金屬切削加工必須滿足對(duì)生產(chǎn)率和加工速度不斷提高的要求。加工時(shí)產(chǎn)生的摩擦、工件和刀具的磨損是造成生產(chǎn)率損失的主要因素。根據(jù)德國摩擦學(xué)會(huì)的報(bào)告，在工業(yè)化國家，每年僅由摩擦和磨損造成的損失就占到社會(huì)生產(chǎn)總值的大約5%，因此可以改善刀具的摩擦和磨損性能的刀具涂層技術(shù)便得到了現(xiàn)代工業(yè)的廣泛重視。

刀具涂層技術(shù)可使刀具獲得表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等優(yōu)異性能，且能有效提高刀具壽命和切削速度。目前在工業(yè)發(fā)達(dá)國家涂層刀具已占80%以上，其CNC機(jī)床上所用的切削刀具90%以上是涂層刀具。

一、刀具涂層基本介紹

涂層刀具有四種:高速鋼涂層刀具，硬質(zhì)合金涂層刀具，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。

刀具磨損機(jī)理研究表明,在高速切削時(shí),刀刃溫度最高可達(dá)900℃，此時(shí)刀具磨損不僅是機(jī)械摩擦磨損，還有粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損、摩擦氧化磨損和疲勞破損，這5種磨損直接影響刀具的使用壽命。

而刀具涂層所起的作用表現(xiàn)為:

1. 在刀具與被切削材料之間形成隔離層；

2. 通過抑制從切削區(qū)到刀片的熱傳導(dǎo)來降低熱沖擊；

3. 有效減少摩擦力及摩擦熱。刀具通過涂層處理,實(shí)現(xiàn)固體潤滑,減少摩擦和粘結(jié),使刀具吸收熱量減少,從而可承受較高的切削溫度。

二、刀具涂層方法

目前常用的刀具涂層方法有化學(xué)氣相沉積法(CVD)、物理氣相沉積法(PVD)、等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)等，其中以CVD和PVD應(yīng)用最為廣泛。

1、化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是利用金屬鹵化物的蒸氣、氫氣和其它化學(xué)成分，在950℃－1050℃高溫下，進(jìn)行分解、熱合等氣固反應(yīng)，或利用化學(xué)傳輸作用，在加熱基體表面形成固態(tài)沉積層的一種方法。

高溫化學(xué)氣相沉積涂層的優(yōu)點(diǎn):

（1）涂層源的制備相對(duì)容易；

（2）可實(shí)現(xiàn)TiC、TiN、TiCN等單層及多元復(fù)合涂層；

（3）涂層與基體之間具有很高的結(jié)合強(qiáng)度；

（4）涂層具有良好的耐磨性能。

缺點(diǎn):

（1）涂層是在1000以上的溫度下沉積而成，由于涂覆溫度高，使涂層與基體之間容易產(chǎn)生一層脆性的脫碳層，導(dǎo)致刀具脆性破裂，抗彎強(qiáng)度大大下降；

（2）涂層內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，使用時(shí)容易產(chǎn)生微裂紋，影響刀具性能；

（3）CVD工藝在涂層過程中排放的廢氣、廢液會(huì)造成環(huán)境污染。

化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝圖

2、物理氣相沉積法

物理氣相沉積法(PVD)是指在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質(zhì)與氣體都發(fā)生電離，利用電場的加速作用，使被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件上。

物理氣相沉積涂層的優(yōu)點(diǎn):

（1）涂層沉積溫度低，一般在600以下，對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度影響很小；

（2）涂層內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)是壓應(yīng)力，更適應(yīng)于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層；

（3）對(duì)環(huán)境不造成污染；

（4）隨著納米涂層的出現(xiàn)，PVD涂層刀具質(zhì)量顯著提高，不僅具有結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高和抗氧化性能好等優(yōu)點(diǎn)，還能有效地控制精密刀具刃口形狀及精度。

缺點(diǎn):

