涂層刀具（在合金表面涂覆難熔金屬的刀具）

簡介

涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標志，在刀具中的使用比例已超過50%。切削加工中使用的各種刀具，包括車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來提高它們的使用性能。

涂層刀具有四種：涂層高速鋼刀具，涂層硬質(zhì)合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料（金剛石或立方氮化硼）刀片上的涂層刀具。但以前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料，目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度（可提高10%以上），可減少刀片的崩刃及破損，擴大應(yīng)用范圍。

Ti-Al-X-N新型涂層技術(shù)是利用氣相沉積方法在高強度工具基體表面涂覆幾微米高硬度、高耐磨性難熔Ti-Al-X-N涂層，從而達到減少刀具磨損，延長壽命，提高切削速度的目的。它是高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備國家重大專項課題取得的重要成果。

涂層刀具的各個層面

用CVD法涂層時，切削刃需預(yù)先進行鈍化處理（鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm，切削刃強度隨鈍圓半徑增大而提高），故刃口沒有未涂層刀片鋒利。所以，對精加工產(chǎn)生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應(yīng)采用PVD法。涂層除可涂覆在普通切削刀片上外，還可涂覆到整體刀具上，已發(fā)展到涂覆在焊的硬質(zhì)合金刀具上。據(jù)報道，國外某公司在焊接式的硬質(zhì)合金鉆頭上采用了PCVD法，結(jié)果使加工鋼料時的鉆頭壽命比高速鋼鉆頭長10倍，效率提高5倍。

涂層刀具的使用效果除與涂層方法及設(shè)備、涂層工藝和涂層材料有關(guān)外，還有以下情況應(yīng)加以注意：

一、涂前刀具的表面質(zhì)量。被涂刀具表面應(yīng)是光亮的磨光面，刀具各工作表面上不得有銹斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷，要求刃口上無毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度應(yīng)達到Ra<0.8~1.25μm。表面粗糙度值愈小，涂層的結(jié)合度愈好。此外，刀具表面的清洗質(zhì)量也十分重要。

二、刀具基體材料。涂層刀具的基體材料與涂層材料應(yīng)合理匹配，須根據(jù)不同的加工要求選用。涂層高速鋼刀具的基體，既可用WMoCrV(M2)的通用型高速鋼，也可用含鈷的超硬高速鋼和粉末冶金高速鋼(PM HSS)或者是整體采用硬質(zhì)合金鎢鋼制成的鎢鋼刀片。因粉末冶金的基體均勻，故使用效果好。加工鈦合金時，推薦用含鈷超硬高速鋼如WMoCrVCo(M42)作為刀具的基體材料。對于涂層滾刀，當以正常切削速度(小于45m/min)加工齒輪時，崩刃是滾刀磨損的主要原因，因此應(yīng)選擇韌性較好的WMoCrV高速鋼作為刀具的基體材料；而在高速滾齒時(切削速度大于100m/min)，月牙洼磨損是滾刀磨損的主要原因，因此應(yīng)選用耐熱性和耐磨性較高的含鈷超硬高速鋼或CWMoCrVN高速鋼為刀具的基體材料。涂層硬質(zhì)合金刀具的基體，在加工鋼材時，宜選擇加工鋼材的硬質(zhì)合金，如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co類合金(P30用得較多)；加工鑄鐵和有色金屬時，宜選擇WC-Co類合金(K20用得較多)。被加工材料的硬度及切削加工性，對涂層刀具的使用效果也有一定影響。試驗證實，涂層刀具最適于切削高硬度和耐磨合金一類難加工材料。

三、刀具的幾何角度。由于涂層的潤滑性好，所以涂層刀具工作時常會在工件表面上打滑，為此涂層刀具上的后角應(yīng)比未涂層刀具的后角略大。實踐表明，對鉸刀等一類精加工刀具，加大后角后，可使刃口鋒利，切屑形成容易，打滑現(xiàn)象明顯減少，刀具的使用性能提高。

