刀具涂層技術(shù)

在相對(duì)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(shù)，改善刀具表面的摩擦學(xué)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(kuò)大了干切削的應(yīng)用范圍。在先進(jìn)制造業(yè)中，80%以上的硬質(zhì)合金刀具及高性能高速鋼刀具都采用了表面涂層技術(shù)，而CNC機(jī)床上所用的切削刀具90%以上是涂層刀具。

刀具涂層技術(shù)自從問世以來，對(duì)刀具技術(shù)的改善和加工技術(shù)起到了越來越重要的作用，已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志。涂層刀具是通過在韌性較好的硬質(zhì)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(duì)硬質(zhì)合金，一般采用化學(xué)氣相沉積法（CVD），層積溫度為1000℃；而對(duì)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(jìn)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(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，涂層薄膜結(jié)構(gòu)大體可以分為單一涂層、復(fù)合涂層、梯度涂層、多層涂層、納米多層涂層、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層。

1、復(fù)合涂層是由各種不同功能或特性的涂層薄膜組成的結(jié)構(gòu)，也稱為復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(xué)組成基本恒定。目前在實(shí)際應(yīng)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(zhǎng)。
4、納米多層涂層結(jié)構(gòu)與多層涂層類似，只是各層薄膜的尺寸為納米數(shù)量級(jí)，又可稱為超顯微結(jié)構(gòu)。理論研究證實(shí)在納米調(diào)制周期內(nèi)（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(yīng)，其顯微硬度預(yù)計(jì)可以超過40GPa，并且在相當(dāng)高的溫度下，薄膜仍可保留非常高的硬度。

正因?yàn)橥繉拥毒呒扔杏捕群芨�、化學(xué)穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)小的表層，不易產(chǎn)生擴(kuò)散磨損，同時(shí)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(xiàn)代切削刀具的主流，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家使用的涂層刀具占可轉(zhuǎn)位刀片的比例已由20世紀(jì)80年代的26%上升到目前的90%，新型數(shù)控機(jī)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(guó)肯納（肯納官方網(wǎng)站，肯納產(chǎn)品一覽）金屬公司的涂層刀片的比例已達(dá)85%以上；美國(guó)數(shù)控機(jī)床上使用的硬質(zhì)合金涂層刀片的比例為80%；瑞典和德國(guó)車削用的涂層刀具都在70%以上。

我國(guó)涂層刀具起步晚，但進(jìn)步快，其涂層網(wǎng)點(diǎn)遍布全國(guó)。有不少城市都有自己的涂層中心，并承接對(duì)外加工業(yè)務(wù)。我國(guó)從1970年代初就開始進(jìn)行CVD涂層技術(shù)研究，80年代中期，我國(guó)的CVD涂層技術(shù)就已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化水平，其工藝水平也達(dá)到國(guó)際水平�？傮w而言，國(guó)內(nèi)CVD涂層技術(shù)水平與國(guó)際水平相差不大。但我國(guó)1980年初才開始研究PVD涂層技術(shù)，目前國(guó)外刀具PVD涂層技術(shù)已發(fā)展到第四代，而國(guó)內(nèi)還處于第二代水平，且仍以單層TiN涂層為主。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著制造技術(shù)的全球化趨勢(shì)，制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈。在由機(jī)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(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)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(jià)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(chǎn)成本。刀具材料、幾何參數(shù)及其結(jié)構(gòu)是高性能刀具設(shè)計(jì)制造最重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前，先進(jìn)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(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具和超硬材料刀具獲得了廣泛運(yùn)用；在涂層方面，多層梯度復(fù)合涂層和高強(qiáng)度耐熱納米涂層也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并在航空航天、汽車船舶等領(lǐng)域得到應(yīng)用；在刀具結(jié)構(gòu)方面，將朝可轉(zhuǎn)位、多功能、專用復(fù)合刀具和模塊式方向發(fā)展。