刀具涂層的特點及用途

目前已有許多種刀具涂層可供選擇，包括PVD涂層、CVD涂層以及交替涂覆PVD和CVD的復(fù)合涂層等，從刀具制造商或涂層供應(yīng)商那里可以很容易地獲得這些涂層。本文將介紹一些刀具涂層共有的屬性以及一些常用的PVD、CVD涂層選擇方案。在確定選用何種涂層對于切削加工最為有益時，涂層的每一種特性都起著十分重要的作用。

1.涂層的特性

(1)硬度

　　涂層帶來的高表面硬度是提高刀具壽命的最佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的壽命越長。氮碳化鈦(TiCN)涂層比氮化鈦(TiN)涂層具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂層的硬度提高了33%，其硬度變化范圍約為Hv3000～4000(取決于制造商)。表面硬度高達(dá)Hv9000的CVD金剛石涂層在刀具上的應(yīng)用已較為成熟，與PVD涂層刀具相比，CVD金剛石涂層刀具的壽命提高了10～20倍。金剛石涂層的高硬度和切削速度可比未涂層刀具提高2～3倍的能力使其成為非鐵族材料切削加工的不錯選擇。

(2)耐磨性

　　耐磨性是指涂層抵抗磨損的能力。雖然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生產(chǎn)過程中添加的元素和采用的工藝可能會引起刀具切削刃崩裂或磨鈍。

(3)表面潤滑性

　　高摩擦系數(shù)會增加切削熱，導(dǎo)致涂層壽命縮短甚至失效。而降低摩擦系數(shù)可以大大延長刀具壽命。細(xì)膩光滑或紋理規(guī)則的涂層表面有助于降低切削熱，因為光滑的表面可使切屑迅速滑離前刀面而減少熱量的產(chǎn)生。與未涂層刀具相比，表面潤滑性更好的涂層刀具還能以更高的切削速度進(jìn)行加工，從而進(jìn)一步避免與工件材料發(fā)生高溫熔焊。

(4)氧化溫度

　　氧化溫度是指涂層開始分解時的溫度值。氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN涂層的常溫硬度也許低于TiCN涂層，但事實證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成為硬質(zhì)合金刀具的首選涂層，硬質(zhì)合金鉆頭和立銑刀通常采用這種PVD TiAlN涂層。

(5)抗粘結(jié)性

　　涂層的抗粘結(jié)性可防止或減輕刀具與被加工材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，避免工件材料沉積在刀具上。在加工非鐵族金屬(如鋁、黃銅等)時，刀具上經(jīng)常會產(chǎn)生積屑瘤(BUE)，從而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料開始粘附在刀具上，粘附就會不斷擴(kuò)大。例如，用成型絲錐加工鋁質(zhì)工件時，加工完每個孔后絲錐上粘附的鋁都會增加，以至最后使得絲錐直徑變得過大，造成工件尺寸超差報廢。具有良好抗粘結(jié)性的涂層甚至在冷卻液性能不良或濃度不足的加工場合也能起到很好的作用。

2.常用的涂層

(1)氮化鈦涂層(TiN)

　　TiN是一種通用型PVD涂層，可以提高刀具硬度并具有較高的氧化溫度。該涂層用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得很不錯的加工效果。(2)氮碳化鈦涂層(TiCN)

　　TiCN涂層中添加的碳元素可提高刀具硬度并獲得更好的表面潤滑性，是高速鋼刀具的理想涂層。

(3)氮鋁鈦或氮鈦鋁涂層(TiAlN/AlTiN)

　　TiAlN/AlTiN涂層中形成的氧化鋁層可以有效提高刀具的高溫加工壽命。主要用于干式或半干式切削加工的硬質(zhì)合金刀具可選用該涂層。根據(jù)涂層中所含鋁和鈦的比例不同，AlTiN涂層可提供比TiAlN涂層更高的表面硬度，因此它是高速加工領(lǐng)域又一個可行的涂層選擇。

(4)氮化鉻涂層(CrN)

　　CrN涂層良好的抗粘結(jié)性使其在容易產(chǎn)生積屑瘤的加工中成為首選涂層。涂覆了這種幾乎無形的涂層后，高速鋼刀具或硬質(zhì)合金刀具和成形工具的加工性能將會大大改善。

(5)金剛石涂層(Diamond)

　　CVD金剛石涂層可為非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金屬基復(fù)合材料(MMC)、高硅鋁合金及許多其它高磨蝕材料的理想涂層(注意：純金剛石涂層刀具不能用于加工鋼件，因為加工鋼件時會產(chǎn)生大量切削熱，并導(dǎo)致發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使涂層與刀具之間的粘附層遭到破壞)。

　　適用于硬銑、攻絲和鉆削加工的涂層各不相同，分別有其特定的使用場合。此外，還可以采用多層涂層，此類涂層在表層與刀具基體之間還嵌入了其它涂層，可以進(jìn)一步提高刀具的使用壽命。

3.涂層的成功應(yīng)用

　　實現(xiàn)涂層的高性價比應(yīng)用可能取決于許多因素，但對于每種特定的加工應(yīng)用而言，通常只有一種或幾種可行的涂層選擇。涂層及其特性的選擇是否正確可能就意味著加工性能明顯提高與幾乎沒有改善之間的區(qū)別。切削深度、切削速度和冷卻液都可能對刀具涂層的應(yīng)用效果產(chǎn)生影響。

　　由于在一種工件材料的加工中存在著許多變量，因此確定選用何種涂層的最好方法之一就是通過試切。涂層供應(yīng)商們正在不斷開發(fā)更多的新涂層，以進(jìn)一步提高涂層的耐高溫、耐摩擦和耐磨損性能。與涂層(刀具)制造商一起驗證最新、最好的刀具涂層在加工中的應(yīng)用總是一件好事。