涂層刀具的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

    涂層技術(shù)是提升刀具性能的主要手段之一。通過涂層提高了切削刀具抗各種磨損的能力，延長(zhǎng)了刀具的壽命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和進(jìn)給速度，從而提高了金屬切削效率。今天，在切削刀具主流材料的硬質(zhì)合金中，涂層硬質(zhì)合金刀具占了80%，而其中CVD（化學(xué)涂層）又占了60％～65%，其余為PVD（物理涂層）。

    在CVD涂層方面，包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各種化合物的多層復(fù)合涂層對(duì)改善涂層的綜合性能，如結(jié)合強(qiáng)度、韌性、耐磨性和抗磨性及耐腐蝕性具有良好的效果。現(xiàn)在典型的VCDTiN（外層）+Al2O3（中層）+TiCN（內(nèi)層）多層式結(jié)構(gòu)正在從涂層工藝上和涂膜的厚度上得到進(jìn)一步改善。MTCVD（中溫化學(xué)涂層）因有較低的工藝溫度和較快的沉積速率使得涂層與基體分界面上的脆性η相最小化，同時(shí)減少了在高溫CVD涂層中常見的由高溫導(dǎo)致的拉伸裂紋，因此，MTCVDTiCN涂層已成為CVD多層涂層中的一個(gè)主要構(gòu)成，這種MTVCD已用于α-Al2O3涂層，如ISCAR的α-IC9150、α-IC9250、α-IC9350和α-IC4100等，提升了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度和抗后面磨損、前面磨損和抗粘附的能力。

    在PVD涂層方面，也從單一的TiN或TiCN或TiAlN涂層發(fā)展到現(xiàn)在的復(fù)合涂層即硬涂層+軟涂層。為適應(yīng)更高切削速度和干式切削的要求，涂層刀具的紅硬性成為近幾年P(guān)VD技術(shù)的開發(fā)熱點(diǎn)。TiAlN的改進(jìn)涂層AlTiN提高了薄膜中Al的含量（Al含量大于50%），提升了涂層的紅硬性、化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化的性能，如ISCAR的Al-IC910（加工鑄鐵和鋼）、Al-IC900、Al-IC930（加工鋼、不銹鋼、硬鋼、鑄鐵、高溫合金等）。

    現(xiàn)代刀具涂層發(fā)展的一個(gè)重要特征就是復(fù)合化，為了提高其綜合性能，涂層材料復(fù)合、涂層層復(fù)合以及CVD與PVD復(fù)合，如ISCAR的DT7150（K05-K25）通過MTCVDAl2O3和PVDTiAlN復(fù)合涂層，提高了材質(zhì)的綜合性能，用于高速加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵。而多樣化是刀具涂層發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)，有各種氮化物、氧化物涂層材料，還有TiB、SN涂層、金剛石涂層、立方氮化硼涂層等等。多樣化的深層次原因是專業(yè)化，即針對(duì)不同的需求采用不同的涂層，并能對(duì)涂層的組分、百分比、結(jié)構(gòu)及厚度在更大范圍內(nèi)加以控制和改變，以適應(yīng)不同的被加工材料和不同的切削條件，從而顯著地提高刀具的切削性能。如CrAlN涂層，以Cr元素替代Ti元素，具有3200HV硬度和1100℃的氧化溫度，與TiAlN相比韌性更好，更適合斷續(xù)切削和難加工材料的加工；以Si元素代替Al元素的涂層可獲得用于硬切削的TiSiN，也可獲得有潤(rùn)滑性的CrSiN，更適合用于鋁、不銹鋼等粘附性強(qiáng)的材料加工。此外，涂層材料的細(xì)微化是現(xiàn)代刀具涂層發(fā)展的另一個(gè)令人關(guān)注的趨勢(shì)，納米復(fù)合涂層正在越來越多的地方得到應(yīng)用。在未來，刀具涂層將是一個(gè)系統(tǒng)的概念，即刀具涂層必須根據(jù)不斷變化的現(xiàn)代切削應(yīng)用條件來進(jìn)行系統(tǒng)的組合，這是一種與傳統(tǒng)觀念中的“在刀具上涂覆一層薄膜”截然不同且復(fù)雜得多的系統(tǒng)工程方法，這需要我們進(jìn)行系統(tǒng)思考。

