塗層刀具的應用現狀及發展趨勢

    塗層技術是提升刀具性能的主要手段之一。通過塗層提高了切削刀具抗各種磨損的能力，延長了刀具的壽命，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合金中，塗層硬質合金刀具占了80%，而其中CVD（化學塗層）又占了60％～65%，其餘為PVD（物理塗層）。

    在CVD塗層方面，包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各種化合物的多層複合塗層對改善塗層的綜合性能，如結合強度、韌性、耐磨性和抗磨性及耐腐蝕性具有良好的效果。現在典型的VCDTiN（外層）+Al2O3（中層）+TiCN（內層）多層式結構正在從塗層工藝上和塗膜的厚度上得到進一步改善。MTCVD（中溫化學塗層）因有較低的工藝溫度和較快的沉積速率使得塗層與基體分界面上的脆性η相最小化，同時減少了在高溫CVD塗層中常見的由高溫導致的拉伸裂紋，因此，MTCVDTiCN塗層已成為CVD多層塗層中的一個主要構成，這種MTVCD已用於α-Al2O3塗層，如ISCAR的α-IC9150、α-IC9250、α-IC9350和α-IC4100等，提升了塗層與基體的結合強度和抗後面磨損、前面磨損和抗粘附的能力。

    在PVD塗層方面，也從單一的TiN或TiCN或TiAlN塗層發展到現在的複合塗層即硬塗層+軟塗層。為適應更高切削速度和乾式切削的要求，塗層刀具的紅硬性成為近幾年PVD技術的開發熱點。TiAlN的改進塗層AlTiN提高了薄膜中Al的含量（Al含量大於50%），提升了塗層的紅硬性、化學穩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、不鏽鋼、硬鋼、鑄鐵、高溫合金等）。

    現代刀具塗層發展的一個重要特徵就是複合化，為了提高其綜合性能，塗層材料複合、塗層層複合以及CVD與PVD複合，如ISCAR的DT7150（K05-K25）通過MTCVDAl2O3和PVDTiAlN複合塗層，提高了材質的綜合性能，用於高速加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵。而多樣化是刀具塗層發展的另一個趨勢，有各種氮化物、氧化物塗層材料，還有TiB、SN塗層、金剛石塗層、立方氮化硼塗層等等。多樣化的深層次原因是專業化，即針對不同的需求採用不同的塗層，並能對塗層的組分、百分比、結構及厚度在更大範圍內加以控制和改變，以適應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塗層，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，更適合斷續切削和難加工材料的加工；以Si元素代替Al元素的塗層可獲得用於硬切削的TiSiN，也可獲得有潤滑性的CrSiN，更適合用於鋁、不鏽鋼等粘附性強的材料加工。此外，塗層材料的細微化是現代刀具塗層發展的另一個令人關注的趨勢，納米複合塗層正在越來越多的地方得到應用。在未來，刀具塗層將是一個系統的概念，即刀具塗層必須根據不斷變化的現代切削應用條件來進行系統的組合，這是一種與傳統觀念中的「在刀具上塗覆一層薄膜」截然不同且複雜得多的系統工程方法，這需要我們進行系統思考。

    刀具塗層進展概況

    現代切削麵臨著不斷發展的高速、高效、高精加工要求和愈來愈多的高強度、高韌性、難切削等高能級材料，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複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濟，同時在材料技術方面也是高難度，甚至是難以達到的。考慮到切削過程表面作用是第一性的特點，就可通過材料表面改性技術的方法來賦予切削刀具的綜合切削性能。實踐表明，作為刀具材料表面改性技術之一的化學氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）工藝技術，在現代切削刀具方面的應用取得了十分理想的效果。尤其是PVD，由於其工藝溫度低於CVD，不會影響刀具基材的性能，且工藝方案的變化靈活，其應用日趨廣泛，已成為現代刀具製造的核心技術之一，由此可以說，現代刀具的發展成為了刀具塗層發展的動力，並為其創造了非凡的發展空間,並幾乎將已開發國家所有從事塗層設備製造和塗層服務的企業都吸引到國內來，形成了群雄並起的局面。這也就是為什麼近兩年來刀具塗層無論在數量上還是在技術水平上都得到快速發展的原因，並確實推動了我國塗層工藝技術和生產的發展。
    當前，單一塗層顯然已無法滿足現代刀具性能上的要求。高耐磨性、低摩擦係數的多元複合塗層、高韌性和抗衝擊性能的多層塗和梯度塗層、具有氧化膜熱障頂層和耐熱及抗熱衝擊的複合塗層、具有耐磨、耐熱、低摩擦、高韌性等綜合性能的納米組份（顆粒）的多層塗、用於加工纖維增強複合材料的純金剛石塗層，以及各類屬專有技術（專利）具有特殊功能的個性化塗層（如人體植入件塗層）等紛紛應運而生。另一方面，刀具塗層亦反作用於現代刀具，使現代刀具的技術水平不斷躍上新的台階，達到了相互促進，共同發展的效果。

