的成功應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵因素。