高速鋼涂層刀具

涂層刀具使用的效果與涂層方法、涂層材料、涂前刀具的處理以及刀具的合理使用等有關。

一、涂層方法

目前生產上涂層有化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、等離子體化學氣相沉積(PCVD)、鹽浴浸鍍、等離子噴涂、熱解沉積涂層及化學涂敷等方法，其中以PVD 和CVD應用最為廣泛。前者沉積溫度500℃左右，涂層厚度為2～5μm；后者沉積溫度800～1000℃，涂層厚度可達5～10μm，并且設備簡單，涂層均勻。但在高速鋼涂層刀具上一般采用PVD法。這是因為CVD法沉積的溫度已超過了高速鋼本身的回火溫度（560℃），因此刀具經過CVD處理后硬度將會降低，必須重新淬硬處理，從而影響刀具的精度；同時經過CVD高溫處理后刀具基體易被化學腐蝕，涂層組織晶粒變粗，而使刀具強度下降，抗沖擊性能變差；此外，CVD處理過程中還會產生有毒HCl氣體，污染周圍環境。而PVD法的沉積溫度低于高速鋼回火溫度，可使預先經過熱處理的高速鋼刀具的機械性能不受影響，同時可避免刀具變形，此外處理過程中一般不產生有毒氣體污染環境。據報道，近年來，國外已研制出一種兼有CVD法的低溫和PVD法的PCVD法，即物理與化學氣相沉積相結合的新方法。我國從1985年起，上海工具刃具廠、哈爾濱工具刃具廠以先后從瑞士、美國和日本引進了涂層設備，為我國全面推廣涂層刀具創造了條件。

二、涂層材料

高速鋼刀具常用的涂層材料有TiN和TiC。TiC的硬度較高（可達HV3200左右，抗磨損性能好，適用于涂覆產生劇烈磨損的刀具；但它性脆，膜層內部的內聚力相對較低，并且在300℃的低溫下就會開始分解。TiN的硬度（可達HV2000，相當于HRC80～85）雖比TiC低，但它的化學穩定性好，與金屬的親和力小，摩擦系數低，潤滑性好，在空氣中抗氧化性能比TiC好，刃口無倒圓，切削時可大大減少刀具的摩擦和磨損，防止黏結與冷焊，并且涂層呈金黃色、外觀好，因而是一種較理想的涂層材料。例如，江蘇某機械制造廠在48×39.5×8和60×50.5×10兩把高速鋼花鍵滾刀上采用TiN涂層后，其耐用度比未涂前的滾刀提高了5～7倍。上海工具刃具廠使用TiN涂層后的高速鋼拉刀耐用度可比未涂層的拉刀提高5～10倍，而且加工出孔的表面粗糙度值也較小。成都工具研究所對高速鋼涂層刀具作斷續沖擊切削實驗，結果表明其壽命比未涂層刀具提高3～5倍。因此涂層刀具不但適用于連續切削加工的刀具上，也適用與銑刀、插齒刀等斷續切削工作的刀具上。但應指出，TiN涂層刀具一般不適用來加工鈦合金材料，否則涂層與工件材料之間會產生化學反應，從而影響使用效果。除上述涂層材料外，還可采用釩、鉭、鉻、鉬和鎢等元素。涂層除可采用單涂層外，也可采用雙涂層或多涂層。如用W6Mo5Co5高速鋼作的直徑￠9mm的麻花鉆，在切削速度v=14～40m/min和進給量f=0.28mm/r時鉆削40Cr鋼，實驗結果見表1。

由上可知，采用TiN涂層的鉆頭能比無涂層鉆頭的耐磨性提高0.5倍，而涂以Cr+TiN和Mo+TiN的鉆頭可分別比無涂層鉆頭的耐磨性提高1倍和2.5倍。據報道，國外已有采用10層或更多層的鈦、鉻及其氮化物構成的復合涂層，每層厚度也越來越薄，效果則越來越好。

三、 影響高速鋼涂層刀具使用效果的因素

高速鋼涂層刀具的使用效果與涂前刀具的表面特性、涂層設備和涂層工藝、刀具基體材料、被加工工件材料、刀具幾何角度和加工時使用的切削用量有關。

1.涂前刀具的表面特性

為使涂層刀具得到符合技術要求的表面質量，刀具的機械加工必須滿足涂層工藝的要求。被涂表面應是光亮的磨光面，不應有退火燒傷等缺陷，并應去磁性；要求在刀具的所有工作表面或刃口上無毛刺，因為毛刺的崩落會導致涂層的剝落；刀具基體上的表面粗糙度應達到：成型刀具Ra≤0.4μm，切削刀具Ra≤0.2μm；此外，刀具表面的清洗質量也十分重要，因為TiN涂層不能與鐵銹、油污和有磨粒的基體有效結合。如果清洗不干凈，使基體表面含有水或微量的油、脂等雜質，將會導致涂層的脫落或雖未脫落卻含有較多雜質而破壞涂層膜的力學性能。因此，刀具切削后的脫水非常重要。目前生產上一般用酒精、丙酮等作脫水劑是不夠的，應選用高效的，加有脫水劑的有機劑做最后清洗劑，才能保證清洗的效果。

