刀具涂層技術(shù)的演變

很少有材料能夠像硬質(zhì)合金鎢粘合劑那樣，給我們的經(jīng)濟(jì)、我們的工業(yè)文化帶來如此大的沖擊。兼具硬度和磨損防護(hù)，這樣的材料被用在有趣多樣的產(chǎn)品上，比如圓珠筆、魚竿引導(dǎo)環(huán)、磨損零件，牙齒鉆孔機(jī)、穿甲彈的殼芯和大多數(shù)重要的切削刀具。幾乎所有的產(chǎn)品，我們駕駛的、穿的、甚至食用的，都是由硬質(zhì)合金制造而來，或是經(jīng)過硬質(zhì)合金的加工處理。尤其是，生產(chǎn)力的進(jìn)步可以歸功于硬質(zhì)合金刀具使得這些產(chǎn)品因?yàn)榇罅可�產(chǎn)而讓我們能夠負(fù)擔(dān)。

歷史概述

刀具超過160 年的發(fā)展，以進(jìn)化的過程為特征，不斷被周期性的革命進(jìn)步所打斷。回溯十九世紀(jì)中期，用于金屬加工的刀具由高碳鋼制作而成，切削速度被限制在大約25 sfpm。第一次激動(dòng)人心的爆發(fā)是伴隨著高速鋼（HSS）刀具的傳入，在大約50 年之后到來。這次發(fā)展使得切削速度提高到大約100sfpm ——效率方面得到了戲劇性的增長(zhǎng)。HSS 刀具在今天仍然存在，并且在世界刀具領(lǐng)域有著很重要的地位。然而，相比較而言，在20、30 年代，當(dāng)一種更具生產(chǎn)能力的刀具材料——碳化鎢硬質(zhì)合金或者硬質(zhì)金屬出現(xiàn)并慢慢開始獲得市場(chǎng)接受的時(shí)候，相比較而言，HSS 刀具的重要性有所下降。

WC-Co 合金（或者材質(zhì)，就像他們通常所稱的那樣）是由小而硬的鎢微粒，經(jīng)過強(qiáng)度足夠的鈷粘合、接合的復(fù)合材料。合金碳的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)類似于磚墻，鎢起著磚的作用，鈷就好比涂抹在磚上用來粘合磚塊的水泥。在這個(gè)例子中，磚塊隨意放置，而不是像一堵墻，方向統(tǒng)一。研究表明，對(duì)于碳化鎢來說，鈷是最有效的粘合劑，因?yàn)殁捑哂姓澈湘u微粒的能力，以及內(nèi)在的強(qiáng)度。含有的鈷越多，強(qiáng)度等級(jí)就越高，磨損率越低。

許多硬質(zhì)合金的材質(zhì)，尤其是在那些鐵（鐵合金）方面的應(yīng)用，以一小部分的碳化鈦、鉭、鈮。這些合金增加了抗變形能力，也使得合金的結(jié)構(gòu)得以控制。更重要的是，他們減少了合金刀具、工件之間的化學(xué)反應(yīng)（縮孔），尤其在工件是鋼或者鑄鐵的時(shí)候。

涂層

切削刀具中最令人印象深刻的發(fā)展之一（有一個(gè)非常明晰的結(jié)果：是革命而非進(jìn)化），發(fā)生在1969 年，化學(xué)氣相沉積（CVD）涂層第一次被使用在合金刀具上。在借鑒、略加調(diào)整這項(xiàng)廣泛用于珠寶行業(yè)的技術(shù)后，刀具的制造商將鈦合金刀具涂層引入制造業(yè)領(lǐng)域。這些涂層使得機(jī)器操作者能加倍提高他們的切削速度（達(dá)到500sfpm），同時(shí)刀具壽命得到了五倍延長(zhǎng)。制造業(yè)如同一塊海綿吸收技術(shù)，全神貫注于這些刀具，永不回頭。

鈦合金涂層出現(xiàn)不久之后，鈦鈮合金涂層也出現(xiàn)了，它擁有富有魅力的金色，同時(shí)具有出色的耐腐蝕性。最終，在1973 年，單層鋁氧化物 (Al2O3）涂層出現(xiàn)在眼前，允許更高的切削速度（1000sfpm），同時(shí)提高了生產(chǎn)力。

物理氣相沉積（PVD）涂層在80 年代獲得了接受。最初主要用于切削高溫合金和鈦合金，現(xiàn)在也被用于不銹鋼以及傳統(tǒng)鋼。今天，涂層技術(shù)意義重大，超過95% 被用于加工鐵（鐵合金）材料的碳化刀具是有涂層的。

每種不同的涂層材料有不同的特殊性能和優(yōu)勢(shì)（詳見表1），把這些材料結(jié)合成單一、多層次的涂層（詳見圖示1），從而能夠獲得鈦合金和氧化鋁兩種涂層的優(yōu)勢(shì)。這樣的產(chǎn)品在70 年代后期出現(xiàn)。因此你可以期待，它們可以有更強(qiáng)的多功能性，更高的效率和更長(zhǎng)的刀具壽命。

近期發(fā)展

最近最激動(dòng)人心的發(fā)展來自原子水平的結(jié)構(gòu)控制。性能有了重大增進(jìn)就是結(jié)果。同時(shí)也增加了寬泛范圍的切削環(huán)境的可靠性。