    刀具涂層進(jìn)展概況

    現(xiàn)代切削面臨著不斷發(fā)展的高速、高效、高精加工要求和愈來愈多的高強(qiáng)度、高韌性、難切削等高能級(jí)材料，加之硬加工、干切削等切削要求日新月異，使得切削刀材料難以滿足日趨復(fù)雜的綜合切削性能要求。若在材料的整體性能上去滿足要求，不僅在資源的利用上極不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)在材料技術(shù)方面也是高難度，甚至是難以達(dá)到的?？紤]到切削過程表面作用是第一性的特點(diǎn)，就可通過材料表面改性技術(shù)的方法來賦予切削刀具的綜合切削性能。實(shí)踐表明，作為刀具材料表面改性技術(shù)之一的化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）工藝技術(shù)，在現(xiàn)代切削刀具方面的應(yīng)用取得了十分理想的效果。尤其是PVD，由于其工藝溫度低于CVD，不會(huì)影響刀具基材的性能，且工藝方案的變化靈活，其應(yīng)用日趨廣泛，已成為現(xiàn)代刀具制造的核心技術(shù)之一，由此可以說，現(xiàn)代刀具的發(fā)展成為了刀具涂層發(fā)展的動(dòng)力，并為其創(chuàng)造了非凡的發(fā)展空間,并幾乎將發(fā)達(dá)國(guó)家所有從事涂層設(shè)備制造和涂層服務(wù)的企業(yè)都吸引到國(guó)內(nèi)來，形成了群雄并起的局面。這也就是為什么近兩年來刀具涂層無論在數(shù)量上還是在技術(shù)水平上都得到快速發(fā)展的原因，并確實(shí)推動(dòng)了我國(guó)涂層工藝技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展。
    當(dāng)前，單一涂層顯然已無法滿足現(xiàn)代刀具性能上的要求。高耐磨性、低摩擦系數(shù)的多元復(fù)合涂層、高韌性和抗沖擊性能的多層涂和梯度涂層、具有氧化膜熱障頂層和耐熱及抗熱沖擊的復(fù)合涂層、具有耐磨、耐熱、低摩擦、高韌性等綜合性能的納米組份（顆粒）的多層涂、用于加工纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的純金剛石涂層，以及各類屬專有技術(shù)（專利）具有特殊功能的個(gè)性化涂層（如人體植入件涂層）等紛紛應(yīng)運(yùn)而生。另一方面，刀具涂層亦反作用于現(xiàn)代刀具，使現(xiàn)代刀具的技術(shù)水平不斷躍上新的臺(tái)階，達(dá)到了相互促進(jìn)，共同發(fā)展的效果。

    在涂層設(shè)備方面，高度的集成化、模塊化結(jié)構(gòu)和智能化的運(yùn)作，不僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的現(xiàn)代化；同時(shí)使工藝精細(xì)、調(diào)節(jié)自如、高穩(wěn)定性和高可靠性，因而可做到涂層的精益生產(chǎn)和清潔（綠色）生產(chǎn)，這是確?，F(xiàn)代切削刀具成為高技術(shù)性能產(chǎn)品的有效手段。

    可以預(yù)期，我國(guó)的刀具涂層在不久的將來會(huì)步入一個(gè)快速發(fā)展期，會(huì)出現(xiàn)越來越多的由我國(guó)自行涂層加工的高性能涂層刀具，在不斷地提高我國(guó)的切削加工技術(shù)水平，發(fā)展我國(guó)現(xiàn)代制造業(yè)方面，發(fā)揮越來越大的作用。

    最新的刀具涂層發(fā)展

    從1970年最先采用的CVDTiN/TiC/TiCN到1980年開始的PVD涂層技術(shù)，現(xiàn)代涂層技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用到刀具、模具、零部件和裝飾產(chǎn)品上。采用涂層技術(shù)可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，從而大幅度提高機(jī)械加工效率。因此，涂層技術(shù)與材料、切削加工工藝一起并稱為切削刀具制造領(lǐng)域的三大關(guān)鍵技術(shù)。相對(duì)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的TiC、TiCN、CrN、TiAlN、TiAlCN，為滿足現(xiàn)代機(jī)械加工對(duì)高效率、高精度、高可靠性的要求，下一代的涂層技術(shù)將向高性能涂層技術(shù)發(fā)展，其開發(fā)的最新一代的高性能涂層專門針對(duì)高檔刀具，尤其是硬質(zhì)合金刀具；現(xiàn)代CNC機(jī)床的高精度、高速、大切削量加工刀具；干切削；高效率加工、大批量生產(chǎn)等場(chǎng)合。銑刀和齒輪滾刀上都有很好的表現(xiàn)。針對(duì)鉆孔刀而開發(fā)的復(fù)合涂層（TiN+DLC,TiCN+DLC，AlTiN+DLC）在原有涂層的基礎(chǔ)上加DLC涂層（類金剛石涂層），從而得到極為光滑的表面，降低摩擦系數(shù)，從根本上解決深孔加工中的排屑問題而導(dǎo)致的孔徑尺寸超差現(xiàn)象的發(fā)生。AlTiN能降低加工扭矩50%以上，從而極大地提高刀具的性能，基于TiSi涂層材料，針對(duì)硬、難加工材料的高速切削。