（1）涂層設(shè)備復(fù)雜、工藝要求高、涂層時(shí)間長，使得刀具的成本增加；

（2）生產(chǎn)的刀具抗沖擊性能、硬度和均勻性比CVD技術(shù)生產(chǎn)的刀具差，使用壽命也比CVD技術(shù)生產(chǎn)的刀具短；

（3）涂層的刀具幾何形狀單一，使用領(lǐng)域受限；

（4）易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和微裂紋，原因是涂層與基體在冷卻時(shí)收縮率不同。

PVD涂層爐內(nèi)部一瞥

對(duì)比：CVD涂層技術(shù)和 PVD涂層技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)。PVD 涂層技術(shù)工藝溫度低，不影響硬質(zhì)合金刀具自身的強(qiáng)度且刀片刃部可磨得十分鋒利，也可進(jìn)行除Al2O3外的多種涂層； CVD 涂層技術(shù)使得涂層與基體具有更好的結(jié)合強(qiáng)度，且膜厚易于控制，一般車削刀片的CVD涂層性能要高于 PVD涂層。因此2種涂層技術(shù)各顯其能，在刀具涂層市場中占有各自的份額。

3、等離子體化學(xué)氣相沉積法

國外采用 CVD 與 PVD 相結(jié)合的技術(shù)，最新開發(fā)出一種低溫涂層新工藝，稱為等離子體化學(xué)氣相沉積法(PCVD)，它利用等離子體來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，可把溫度降低至600 ℃以下。由于涂層溫度低，在硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會(huì)發(fā)生擴(kuò)散或交換反應(yīng)，因而基本上可保持刀片原有的韌性，且具有更優(yōu)異的切削性能。

4、離子束輔助沉積技術(shù)

離子束輔助沉積技術(shù)(IBAD)是一種新興的PVD 涂層技術(shù)。離子輔助氣相沉積技術(shù)是指在冷相沉積涂層的同時(shí)，用具有一定能量的離子束轟擊不斷沉積的物質(zhì)，使沉積原子與基體原子不斷混合，界面處原子相互滲透溶為一體，從而大大改善涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。它能使沉積溫度降低到200℃－500℃，因而可以在較低溫度下制備 C、N、B 化合物、立方氮化硼和金剛石超硬涂層，可用于因結(jié)合力欠佳而難以涂層的硬質(zhì)合金。

三、刀具涂層材料

1、硬涂層

硬涂層包括了單層薄膜和復(fù)合薄膜。涂層材料以TiC、TiN、TiCN、（Ti，Al）N、金剛石涂層等為代表。近年來，隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，新的涂層材料不斷出現(xiàn)，簡述如下：

（1）碳化鈦（TiC）

TiC是最早被開發(fā)出來涂層材料之一，有著廣泛的應(yīng)用。TiC的硬度較高（可達(dá)3200HV左右），抗磨損性能好，適用于涂覆產(chǎn)生劇烈磨損的刀具。但它性脆，膜層內(nèi)部的內(nèi)聚力相對(duì)較低，并且在300℃的低溫下就會(huì)開始分解。

（2）氮化鈦（TiN）

TiN的硬度(可達(dá)2000HV，相當(dāng)于80－85HＲC)雖比TiC低，但其化學(xué)穩(wěn)定性好，與金屬的親和力小，摩擦系數(shù)低，潤滑性好，在空氣中抗氧化性能比TiC好，刃口無倒圓，切削時(shí)可大大減少刀具的摩擦和磨損，防止黏結(jié)與冷焊，并且涂層呈金黃色、外觀好，因而是一種較理想的涂層材料。

（3）碳氮化鈦（TiCN）

TiCN涂層是通過向TiN涂層中加入C元素得到的。C元素在涂層中可以使涂層具有更高的硬度和抗氧化溫度。TiCN層兼具了TiC和TiN涂層的綜合性能，可有效降低涂層總內(nèi)應(yīng)力，繼而阻止涂層裂紋擴(kuò)散，并且提高涂層的韌性，顯著提高刀具使用壽命。且在低溫條件下，TiCN涂層相比于TiAlN及TiN涂層具有更高的硬度以及更小的摩擦系數(shù)和更低的表面粗糙度。

