涂層刀具的切削性能及發(fā)展趨勢

姜玉珍 王素秋

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215104）

引言

制造業(yè)的發(fā)展離不開切削刀具，現(xiàn)代切削刀具已經(jīng)成為提升制造業(yè)技術水平的關鍵因素之一，切削加工的要求日趨提高，如高速、高精度、高效、智能和環(huán)保等成為現(xiàn)代切削加工主要追求的目標。而被加工材料的能級不斷提高，如高強和超高強度材料、高韌性、難切削等材料層出不窮。新形勢下對切削加工還提出了特殊要求，如加工硬度50HRC以上的硬加工、微潤滑和無潤滑的干切削不斷涌現(xiàn)，使切削加工中的個性化特點日見顯現(xiàn)。面對這些變化，若要求在刀具的設計和制造工藝或刀具材料的整體性能上來適應這些要求，技術上的難度是很大的，尤其對刀具材料而言，不僅在資源利用上極不經(jīng)濟，而且要求材料滿足日趨復雜的綜合切削性能，通常難以做到。

采用而涂層刀具是解決上述問題的最佳方案之一，涂層刀具對改善的刀具性能起著非常重要的作用。經(jīng)涂層的刀具大大提高了加工效率、加工精度、延長了刀具壽命、降低了加工成本，由此可以說，現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展推動了刀具業(yè)的發(fā)展。 筆者曾多次參觀蘇州國際機床及工模具展覽會，收集了許多相關資料，并聽取了各大工具公司對新產(chǎn)品的介紹和技術分析，從而了解到涂層刀具技術的發(fā)展和進步。

1 涂層刀具的性能

刀具涂層技術主要有2大類：化學氣相沉積(CVD)涂層技術，物理氣相沉積(PVD)涂層技術。涂層刀具是在一些韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上，涂覆一層耐磨性高的難熔化金屬化合物而獲得。常用的涂層材料有氮化鈦涂層（TiN）、氮碳化鈦涂層（TiCN）、氮鋁鈦或氮鈦鋁涂層（TiAlN/Al－TiN）、氮化鉻涂層（CrN）、金剛石涂層（Diamond）等。CVD涂層工藝溫度約1000℃，主要用于硬質(zhì)合金刀具(的表面涂層；PVD涂層工藝溫度為500℃和500℃以下，主要用于高速鋼刀具的表面涂層。

1.1 涂層刀具的性能

金屬切削刀具中涂層通過延緩各種磨損過程(前刀面磨損、月牙洼磨損、缺口磨損、粘結(jié)磨損等)，超硬涂層延長了硬質(zhì)合金刀具的使用壽命，提高了被加工零件的表面精度，通過高速、高進給加工顯著提高了切削生產(chǎn)率。

1.1.1 延長刀具使用壽命

在相同的切削條件下，涂層刀具的使用壽命比未涂層刀具提高3～5倍。在相同的切削條件下，相同刀具壽命時，涂層刀具的切削速度比未涂層刀具提高20%～30%。

例如：涂TiCN高速鋼鉆頭在高強度鋼上鉆孔，與未涂層鉆頭相比，涂層鉆頭的使用壽命提高7～9倍。在其他高速鋼刀具上涂覆TiCN，亦有顯著效果。

1.1.2 減少刀具的切削抗力

在相同的切削條件下，涂層刀具的切削力小于未涂層者。如：涂覆TiC硬質(zhì)合金刀具車削鋼材與未涂層刀具對比，主切削力Fc可減小3%～4%，涂覆TiN或TiCN涂層刀具的Fc約可減小6%，進給力Ff與切深力Fp的減小尤為顯著。

1.1.3 加工范圍廣，表面質(zhì)量高

許多涂層刀具在加工中具有自潤滑性和刀具前刀面的抗粘結(jié)性。如TiCN涂層刀具在加工中具有表面自潤滑性，高速切削時表面質(zhì)量較好。而CrN涂層刀具具有良好的抗粘結(jié)性，不易產(chǎn)生積屑瘤加工性能大大改善。金剛石涂層刀具，則可加工非鐵金屬材料，如石墨、金屬基復合材料、高硅鋁合金及其它高磨蝕材料等，均能獲得較好表面質(zhì)量。

2 涂層刀具的優(yōu)勢

涂層刀具的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在具有良好的綜合切削性能。如果將未涂層高速鋼刀具與涂層高速鋼刀具進行切削加工性對比，可以發(fā)現(xiàn)未涂層高速鋼的硬度僅為62～68HRC，硬質(zhì)合金的硬度僅為89～93.5HRA，而涂層后的表面硬度可達2000～3000HV以上。

