它是提高刀具材料耐磨性而不降低其韌性的有效途徑之一,也是解決刀具材料發展中的一對矛盾材料硬度和耐磨性愈高,強度及韌性就愈低的很好方法。

涂層技術是提升刀具性能的主要手段之一。通過涂層提高了切削刀具抗各種磨損的能力，延長了刀具的壽命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和進給速度，從而提高了金屬切削效率。

硬質合金刀具的硬涂層可提高刀具壽命和生產率。化學氣相沉積(CVD)技術從單涂層發展到由Tic、TiN、TiCN和Al2O3復合多涂層，通過選擇涂層的順序及涂層的總厚度來滿足特種金屬切削的要求，尤其是Al2O3涂層可提供包括高的抗擴散性磨損、優良的抗氧化性和高的熱硬度等極好的高溫性能，在鑄鐵及鋼等材料高速加工獲得廣泛應用。2100433B

涂層刀具現狀

涂層刀具已成為現代切削刀具的標志，在刀具中的使用比例已超過50%。切削加工中使用的各種刀具，包括車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來提高它們的使用性能。

涂層刀具類別

涂層刀具有四種：涂層高速鋼刀具，涂層硬質合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料（金剛石或立方氮化硼）刀片上的涂層刀具。但以前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料，目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度（可提高10%以上），可減少刀片的崩刃及破損，擴大應用范圍。

涂層刀具新型涂層技術

Ti-Al-X-N新型涂層技術是利用氣相沉積方法在高強度工具基體表面涂覆幾微米高硬度、高耐磨性難熔Ti-Al-X-N涂層，從而達到減少刀具磨損，延長壽命，提高切削速度的目的。它是高檔數控機床與基礎制造裝備國家重大專項課題取得的重要成果。

涂層刀具涂層方法

生產上常用的涂層方法有兩種：物理氣相沉積（PVD) 法和化學氣相沉積（CVD) 法。前者沉積溫度為500℃，涂層厚度為2~5μm；后者的沉積溫度為900℃~1100℃，涂層厚度可達5~10μm，并且設備簡單，涂層均勻。因PVD法未超過高速鋼本身的回火溫度，故高速鋼刀具一般采用PVD法，硬質合金大多采用CVD法。硬質合金用CVD法涂層時，由于其沉積溫度高，故涂層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層（η相），導致刀片脆性破裂。近十幾年來，隨著涂覆技術的進步，硬質合金也可采用PVD法。國外還用PVD/CVD相結合的技術，開發了復合的涂層工藝，稱為PACVD法（等離子體化學氣相沉積法）。即利用等離子體來促進化學反應，可把涂覆溫度降至400℃以下（涂覆溫度已可降至180℃~200℃），使硬質合金基體與涂層材料之間不會產生擴散、相變或交換反應，可保持刀片原有的韌性。據報道，這種方法對涂覆金剛石和立方氮化硼（CBN）超硬涂層特別有效。

涂層刀具要求

用CVD法涂層時，切削刃需預先進行鈍化處理（鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm，切削刃強度隨鈍圓半徑增大而提高），故刃口沒有未涂層刀片鋒利。所以，對精加工產生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應采用PVD法。涂層除可涂覆在普通切削刀片上外，還可涂覆到整體刀具上，已發展到涂覆在焊的硬質合金刀具上。據報道，國外某公司在焊接式的硬質合金鉆頭上采用了PCVD法，結果使加工鋼料時的鉆頭壽命比高速鋼鉆頭長10倍，效率提高5倍。

涂層刀具使用注意事項

涂層刀具的使用效果除與涂層方法及設備、涂層工藝和涂層材料有關外，還有以下情況應加以注意：

一、涂前刀具的表面質量 。被涂刀具表面應是光亮的磨光面，刀具各工作表面上不得有銹斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷，要求刃口上無毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度應達到Ra<0.8~1.25μm。表面粗糙度值愈小，涂層的結合度愈好。此外，刀具表面的清洗質量也十分重要。

二、刀具基體材料。涂層刀具的基體材料與涂層材料應合理匹配，須根據不同的加工要求選用。涂層高速鋼刀具的基體，既可用W₆Mo₅Cr₄V₂(M2)的通用型高速鋼，也可用含鈷的超硬高速鋼和粉末冶金高速鋼(PM HSS)或者是整體采用硬質合金鎢鋼制成的　鎢鋼刀片。因粉末冶金的基體均勻，故使用效果好。加工鈦合金時，推薦用含鈷超硬高速鋼如W₂Mo₉Cr₄VCo₈(M42)作為刀具的基體材料。對于涂層滾刀，當以正常切削速度(小于45m/min)加工齒輪時，崩刃是滾刀磨損的主要原因，因此應選擇韌性較好的W₆Mo₅Cr₄V₂高速鋼作為刀具的基體材料；而在高速滾齒時(切削速度大于100m/min)，月牙洼磨損是滾刀磨損的主要原因，因此應選用耐熱性和耐磨性較高的含鈷超硬高速鋼或CW₉Mo₃Cr₄VN高速鋼為刀具的基體材料。 涂層硬質合金刀具的基體，在加工鋼材時，宜選擇加工鋼材的硬質合金，如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co類合金(P30用得較多)；加工鑄鐵和有色金屬時，宜選擇WC-Co類合金(K20用得較多)。 被加工材料的硬度及切削加工性，對涂層刀具的使用效果也有一定影響。試驗證實，涂層刀具最適于切削高硬度和耐磨合金一類難加工材料。