    在塗層設備方面，高度的集成化、模塊化結構和智能化的運作，不僅實現了設備的現代化；同時使工藝精細、調節自如、高穩定性和高可靠性，因而可做到塗層的精益生產和清潔（綠色）生產，這是確保現代切削刀具成為高技術性能產品的有效手段。

    可以預期，我國的刀具塗層在不久的將來會步入一個快速發展期，會出現越來越多的由我國自行塗層加工的高性能塗層刀具，在不斷地提高我國的切削加工技術水平，發展我國現代製造業方面，發揮越來越大的作用。

    最新的刀具塗層發展

    從1970年最先採用的CVDTiN/TiC/TiCN到1980年開始的PVD塗層技術，現代塗層技術現在已經廣泛應用到刀具、模具、零部件和裝飾產品上。採用塗層技術可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優良的綜合機械性能，從而大幅度提高機械加工效率。因此，塗層技術與材料、切削加工工藝一起並稱為切削刀具製造領域的三大關鍵技術。相對現在廣泛應用的TiC、TiCN、CrN、TiAlN、TiAlCN，為滿足現代機械加工對高效率、高精度、高可靠性的要求，下一代的塗層技術將向高性能塗層技術發展，其開發的最新一代的高性能塗層專門針對高檔刀具，尤其是硬質合金刀具；現代CNC工具機的高精度、高速、大切削量加工刀具；干切削；高效率加工、大批量生產等場合。銑刀和齒輪滾刀上都有很好的表現。針對鑽孔刀而開發的複合塗層（TiN+DLC,TiCN+DLC，AlTiN+DLC）在原有塗層的基礎上加DLC塗層（類金剛石塗層），從而得到極為光滑的表面，降低摩擦係數，從根本上解決深孔加工中的排屑問題而導致的孔徑尺寸超差現象的發生。AlTiN能降低加工扭矩50%以上，從而極大地提高刀具的性能，基於TiSi塗層材料，針對硬、難加工材料的高速切削。

    高性能塗層在滾刀上的應用有含Si高性能塗層，專門針對加工速度大於120m/min，要求高速、高效的批量生產的滾齒加工。塗層針對高速干切削；塗層針對中要求塗層。在一組加工速度為180m/min的干切削滾齒加工實驗中，普通的AlTiN能生產的齒輪數為980個/把刀，而能生產的齒輪數為2000個，刀具壽命提高了1倍。
    塗層廠商應該在充分了解客戶的產品應用、需求、加工參數、設備狀況的基礎上，根據客戶的實際情況提供客戶化的塗層參數設計，從而最大程度地發揮塗層的性能，達到刀具的最佳壽命，增強與客戶的溝通和協作，在實際的塗層服務過程中是極為重要的。

    減少切削污染

    各種機電產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（物理、化學和應力狀態等）密切相關。因此，提高這類材料使用性能的關鍵是提高其表面性能。

    隨著科技的發展，對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的興起，使表面工程技術的研究和應用都取得了突飛猛進的發展。這些技術不但實現了機械性能的要求，如耐磨、減摩和抗蝕，而且在電磁、光學、光電子學、熱學、超導和生物學等與表層有關的功能材料領域大顯身手。表面工程學不僅使低廉的金屬材料在性能與效益方面發揮出更大的優勢，而且已成為研製各種新型鍍層和薄膜材料的重要手段，具有巨大的應用潛力。

    隨著機械加工工業水平的提高，對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的污染，儘可能使用干切削。在不能完全取消切削液的時候，儘量做到其中只含防鏽劑而無有機物，這樣可以使循環回收的成本大為降低。

    切削工具的多樣性和使用時的工作狀態特點決定了選擇刀具鍍層的不同。車削和鑽孔不同，銑刀又應考慮其斷續衝擊的特點。早期發展的塗層以耐磨為主要著眼點，以提高硬度為主要指標。以氮化鈦為代表的此類塗層具有較高的摩擦係數(0.4～0.6)，加工時與工件之間不斷摩擦將產生大量熱能。為避免刀具過熱發生變形影響加工精度和延長其使用壽命，通常使用切削液。

    要解決減少或免除切削液帶來的問題，刀具鍍層不僅應使刀具具有長壽命，且應有自潤滑的功能。類金剛石塗層（DLC）的出現在對某些材料(Al、Ti及其複合材料)的機械加工方面顯示出優勢，但經過多年的研究表明類金剛石塗層的內應力高、熱穩定性差和與黑色金屬間的觸媒效應使SP3結構向SP2轉變等三種缺點，決定了它目前只能應用於加工有色金屬，因而限制了它在機加工方面的進一步應用。但是近年來的研究表明，以SP2結構為主的類金剛石塗層(也稱為類石墨塗層)硬度也可達到20～40GPa，卻不存在與黑色金屬起觸媒效應的問題，其摩擦係數很低又有很好的抗濕性，切削時可以用冷卻劑也可用於干切削，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，因而引起了塗層公司、刀具廠家極大的興趣。假以時日，這種新型的類金剛石塗層會在切削領域得到廣泛的應用。