刀具涂層技術

在相對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TiAlN、TiC、TiN、Al2O3等）而形成的涂層刀具，是切削刀具發(fā)展的一次革命。涂層刀具與未涂層刀具相比，具有明顯的優(yōu)越性：顯著降低摩擦系數，改善刀具表面的摩擦學性能和排屑能力；顯著提高耐磨性和抗沖擊韌性，改善刀具的切削性能，提高加工效率和刀具壽命；提高刀具表面抗氧化性能，使刀具可以承受更高的切削熱，有利于提高切削速度及加工效率，并擴大了干切削的應用范圍。在先進制造業(yè)中，80%以上的硬質合金刀具及高性能高速鋼刀具都采用了表面涂層技術，而CNC機床上所用的切削刀具90%以上是涂層刀具。

刀具涂層技術自從問世以來，對刀具技術的改善和加工技術起到了越來越重要的作用，已經成為現代刀具的標志。涂層刀具是通過在韌性較好的硬質合金基體或高速鋼基體上，涂覆一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而獲得的，使刀具性能發(fā)生了巨大的變化。常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等，其中TiC的硬度比TiN高，抗磨損性能更好。對硬質合金，一般采用化學氣相沉積法（CVD），層積溫度為1000℃；而對高速鋼刀具，一般采用物理氣相沉積法（PVD），層積溫度在500℃左右。隨著涂層工藝的日益成熟和不斷發(fā)展，從開始的單一涂層，進入到開發(fā)多元、多層、梯度、納米涂層的新階段。

就目前PVD技術的發(fā)展狀況，涂層薄膜結構大體可以分為單一涂層、復合涂層、梯度涂層、多層涂層、納米多層涂層、納米復合結構涂層。

1、復合涂層是由各種不同功能或特性的涂層薄膜組成的結構，也稱為復合涂層結構膜，其典型涂層為目前的硬涂層加軟涂層，每層薄膜各具不同的特征，從而使涂層具有更好的綜合性能。
2、梯度涂層是指涂層成分沿著薄膜生長方向逐步變化，這種變化可以是化合物各元素比例的變化，如TiAlCN中Ti、Al含量的變化，也可以由一種化合物逐漸過渡到另一種化合物，如CrN逐漸過渡到CBC碳基涂層。
3、多層涂層由多種性能各異的薄膜疊加而成，每層膜化學組成基本恒定。目前在實際應用中多有2種不同膜組成，由于所采用的工藝存在差異，各膜層的尺寸也不盡相同，通常由十幾層薄膜組成，每層薄膜尺寸大于幾十納米，最具代表性的有AlN+TiN、TiAlN+TiN涂層等。與單層涂層相比，多層涂層可有效改善涂層組織狀況，抑制粗大晶粒組織生長。
4、納米多層涂層結構與多層涂層類似，只是各層薄膜的尺寸為納米數量級，又可稱為超顯微結構。理論研究證實在納米調制周期內（幾納米至幾十納米），與傳統(tǒng)的單層膜或普通多層膜相比，此類薄膜具有超硬度、超模量效應，其顯微硬度預計可以超過40GPa，并且在相當高的溫度下，薄膜仍可保留非常高的硬度。

正因為涂層刀具既有硬度很高、化學穩(wěn)定性好、摩擦系數小的表層，不易產生擴散磨損，同時又有基體的韌性，因而切削力、切削溫度都較低，能夠顯著提高刀具的切削性能。

因此，涂層刀具已成為現代切削刀具的主流，西方工業(yè)發(fā)達國家使用的涂層刀具占可轉位刀片的比例已由20世紀80年代的26%上升到目前的90%，新型數控機床所用的刀具中80%左右是涂層刀具。瑞典山特維克可樂滿和美國肯納（肯納官方網站，肯納產品一覽）金屬公司的涂層刀片的比例已達85%以上；美國數控機床上使用的硬質合金涂層刀片的比例為80%；瑞典和德國車削用的涂層刀具都在70%以上。

我國涂層刀具起步晚，但進步快，其涂層網點遍布全國。有不少城市都有自己的涂層中心，并承接對外加工業(yè)務。我國從1970年代初就開始進行CVD涂層技術研究，80年代中期，我國的CVD涂層技術就已經進入實用化水平，其工藝水平也達到國際水平�？傮w而言，國內CVD涂層技術水平與國際水平相差不大。但我國1980年初才開始研究PVD涂層技術，目前國外刀具PVD涂層技術已發(fā)展到第四代，而國內還處于第二代水平，且仍以單層TiN涂層為主。

進入21世紀以來，隨著制造技術的全球化趨勢，制造業(yè)的競爭也越來越激烈。在由機床、刀具、夾具和工件組成的切削加工工藝系統(tǒng)中，刀具是最活躍的因素。因此在高速加工技術廣泛應用于生產的今天，高性能刀具越來越受到重視并大量取代傳統(tǒng)刀具。雖然高性能刀具與傳統(tǒng)刀具相比價格昂貴，甚至是傳統(tǒng)刀具的10倍，但是使用高性能刀具仍然可以有效地降低生產成本。刀具材料、幾何參數及其結構是高性能刀具設計制造最重要的關鍵技術。目前，先進刀具發(fā)展迅速，各種專用高性能刀具不斷推陳出新。在刀具材料方面，超細晶粒硬質合金刀具和超硬材料刀具獲得了廣泛運用；在涂層方面，多層梯度復合涂層和高強度耐熱納米涂層也得到了長足的發(fā)展，并在航空航天、汽車船舶等領域得到應用；在刀具結構方面，將朝可轉位、多功能、專用復合刀具和模塊式方向發(fā)展。