現(xiàn)代機(jī)床有不斷提高速度的能力，有使用最小的潤(rùn)滑油技術(shù)，對(duì)于干式切削有著極大的興趣，結(jié)果，新的需求在刀具制造商身上發(fā)生了。這些需求的最新反饋關(guān)乎于涂層結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，尤其是Al2O3涂層。

在敘述這些細(xì)節(jié)之前，需要提醒一下，Al2O3作為一種材料，會(huì)以幾個(gè)晶體結(jié)構(gòu)形式存在（好比水的存在形式可以是冰，也可以是液體或者蒸汽）。氧化鋁的涂層一般存在兩種晶體結(jié)構(gòu)，指定為a 和k。由于存在過度單純化的危險(xiǎn)，現(xiàn)在用盥洗室里的瓷器和紅寶石來舉例說明兩個(gè)形式的差異性。兩者均由氧化鋁產(chǎn)生，僅有的區(qū)別在于材料中原子排列方式有所不同。這樣的差別是巨大的，就如在盥洗室的瓷器和紅寶石看起來完全不同。

在涂層領(lǐng)域，在切削應(yīng)用中我們傾向采用a 的形態(tài)。但是很不幸，k 相更容易沉積。因此，通常實(shí)踐中，我們用k 相沉積，之后再進(jìn)行熱處理來形成a 相。雖然并非難以做到，這樣的轉(zhuǎn)變會(huì)引起微量收縮，從而導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂縫（詳見圖示2a）。這會(huì)明顯降低強(qiáng)度，降低涂層的附著力。一個(gè)獨(dú)特并且極富有成效的突破產(chǎn)生了，一個(gè)聰明的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)如何直接沉積a 結(jié)構(gòu)。這個(gè)新的結(jié)構(gòu)（詳見圖示2b）引領(lǐng)了涂層水平的新時(shí)代。

最近的商業(yè)發(fā)展是涂層質(zhì)地的改進(jìn)，僅僅在前幾個(gè)月發(fā)生。為了闡明這項(xiàng)革命，再次提及我們的紅寶石。剛從緬甸或者其他地方的土地開采出來的時(shí)候，紅寶石是一種暗粉紅色的石頭。但是經(jīng)過寶石學(xué)家富有技巧的雙手，這塊黯淡的石頭會(huì)根據(jù)晶體的方向裂開，露出充滿吸引力的表面，反射、折射光芒，賦予珠寶迷人的外觀。氧化鋁在涂層上的使用與之相似。在特定的方向中，涂層很容易破裂；在其他方向，則非常堅(jiān)硬，很難裂、碎。近期，我們學(xué)會(huì)了怎樣“傾斜”氧化鋁涂層的結(jié)構(gòu)以得到一個(gè)更堅(jiān)硬的方向來切削。從技術(shù)上來說，這個(gè)過程就像“紋理”；商業(yè)上我們稱之為“Duratomic”（durable 耐用+atomically 微粒+ modified 改進(jìn)= Duratomic）過程。紋理增加了抗磨損能力和切削刀的強(qiáng)度。

圖示3 顯示，采用這樣的“紋理”過程后，硬度增加了。如同期待的那樣，這個(gè)轉(zhuǎn)變直接增加了刀具使用壽命。有趣的是，這樣類型的涂層依然能夠快速冷卻。近期的研究，發(fā)現(xiàn)以750sfpm 加工4140 鋼的時(shí)候，使用傳統(tǒng)多層涂層，切屑和涂層表面的溫度為915 攝氏度。同樣的試驗(yàn)，但是使用新型涂層，溫度會(huì)降低到880 攝氏度。此項(xiàng)描述請(qǐng)見圖示4。

高效率刀具

科學(xué)理論應(yīng)用的最佳例子之一是超硬度材料的發(fā)展，包括聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼。在加工工件時(shí)，他們能達(dá)到每分鐘幾千面英尺，提供使用者難以置信的效率提高和成本節(jié)省。

PCD 有益于加工真正的研磨材料，比如高硅鋁合金，銅鈹合金，復(fù)合材料甚至碳化鎢合金。聚晶金剛石常常被用作昂貴的鋼（硬度在45-75Rc）打磨操作上。聚晶金剛石也被用在許多鐵含量少于10% 的鑄鐵類型中。傳統(tǒng)的應(yīng)用是鑄鐵制動(dòng)盤。一個(gè)單個(gè)的聚晶金剛石的切削刀刃可以以5000sfpm 加工沒有幾千也有幾百個(gè)制動(dòng)器，同時(shí)保持出色的尺寸公差，表面精度很高。

總結(jié)

這里描述的發(fā)展是對(duì)涂層、底層、高檔材料和金屬切削過程之類的基礎(chǔ)科學(xué)理解的結(jié)果。因?yàn)槲覀儗?duì)于化學(xué)、物理、冶金技術(shù)的理解的增長(zhǎng)，尤其是這些領(lǐng)域之間相互的聯(lián)系，我們有能力從更小的層次操縱這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步改進(jìn)，最終導(dǎo)致生產(chǎn)力的進(jìn)步。

在此期間，當(dāng)我們回溯近十年來金屬加工的操作，我們發(fā)現(xiàn)了巨大的進(jìn)步。這些革命的利用一方面意味著現(xiàn)時(shí)收益和未來生存之間的差別，另一方面也意味著破產(chǎn)和失業(yè)。