四、切削用量和切削液。為了充分發(fā)揮涂層刀具的性能，必須正確選用切削用量和切削液。涂層刀具由于耐熱性好，抗月牙洼磨損能力強，故可采用較大進給量和切削速度工作，但首先應(yīng)選取較大進給量。通常涂層高速鋼刀具采用的進給量比未涂層刀具提高10%~100%，提高20%~30%的切削速度是合適的。為了提高工效，涂層硬質(zhì)合金刀具也可采用比未涂層刀具高25%~70%的切削速度進行切削。用涂層硬質(zhì)合金通用刀具加工中碳結(jié)構(gòu)鋼時的切削速度，立銑刀可達100~150m/min，鉆頭可達80~100m/min；絲錐加工鑄鐵為20~40m/min。實踐證明，使用20號機械油加10%煤油冷卻時，可使涂層高速鋼鏜刀的壽命提高1~2倍。TiN涂層高速鋼滾刀加工20CrMnTi(197HBS)鋼制斜齒圓柱齒輪(模數(shù)m=5)時，使用20號機械油和煤油混合潤滑，刀具壽命可提高5倍左右，即使重磨后也可提高2~3倍，干切時壽命僅提高1倍。 [pre]涂層刀具使用時還要求機床的精度好、剛性高和振動小，刀具或刀片的夾持也應(yīng)牢固。

涂層材料

涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學反應(yīng)、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低，以及與基體附著牢固等要求。顯然，單一的涂層材料很難滿足上述各項要求。所以硬質(zhì)涂層材料已由最初只能涂單一的TiC、TiN、AlO，進入到開發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段。新開發(fā)的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多層涂層與TiC、TiN、AlO等涂層的復(fù)合，加上新型的抗塑性變形基體，在改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強度、提高涂層耐磨性方面有了重大進展。又突破了在硬質(zhì)合金基體上涂覆金剛石薄膜技術(shù)，全面提高了刀具的性能。

工藝最成熟和應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)涂層材料是TiN，但TiN與基體結(jié)合強度不及TiC涂層，涂層易剝落，且硬度也不如TiC高，在切削溫度較高時膜層易氧化而被燒蝕。TiC涂層有較高的硬度與耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐沖擊。TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優(yōu)點，它在涂覆過程中可通過連續(xù)改變C、N的成份控制TiCN性質(zhì)，并形成不同成份的多層結(jié)構(gòu)，可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴展，減少崩刃。所以，生產(chǎn)的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推薦用于加工鋼料的GC4000系列刀片、中國株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的CN系列刀片、日本東芝公司的T715X和T725X涂層刀片中均有TiCN涂層成份。TiCN基涂層適于加工普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵等材料，用它加工工件時的材料切除率可提高2~3倍。

涂層刀具新工藝

德國某公司開發(fā)了Supernitride涂層系列，其中超級氮化鈦涂層有很高的含鋁量，可形成穩(wěn)定的氧化層（氧化溫度達1000℃），它比一般的TiAlN涂層更硬、更致密、更耐高溫，適用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高達58HRC以上的淬火鋼。

此外，納米超薄膜涂層工藝已日趨成熟。據(jù)報道，日本某公司推出了一種高速強力型鉆頭，它是在韌性好的K類（WC+Co）硬質(zhì)合金基體上交互涂覆了1,000層TiN和AlN超薄膜涂層，涂層厚度約2.5微米。使用表明，該鉆頭的抗彎強度與斷裂韌性可大幅度提高，其硬度則與CBN相當，刀具壽命可提高2倍左右。該公司還開發(fā)出ZX涂層立銑刀，超薄膜鍍層數(shù)達2,000層，每層厚度約1nm，用該立銑刀加工60HRC的高硬度材料，刀具壽命遠高于TiCN和TiAlN涂層刀具。第八屆中國國際機床展覽會（CIMT2003）上，瑞士某公司推出的納米結(jié)構(gòu)涂層（AITiN/SiN) 立銑刀，其涂層硬度為45GPa，氧化溫度1100℃，切削對比試驗表明，其壽命比TiN涂層立銑刀高3倍，比TiAlCN涂層立銑刀高2倍。除上述AITiN/SiN、TiAlCN新涂層外，還有特定功能的涂層，如MoS、DLC潤滑涂層，其摩擦因數(shù)?。?.05），適于涂覆絲錐、鉆頭等刀具，可改善排屑性能，或者作為復(fù)合涂層的表面涂層，減少切屑的粘結(jié)。

