哈爾濱理工大學(xué) （黑龍江 150080） 李錄彬 劉獻(xiàn)禮 岳彩旭 翟元盛

在切削加工中，刀具性能對(duì)切削加工的效率、精度及表面質(zhì)量有著決定性的影響。刀具性能的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)——硬度和強(qiáng)度（韌性）之間似乎總是存在著矛盾，硬度高的材料往往強(qiáng)度和韌性低，而要提高韌性往往是以硬度的下降為代價(jià)的。在較軟的刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜（如TiC、TiN、Al2O3等）組成的涂層刀具，較好地解決了刀具存在的強(qiáng)度和韌性之間的矛盾，是切削刀具發(fā)展的一次革命。

涂層刀具是近20年來(lái)發(fā)展最快的新型刀具。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家涂層刀具已占80%以上，CNC機(jī)床上所用的切削刀具90%以上是涂層刀具。

1. 刀具涂層的特點(diǎn)

（1）力學(xué)和切削性能好。涂層刀具將基體材料和涂層材料的優(yōu)良性能結(jié)合起來(lái)，既保持了基體良好的韌性和較高的強(qiáng)度，又具有涂層的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數(shù)。因此，涂層刀具的切削速度與未涂層的相比，切削速度可提高2~5倍，使用涂層刀具可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）通用性強(qiáng)。涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴(kuò)大，一種涂層刀具可以代替數(shù)種非涂層刀具使用，因而可以大大減少刀具的品種和庫(kù)存量，簡(jiǎn)化刀具管理，降低刀具和設(shè)備成本。

圖 1

圖 2

2. 涂層的分類(lèi)

根據(jù)涂層方法不同，涂層刀具可分為化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapour Deposition，簡(jiǎn)稱(chēng)CVD）涂層刀具、物理氣相沉積（Physical Vapour Depositon，簡(jiǎn)稱(chēng)PVD）涂層刀具及混合工藝和組合技術(shù)。CVD涂層原理如圖1a所示，PVD涂層原理如圖1b所示。混合工藝是等離子輔助CVD技術(shù)與傳統(tǒng)的PVD技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合。比如先沉積傳統(tǒng)的CrN硬質(zhì)涂層，再在最上面沉積一層用于減少摩擦的DLC涂層。組合技術(shù)是涂層前對(duì)工具或零部件的表面層進(jìn)行氮化，可以提高涂層的功效。

CVD可以涂覆耐磨損性?xún)?yōu)異的TiCN、耐熱性非常優(yōu)異的Al2O3厚膜，因此在產(chǎn)生高溫的高速、高效率切削加工中能顯示出長(zhǎng)壽命，CVD涂層如圖2a所示。

PVD一般用在與無(wú)涂層硬質(zhì)合金、高速鋼相同或較高速的切削速度條件下，以延長(zhǎng)刀具壽命為目標(biāo)。對(duì)基體制約少、損傷小，因此特別適合用于要求耐磨損性、耐崩刃性的刀具，也適用于要求鋒利刃口的低進(jìn)給加工與精加工或螺紋加工工具等，PVD涂層如圖2b所示。

根據(jù)涂層刀具基體材料的不同，涂層刀具可分為硬質(zhì)合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具以及在陶瓷和超硬材料（金剛石和立方氮化硼）上的涂層刀具等。涂層硬質(zhì)合金刀具一般采用化學(xué)氣相沉積法，沉積溫度在1 000℃左右。涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法，沉積溫度在500℃左右。

金剛石涂層采用CVD（化學(xué)蒸鍍法）在硬質(zhì)合金基體上合成。合成的涂層具備與天然金剛石相匹敵的硬度與導(dǎo)熱系數(shù)，在非鐵材料的加工中發(fā)揮著優(yōu)異的性能。金剛石涂層刀具由于其良好的切削性能，在切削加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是加工石墨、金屬基復(fù)合材料、高硅鋁合金及許多其他耐磨蝕材料的理想刀具，目前其主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車(chē)和航空航天工業(yè)。金剛石涂層刀具的組織如圖3所示。