2.1 高耐磨性和紅硬性

由于表面涂層材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高溫。故與未涂層的刀具相比，涂層刀具適合于較高的切削速度，從而提高了加工效率，或能在相同的切削速度下，提高刀具壽命。

2.2 摩擦系數(shù)低

由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小，故涂層刀具的切削力小于未涂層刀具，加工的表面質(zhì)量較高。

2.3 涂層刀具具有良好的通用性

涂層刀具具有良好的綜合切削性能，故具有較好的通用性，一種涂層刀具具有較寬的使用范圍。

2.4 涂層刀具具有環(huán)保性

從環(huán)境保護的角度來看，迫切需要干加工技術的快速發(fā)展。N涂層刀具由于具有良好的紅硬性、抗氧化性及比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導系數(shù)，成為干切削加工中最好的涂層刀具。

3 目前涂層刀具主要存在的問題

盡管近年來我國刀具涂層技術有了多元性發(fā)展，但與工業(yè)發(fā)達國家相比尚有很大差距，涂層技術還不夠成熟，高端設備幾乎完全依賴由國外引進，缺乏自主創(chuàng)新，因此在涂層工藝上很難有突破。目前涂層刀具存在的問題主要有以下幾個方面：

3.1 涂層容易剝落

刀具壽命與膜厚有一定的關系，隨膜厚增加刀具壽命也會增加，但膜層太厚時易引起剝離。加上目前我國涂層工藝尚不成熟，以現(xiàn)有涂層工藝進行涂層后，因基體材料涂層材料性質(zhì)差別較大，涂層殘留內(nèi)應力大，涂層基體之間界面結(jié)合強度低，涂層易剝落。

3.2 涂層質(zhì)量不穩(wěn)定

目前TiAlN涂層在成分、薄膜結(jié)構(gòu)、致密性、結(jié)合強度以及均勻性等方面尚不成熟，由于涂層的不均勻性，影響了刀具整體的壽命和綜合切削加工性能。

3.2 涂層刀具的不可重磨性

涂層刀具在切削加工中，當涂層被磨穿時，刀具的損壞會急劇下降。由于涂層刀具的不可重磨性，無法保證連續(xù)切削中加工精度要求。

3.2 涂層刀具價格昂貴

由于我國涂層設備多數(shù)依賴進口，涂層設備復雜、昂貴、工藝要求高、涂層時間長、刀具成本上升。

4 涂層刀具的發(fā)展趨勢

涂層刀具的發(fā)展主要體現(xiàn)在涂層材料的發(fā)展，涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學反應、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低，以及與基體附著牢固等要求。顯然，單一的涂層材料很難滿足上述各項要求。所以硬質(zhì)涂層材料已由最初單一涂層 TiC、Al2O3、TiN，進入到開發(fā)厚膜、復合和多元涂層的新階段。

新開發(fā)的 TiCN、TiAlN、TiAlN 多元、超薄、超多層涂層與TiC-Al2O3-TiN等涂層的復合，在復合涂層中，各單一成分涂層的厚度將越來越薄，并逐步趨于納米化。加上新型的抗塑性變形基體，在改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強度、提高涂層耐磨性方面有了重大進展。目前，又突破了在硬質(zhì)合金基體上涂覆金剛石薄膜技術，全面提高了刀具的性能。

近年來，高硬度涂層開始出現(xiàn)。如立方氮化硼（CBN）涂層、氮化碳（CNX）、多晶氮化物超點陣涂層等，CBN涂層硬度達5200kgf/mm2，僅次于金剛石，可有效切削淬火鋼其它難加工合金。

結(jié)束語

近10年來，涂層技術在切削刀具上的應用得到了快速普及，涂層刀具已成為切削加工不可缺少的主流刀具。涂層刀具較好解決了刀具強度和韌性之間的矛盾，通過優(yōu)化涂層的晶格結(jié)構(gòu)、添加合金元素及多層涂層組合來提高涂層的強韌性，以適應不同的切削條件，大大提高了刀具的耐用度和切削速度。為適應涂層工藝的發(fā)展，涂層的工藝裝備也正向著集成化、模塊化和智能化方向發(fā)展，并使涂層技術日趨個性化。隨著汽車、航空航天、電子、軍工等部門對特殊材料需求的增加，涂層刀具的應用也更顯其優(yōu)越性。目前涂層刀具攻堅難題是對具有納米多層結(jié)構(gòu)和納米復合涂層新型刀具涂層材料以及具有特殊性能的刀具軟涂層的研究、開發(fā)和應用。

[1]王啟仲.金屬切削原理與刀具[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008（04）.

[2]吳道全.金屬切削原理及刀具[M].重慶大學出版社，1999（11）.