技術(shù)發(fā)展

OTF-1200X-4- Ⅲ9HV化學氣相沉積系統(tǒng)

在韌性較好的刀具（刀片）基體上進行表面涂層，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層（如 TiN、TiC等），使刀具（刀片）具有全面、良好的綜合性能。未涂層高速鋼的硬度僅為62~68HRC（760~960HV），硬質(zhì)合金的硬度僅為 89~93.5HRA（1300~1850HV）；而涂層后的表面硬度可達2000~3000HV以上。

①由于表面涂層材料具有很 高的硬度和耐磨性，且耐高溫。故與未涂層的刀具（刀片）相比，涂層刀具允許采用較高的切削速度，從而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀 具壽命。

②由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小，故涂層刀具（刀片）的切削力小于未涂層刀具（刀片）。

③ 用涂層刀具（刀片）加工，零件的已加工表面質(zhì)量較好。

④由于涂層刀具（刀片）的綜合性能良好，故涂層硬質(zhì)合金刀片有較好的通用性，一種涂層硬質(zhì)合金牌號的刀片具有較寬的使用范圍。

涂層刀具在切削刀具中占的比例已達到80%。由于國外企業(yè)在高端刀具領(lǐng)域占據(jù)壟斷地位，在我國數(shù)控機床專項中，刀具及其核心涂層技術(shù)的地位日益受到重視，對涂層技術(shù)的突破被列入多項課題研究中。

筆者多次參觀了國際機床工具展覽會，收集到很多資料，并聽取了各大工具公司的技術(shù)報告，從而了解到刀具產(chǎn)品表面涂層技術(shù)的發(fā)展和進步。

等離子體化學氣相沉積裝置

后來，發(fā)展了各種不同組合的多層涂層。筆者在多次展覽會上調(diào)查和統(tǒng)計了瑞典、德國、美國、日本、韓國、以色列和中國各公司的CVD涂層硬質(zhì)合金刀片 產(chǎn)品，涂層材料有以下組合：TiCN/AlO、TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/AlO、TiCN/AlO/TiN、TiCN /TiC/AlO/TiN、TiCN/AlO/TiCN、TiN、TiC/TiCN/TiN、TiN/TiCN/TiN等?？梢钥闯?，近年多用 TiCN或TiN作底層，這是因為基體硬質(zhì)合金有了改進，例如采用了梯度結(jié)構(gòu)，才有可能用TiCN或TiN墊底。此外，TiN涂層不宜單獨使用，因為與硬 質(zhì)合金相比，TiN的硬度提高不多，TiN必須與TiC、TiCN、AlO等組合使用。

PVD涂層組件

早年，PVD涂層只用于高速鋼刀具，涂層材料幾乎只用TiN一種。后來，改進了涂層工藝，發(fā)展了多種涂層 材料和多層涂層，在硬質(zhì)合金刀具上也得到了大量的應(yīng)用。涂層效果比以往大有進步。TiN涂層材料仍在使用，新興的涂層材料是TiAlN和AlTiN，其使 用效果優(yōu)于TiN。

歐洲的PVD涂層技術(shù)水平最高，領(lǐng)先于其他國家和地區(qū)。知名的廠商有德國賽利（CemeCon）涂層技術(shù)有限公司、歐瑞康巴爾查斯（OerlkonBalzers）公司、德國PVT等離子真空技術(shù)公司和丹麥尤尼莫克（Unimerco）公司等。他們的PVD涂層設(shè)備和工藝先進，涂層 材料品種多，涂層刀具和其他產(chǎn)品使用性能好。