2.涂層質量

涂層質量很大程度上取決于涂層設備和涂層工藝。

3.刀具基體材料和被加工工件的材料

用PVD法涂覆TiN涂層，它既可用與W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2通用型高速鋼上，也可用于含Co的超硬高速鋼和粉末冶金高速鋼上。由于粉末冶金基體均勻，使用效果更好。刀具的基體硬度應在HRC65之間，須根據不同的加工要求選用。例如加工鈦合金時，可選用含Co高速鋼作為刀具的基體材料，加工齒輪時，應選用韌性較好的W6Mo5Cr4V2高速鋼作為刀具的基體材料。被加工工件的材料的硬度及其切削加工性，對于涂層刀具的使用效果具有一定的影響。實驗證明，被加工工件的材料的硬度越高，則涂層刀具的效果越好。因此高速鋼涂層刀具特別適用與加工不銹鋼、鈦合金和耐磨合金等難加工材料。

4.刀具的幾何角度

涂層刀具合理的幾何角度，主要取決于刀具的工作條件。實驗證明，當與未涂層刀具以相同的切削速度和進給量工作時，涂層刀具切出的切屑形狀由于摩擦減少而經常變化，此時必須適當改變刀具的幾何角度才能使切屑易于形成；但當以更高的切削速度和進給量工作時，隨著切削溫度的增加，切出的切屑形狀即可恢復到原來的形狀。

5.切削用量和切削液

為了充分發揮涂層刀具的性能，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。目前，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。 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。

四、涂層刀具的刃磨和重涂

涂層刀具磨損后只要磨去極少量的一層材料，便可獲得鋒利的刃口。實驗證明，在刃磨鉸刀和麻花鉆等涂層刀具后刀面時，只要在毗鄰切削刃的前刀面上或鉆頭螺旋出屑槽上的涂層未受損傷，刀具耐磨性即可增加。重新刃磨后的涂層刀具，其耐用度通常可達到原來涂層刀具耐用度的70%左右或更長，仍比未涂層刀具的耐用度要高。刃磨高速鋼涂層刀具所用的砂輪，采用金剛石砂輪與剛玉砂輪比較，優越性并不明顯，因為金剛石砂輪中的碳原子會向鋼中擴散，而用立方氮化硼砂輪磨削時則有較好的效果。刃磨時必須十分注意，不能磨退火，刀具的磨損處應全部磨去，涂層不能剝落。

使用涂層刀具的另一個重要問題是重磨后切削性能恢復的問題，即刀具在每次刃磨（開口）后可否再進行重復涂層的問題。表2列出了高速鋼涂層齒輪滾刀和插齒刀重磨前刀面后再進行重涂后的刀具耐磨性實驗結果見表2。

由表2可知，每把滾刀和插齒刀可加工的齒輪數，重復涂層的比只涂層一次的高400%～900%，比無涂層的高 1500%～2000%。研究表明，這是由于重復涂層后可使刀齒前刀面刃磨掉的涂層重新獲得新的涂層膜，而在刀齒后刀面上每次使用后所產生的微量磨損又可得到及時補償。人們普遍認為刀具經過多次重復涂層后，涂層膜的厚度將會累積增加，而使刀具尺寸超差。然而實驗證明，在上述齒輪滾刀和插齒刀的重復鍍層面上，膜層厚度沒有明顯增加，而用多次重涂后的刀具加工出的齒輪仍能達到圖樣上規定的公差要求。據報道，滾刀經過17次重復涂層后刀齒后刀面涂層膜的累積總厚度也只有5～6μm，而且涂層膜在刀具表面上是均勻的，新涂上去的膜層與原膜層形成冶金結合，兩者沒有可辨別的界層，也無明顯的空穴。此外，用多次重涂后的滾刀和插齒刀切削出的齒輪從傳動來看，也證明重復涂層沒有什么問題。還應指出，重復涂層對其他刀具如麻花鉆、鉸刀和立銑刀等也同樣有效。

（作者單位：湖南化工職業技術學院）