    高性能涂層在滾刀上的應(yīng)用有含Si高性能涂層，專門針對(duì)加工速度大于120m/min，要求高速、高效的批量生產(chǎn)的滾齒加工。涂層針對(duì)高速干切削；涂層針對(duì)中要求涂層。在一組加工速度為180m/min的干切削滾齒加工實(shí)驗(yàn)中，普通的AlTiN能生產(chǎn)的齒輪數(shù)為980個(gè)/把刀，而能生產(chǎn)的齒輪數(shù)為2000個(gè)，刀具壽命提高了1倍。
    涂層廠商應(yīng)該在充分了解客戶的產(chǎn)品應(yīng)用、需求、加工參數(shù)、設(shè)備狀況的基礎(chǔ)上，根據(jù)客戶的實(shí)際情況提供客戶化的涂層參數(shù)設(shè)計(jì)，從而最大程度地發(fā)揮涂層的性能，達(dá)到刀具的最佳壽命，增強(qiáng)與客戶的溝通和協(xié)作，在實(shí)際的涂層服務(wù)過程中是極為重要的。

    減少切削污染

    各種機(jī)電產(chǎn)品的過早失效破壞中約有70％是由磨損和腐蝕造成的，而這兩種失效方式都與材料的表面狀態(tài)（物理、化學(xué)和應(yīng)力狀態(tài)等）密切相關(guān)。因此，提高這類材料使用性能的關(guān)鍵是提高其表面性能。

    隨著科技的發(fā)展，對(duì)材料的表面性能的要求越來越高。近幾十年來各種氣相沉積技術(shù)的興起，使表面工程技術(shù)的研究和應(yīng)用都取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。這些技術(shù)不但實(shí)現(xiàn)了機(jī)械性能的要求，如耐磨、減摩和抗蝕，而且在電磁、光學(xué)、光電子學(xué)、熱學(xué)、超導(dǎo)和生物學(xué)等與表層有關(guān)的功能材料領(lǐng)域大顯身手。表面工程學(xué)不僅使低廉的金屬材料在性能與效益方面發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)，而且已成為研制各種新型鍍層和薄膜材料的重要手段，具有巨大的應(yīng)用潛力。

    隨著機(jī)械加工工業(yè)水平的提高，對(duì)刀具提出了新的要求。除了提高使用壽命外還要求減少切削時(shí)的污染，盡可能使用干切削。在不能完全取消切削液的時(shí)候，盡量做到其中只含防銹劑而無有機(jī)物，這樣可以使循環(huán)回收的成本大為降低。

    切削工具的多樣性和使用時(shí)的工作狀態(tài)特點(diǎn)決定了選擇刀具鍍層的不同。車削和鉆孔不同，銑刀又應(yīng)考慮其斷續(xù)沖擊的特點(diǎn)。早期發(fā)展的涂層以耐磨為主要著眼點(diǎn)，以提高硬度為主要指標(biāo)。以氮化鈦為代表的此類涂層具有較高的摩擦系數(shù)(0.4～0.6)，加工時(shí)與工件之間不斷摩擦將產(chǎn)生大量熱能。為避免刀具過熱發(fā)生變形影響加工精度和延長(zhǎng)其使用壽命，通常使用切削液。

    要解決減少或免除切削液帶來的問題，刀具鍍層不僅應(yīng)使刀具具有長(zhǎng)壽命，且應(yīng)有自潤(rùn)滑的功能。類金剛石涂層（DLC）的出現(xiàn)在對(duì)某些材料(Al、Ti及其復(fù)合材料)的機(jī)械加工方面顯示出優(yōu)勢(shì)，但經(jīng)過多年的研究表明類金剛石涂層的內(nèi)應(yīng)力高、熱穩(wěn)定性差和與黑色金屬間的觸媒效應(yīng)使SP3結(jié)構(gòu)向SP2轉(zhuǎn)變等三種缺點(diǎn)，決定了它目前只能應(yīng)用于加工有色金屬，因而限制了它在機(jī)加工方面的進(jìn)一步應(yīng)用。但是近年來的研究表明，以SP2結(jié)構(gòu)為主的類金剛石涂層(也稱為類石墨涂層)硬度也可達(dá)到20～40GPa，卻不存在與黑色金屬起觸媒效應(yīng)的問題，其摩擦系數(shù)很低又有很好的抗?jié)裥?，切削時(shí)可以用冷卻劑也可用于干切削，其壽命比非鍍層刀有成倍的提高，加工鋼鐵材料不存在問題，因而引起了涂層公司、刀具廠家極大的興趣。假以時(shí)日，這種新型的類金剛石涂層會(huì)在切削領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。