簡介

涂層刀具已成為現代切削刀具的標志，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，擴大應用范圍。

Ti-Al-X-N新型涂層技術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。它是高檔數控機床與基礎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，對精加工產生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應采用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合金刀具上。據報道，國外某公司在焊接式的硬質合金鉆頭上采用了PCVD法，結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備、涂層工藝和涂層材料有關外，還有以下情況應加以注意：

一、涂前刀具的表面質量。被涂刀具表面應是光亮的磨光面，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達到Ra<0.8~1.25μm。表面粗糙度值愈小，涂層的結合度愈好。此外，刀具表面的清洗質量也十分重要。

二、刀具基體材料。涂層刀具的基體材料與涂層材料應合理匹配，須根據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。涂層硬質合金刀具的基體，在加工鋼材時，宜選擇加工鋼材的硬質合金，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。用涂層硬質合金通用刀具加工中碳結構鋼時的切削速度，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、耐熱耐氧化、摩擦因數低，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。又突破了在硬質合金基體上涂覆金剛石薄膜技術，全面提高了刀具的性能。

工藝最成熟和應用最廣泛的硬質涂層材料是TiN，但TiN與基體結合強度不及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，并形成不同成份的多層結構，可降低涂層的內應力，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、中國株洲硬質合金廠生產的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構涂層（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?。?.05），適于涂覆絲錐、鉆頭等刀具，可改善排屑性能，或者作為復合涂層的表面涂層，減少切屑的粘結。

技術發(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量較好。

④由于涂層刀具（刀片）的綜合性能良好，故涂層硬質合金刀片有較好的通用性，一種涂層硬質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)在高端刀具領域占據壟斷地位，在我國數控機床專項中，刀具及其核心涂層技術的地位日益受到重視，對涂層技術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報告，從而了解到刀具產品表面涂層技術的發(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涂層硬質合金刀片 產品，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?？梢钥闯觯甓嘤?TiCN或TiN作底層，這是因為基體硬質合金有了改進，例如采用了梯度結構，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，在硬質合金刀具上也得到了大量的應用。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涂層技術水平最高，領先于其他國家和地區(qū)。知名的廠商有德國賽利（CemeCon）涂層技術有限公司、歐瑞康巴爾查斯（OerlkonBalzers）公司、德國PVT等離子真空技術公司和丹麥尤尼莫克（Unimerco）公司等。他們的PVD涂層設備和工藝先進，涂層 材料品種多，涂層刀具和其他產品使用性能好。

國外一些知名的高速鋼和硬質合金工具廠，都有涂層刀具（刀片）產品，但涂層設備和工藝多購自涂層技術的專業(yè) 公司，或與之合作，而不是自行研制。據悉，瑞典山特維克公司和以色列伊斯卡公司的PVD涂層設備都是從歐瑞康巴爾查斯公司購進的。中國也應當這樣做，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有77個涂層中 心，在中國蘇州、天津和漢江各設有一個中心，中國鄰近城市和地區(qū)的工具廠家，其涂層產品多在上述中心進行涂層。湖南株洲硬質合金廠和四川自貢長城硬質合金 廠的涂層設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（一般為硬質合金刀具）上使用。CVD厚膜金剛石刀 具應用范圍大于薄膜涂層刀具。在CIMT2007上，很多國內外刀具公司都有CVD薄膜金剛石涂層刀具產品，但只有少數廠家有厚膜產品。北京東方天地超硬 材料工具公司能生產金剛石厚膜刀具產品，并且已有多年的經驗。厚膜刀具應用范圍較廣，能加工各種有色金屬、非金屬硬材料及顆粒增強的復合材料等。

武漢大學物理系用直流反應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。茲介紹部分實驗數據如下：

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 硬質合金刀片。

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