國外一些知名的高速鋼和硬質(zhì)合金工具廠，都有涂層刀具（刀片）產(chǎn)品，但涂層設(shè)備和工藝多購自涂層技術(shù)的專業(yè) 公司，或與之合作，而不是自行研制。據(jù)悉，瑞典山特維克公司和以色列伊斯卡公司的PVD涂層設(shè)備都是從歐瑞康巴爾查斯公司購進的。中國也應(yīng)當這樣做，這是 一條既好又快的道路。例如，中國哈爾濱第一工具廠和德國PVT公司合作，成立了哈一工普威特鍍膜合資股份公司。歐瑞康巴爾查斯公司在全球設(shè)有77個涂層中 心，在中國蘇州、天津和漢江各設(shè)有一個中心，中國鄰近城市和地區(qū)的工具廠家，其涂層產(chǎn)品多在上述中心進行涂層。湖南株洲硬質(zhì)合金廠和四川自貢長城硬質(zhì)合金 廠的涂層設(shè)備都是從國外引進的。

利 用“熱絲CVD法”、“等離子體噴射CVD法”、“火焰燃燒法”等工藝能在硬質(zhì)合金或高速鋼刀具表面沉積金剛石薄膜（10μm）。CVD金剛石膜的力學、物理性能介于天然金剛石和熱壓聚晶PCD金剛石之間，能夠有效地加工有色金屬。

如增加沉積時間，可在基體或襯底（一般用硅片）上沉 積出厚度大于0.5mm的厚膜。將厚膜從基體上剝離，并切割成一定形狀的小塊，再將小塊釬焊在基體刀片（一般為硬質(zhì)合金刀具）上使用。CVD厚膜金剛石刀 具應(yīng)用范圍大于薄膜涂層刀具。在CIMT2007上，很多國內(nèi)外刀具公司都有CVD薄膜金剛石涂層刀具產(chǎn)品，但只有少數(shù)廠家有厚膜產(chǎn)品。北京東方天地超硬 材料工具公司能生產(chǎn)金剛石厚膜刀具產(chǎn)品，并且已有多年的經(jīng)驗。厚膜刀具應(yīng)用范圍較廣，能加工各種有色金屬、非金屬硬材料及顆粒增強的復(fù)合材料等。

武漢大學物理系用直流反應(yīng)磁控濺射法在刀具表 面沉積出氮化碳（CxNy）超硬涂層薄膜，厚度只有幾個微米，硬度可達40~50GPa。CxNy涂層刀具能切削黑色和有色金屬。

對涂層高速鋼和硬質(zhì)合金刀具（刀片）的切削性能進行了長期的研究，進行了很多科學實驗。茲介紹部分實驗數(shù)據(jù)如下：

① 在相同的切削條件下，涂層刀具刀片的使用壽命比未涂層刀具（刀片）提高3~5倍。在相同的切削條件下，相同刀具壽命時，涂層刀具的切削速度比未涂層刀具提 高20~30%。

②在相同的切削條件下，涂層刀具（刀片）的切削力小于未涂層者。筆者用涂覆TiC硬質(zhì)合金刀片車削鋼材與未涂層刀 片對比，主切削力Fc可減小3%~4%，TiN或TiC/TiN涂層刀片的Fc約可減小6%，進給力Ff與切深力Fp的減小尤為顯著。AlO涂層刀片 與切削力的減小效果與TiN涂層刀片接近。

③筆者曾用CVD涂層金剛石厚膜刀具，加工過硅鋁合金、各種硬鋁、鉛黃銅、無氧銅、碘化 鈦以及纖維增強和顆粒增強的復(fù)合材料等，均取得較好效果。但用作超精密切削的刀具，其效果不如天然金剛石刀具。

④筆者曾用CxNy 涂層高速鋼鉆頭在高強度鋼上鉆孔，與未涂層鉆頭相比，涂層鉆頭的使用壽命提高7~9 倍。在其他高速鋼刀具上涂覆CxNy，亦有顯著效果。又曾在硬質(zhì)合金刀片上涂覆CxNy，用以車削鋼料，效果尚不夠理想，其使用壽命不超過普通TiC涂層 硬質(zhì)合金刀片。

中國的刀具涂層技術(shù)與工業(yè)發(fā)達國家相比尚有很大差距，涂層刀具的數(shù)量也差得很遠，大致只占全部刀具的20%。其中數(shù) 控機床和加工中心上使用得多一些，在普通的非數(shù)控機床上則少得可憐，原因是認識問題和價格等因素。我們應(yīng)該努力提高刀具涂層技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的水平，大力推 廣應(yīng)用涂層刀具，促進切削加工和機械制造水平的提高。