根據(jù)涂層材料的性質(zhì)，涂層刀具又可分為兩大類(lèi)，即“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具。“硬”涂層刀具追求的主要目標(biāo)是高的硬度和耐磨性，其主要優(yōu)點(diǎn)是硬度高、耐磨性好，典型的是TiC和TiN涂層，各種涂層刀具如圖4所示?！败洝蓖繉拥毒呤遣捎霉腆w潤(rùn)滑劑如MoS2、WS2等制備的刀具，“軟”涂層追求的目標(biāo)是低摩擦系數(shù)，也稱(chēng)為自潤(rùn)滑刀具，它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，只有0.1左右，可減小粘附、減輕摩擦、降低切削力和切削溫度。

圖3 金剛石涂層刀具的組織

圖4 涂層刀具

對(duì)刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一，涂層刀具的出現(xiàn)，使刀具切削性能有了較大的提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，涂層刀具在數(shù)控加工領(lǐng)域有巨大潛力，將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中最重要的刀具品種。目前國(guó)外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的涂層比例在70%以上，歐洲齒輪刀具的涂層比例高達(dá)90%。涂層技術(shù)已應(yīng)用于立銑刀、鉸刀、復(fù)合孔加工工具、齒輪滾刀、剃齒刀、成形拉刀及各種機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片，滿(mǎn)足高速切削加工各種鋼和鑄鐵、耐熱合金和有色金屬等材料的需要。

3. 涂層刀具的制備

精密工具、零部件和功能件的新型高性能涂層都是由涂層爐生產(chǎn)出來(lái)的。因?yàn)椴煌膽?yīng)用需要不同種類(lèi)的涂層，且需要快速的交貨期，因此涂層爐必須要有足夠的靈活性，以保證生產(chǎn)不同系列的涂層都能有最佳的成本效益?，F(xiàn)代化的涂層設(shè)備能夠在金屬、陶瓷甚至是塑料的表面進(jìn)行快速、穩(wěn)定且全自動(dòng)的涂層?，F(xiàn)代涂層設(shè)備必須滿(mǎn)足以下準(zhǔn)則：①單爐時(shí)間短。②日常運(yùn)營(yíng)成本低。③靈活性高。④設(shè)備保養(yǎng)和備件費(fèi)用、設(shè)計(jì)成本低。⑤生產(chǎn)可靠性高。⑥全自動(dòng)操作。⑦CE認(rèn)證，職業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)高。

4. 涂層的選用

為了更好地選擇和發(fā)展刀具及零部件的最佳功效，需要鑒別其主要及特定的磨損性和失效機(jī)理。磨損、粘附、腐蝕和疲勞都視為磨損機(jī)理，而且都取決于實(shí)際的應(yīng)用。經(jīng)驗(yàn)指出，材料的摩擦和磨損都不是材料的原因，而是整個(gè)系統(tǒng)的原因。因此，在選擇涂層前就必須分析整個(gè)摩擦系統(tǒng)，包括零部件的技術(shù)性能、抗壓力范圍以及磨損機(jī)理的類(lèi)型。

5. 結(jié)語(yǔ)

正確選用涂層是合理使用涂層刀具和充分發(fā)揮涂層功能的前提?，F(xiàn)在的涂層主要是以TiN和CrN為主。當(dāng)然DLC涂層和用于鋁壓鑄模具的新型微合金涂層的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在過(guò)去幾十年間，為了滿(mǎn)足對(duì)功能涂層不斷的要求，工業(yè)等離子表面技術(shù)獲得了十分迅猛的發(fā)展。面向未來(lái)，新的挑戰(zhàn)也會(huì)推動(dòng)現(xiàn)行的涂層技術(shù)和新涂層概念及其應(yīng)用向更先進(jìn)的方向發(fā)展。通過(guò)利用新的蒸發(fā)設(shè)備和濺射理念以及脈沖技術(shù)，電弧PVD和濺射工藝也將更加先進(jìn)。通過(guò)采用超高密度的等離子體和優(yōu)化的電弧蒸發(fā)技術(shù)可以生成微合金涂層和專(zhuān)用設(shè)計(jì)的多結(jié)構(gòu)涂層。涂層的納米設(shè)計(jì)也將成為工具發(fā)展方向之一。