（4）（Ti，Al）N

（Ti，Al）N涂層在高速切削中性能優(yōu)異，它比TiN更能有效地用于連續(xù)高速車削，也適合于加工鈦合金、鎳合金不銹鋼等工件。這種涂層因固溶硬化而有較好的硬度保持性，其抗氧化性能也比TiN和TiCN好。（Ti，A1）N在切削時(shí)會(huì)在刀屑界面上形成一層由一種非晶體的氧化鋁組成的硬的惰性的保護(hù)膜，此膜的導(dǎo)熱性差，可使切屑帶走更多的切削熱。

（5）氮鉻化鋁（AlCrN）

AlCrN涂層是一種無鈦涂層，與TiAlN相比，它具有更高的紅硬性及抗氧化性能，使用溫度可以達(dá)到1000℃，適合于硬質(zhì)合金及高速鋼材料涂層，用于銑削和車削加工，切削速度可以達(dá)到400 m/min以上。

（6）氧化鋁（Al2O3）

相比于TiC和TiN涂層刀具，Al2O3涂層刀具具有更高的切削性能。在進(jìn)行鋼件高速切削時(shí)，Al2O3具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性和高溫抗氧化能力，在高溫下硬度的降低較TiC涂層小，因此具有更好的抗磨損和熱塑性變形的能力，具有較高的耐用度。

（7）金剛石涂層

金剛石涂層的顯微硬度可達(dá)10000 HV，熱導(dǎo)性高，摩擦因數(shù)很低，適合于有色金屬合金的高速切削。目前，許多沉積金剛石薄膜的溫度要求為600～900℃，因此該技術(shù)常用于硬質(zhì)合金刀具表面沉積金剛石薄膜。

（8）立方氮化硼（CBN）

CBN涂層的硬度和導(dǎo)熱率方面僅次于金剛石，具有優(yōu)良的耐磨損性能，熱穩(wěn)定性極好，在大氣中加熱至1000℃也不發(fā)生氧化。CBN對(duì)于鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能，與金剛石不宜加工鋼材不同，它可以廣泛用于鋼鐵制品的精加工、研磨等。

2、軟涂層

目前使用較多的硬涂層刀具追求的是高硬度和耐磨性，然而硬涂層并不適用于在航空航天工業(yè)中使用的許多高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金或貴金屬材料，于是“軟”涂層便應(yīng)運(yùn)而生了。

刀具“軟”涂層的主要成分為具有低摩擦系數(shù)的固體潤滑材料，如：MoS2、WS2、CaS2、TaS2等。在特殊條件下使用時(shí)具有優(yōu)良的摩擦學(xué)特性，如:摩擦系數(shù)低、承載極限高、高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好、物性變化小、能適應(yīng)1200℃以上的工作溫度范圍和很寬的摩擦副運(yùn)動(dòng)速度范圍。

目前“軟”涂層刀具技術(shù)在國內(nèi)研究較少，但“軟”涂層刀具可應(yīng)用于干切削，對(duì)阻止粘結(jié)、減小摩擦、提高刀具壽命、降低加工成本等具有重大的理論和實(shí)際意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。

資料來源：

1. 張勤儉,趙路明,劉敏之,楊小慶.刀具涂層技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).有色金屬科學(xué)與工程.2014.5(2).

2. 郭杰,徐看,劉利國,張盼盼.刀具涂層技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).工具技術(shù).2014.48.

3. 康勃,馬瑞新,吳中亮,王目孔.林煒現(xiàn)代刀具涂層制備技術(shù)的研究現(xiàn)狀.2008.37(2).

4. 李丙才,李陽.刀具涂層材料的發(fā)展.機(jī)械制造.2012.50(571).

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