三、刀具的幾何角度。 由于涂層的潤滑性好，所以涂層刀具工作時常會在工件表面上打滑，為此涂層刀具上的后角應比未涂層刀具的后角略大。實踐表明，對鉸刀等一類精加工刀具，加大后角后，可使刃口鋒利，切屑形成容易，打滑現象明顯減少，刀具的使用性能提高。

四、切削用量和切削液 。為了充分發揮涂層刀具的性能，必須正確選用切削用量和切削液。涂層刀具由于耐熱性好，抗月牙洼磨損能力強，故可采用較大進給量和切削速度工作，但首先應選取較大進給量。通常涂層高速鋼刀具采用的進給量比未涂層刀具提高10%~100%，提高20%~30%的切削速度是合適的。為了提高工效，涂層硬質合金刀具也可采用比未涂層刀具高25%~70%的切削速度進行切削。用涂層硬質合金通用刀具加工中碳結構鋼時的切削速度，立銑刀可達100~150m/min，鉆頭可達80~100m/min；絲錐加工鑄鐵為20~40m/min。 實踐證明，使用20號機械油加10%煤油冷卻時，可使涂層高速鋼鏜刀的壽命提高1~2倍。TiN涂層高速鋼滾刀加工20CrMnTi(197HBS)鋼制斜齒圓柱齒輪(模數m=5)時，使用20號機械油和煤油混合潤滑，刀具壽命可提高5倍左右，即使重磨后也可提高2~3倍，干切時壽命僅提高1倍。 [pre]涂層刀具使用時還要求機床的精度好、剛性高和振動小，刀具或刀片的夾持也應牢固。

涂層刀具概述

刀具涂層技術迅速發展，涂層刀具得到了廣泛應用。1969年德國克虜伯（Krupp）公司和瑞典山特維克（Sandvik）公司研發成功了化學氣相沉積（CVD）涂層技術，并向市場推出了CVDTiC涂層硬質合金刀片產品。20世紀70年代初，美國本夏（R.Runshan）和拉格胡南 （A.Raghuran）研發了物理氣相沉積（PVD）工藝，并于1981年將PVDTiN高速鋼刀具產品推向市場。當時CVD涂層工藝溫度約 1000℃，主要用于硬質合金刀具（刀片）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。后來，CVD和 PVD涂層技術不斷迅速發展，在涂層材料、涂層設備和工藝等方面都有了很大進步，而且發展了多層材料的涂覆技術，使涂層刀具（刀片）的使用性能有了很大的 提高。PVD涂層技術過去主要用于高速鋼刀具，而近年來隨著PVD涂層技術飛躍發展，也成功用于硬質合金刀具（刀片），占領了硬質合金涂層刀具（刀片）的 一半陣地。涂層高速鋼刀具和涂層硬質合金刀具（刀片）廣泛應用，已占全部刀具使用總量的50%以上。

涂層刀具優越性

在韌性較好的刀具（刀片）基體上進行表面涂層，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層（如 TiN、TiC等），使刀具（刀片）具有全面、良好的綜合性能。未涂層高速鋼的硬度僅為62~68HRC（760~960HV），硬質合金的硬度僅為 89~93.5HRA（1300~1850HV）；而涂層后的表面硬度可達2000~3000HV以上。

①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（刀片）相比，涂層刀具允許采用較高的切削速度，從而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀 具壽命。

②由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數較小，故涂層刀具（刀片）的切削力小于未涂層刀具（刀片）。

③ 用涂層刀具（刀片）加工，零件的已加工表面質量較好。

④由于涂層刀具（刀片）的綜合性能良好，故涂層硬質合金刀片有較好的通用性， 一種涂層硬質合金牌號的刀片具有較寬的使用范圍。

涂層刀具應用情況

涂層刀具在切削刀具中占的比例已達到80%。由于國外企業在高端刀具領域占據壟斷地位，在我國數控機床專項中，刀具及其核心涂層技術的地位日益受到重視，對涂層技術的突破被列入多項課題研究中。

涂層刀具技術進步

筆者多次參觀了國際機床工具展覽會，收集到很多資料，并聽取了各大工具公司的技術報告，從而了解到刀具產品表面涂層技術的發展和進步。

涂層刀具CVD 進展

過去，硬質合金刀具表面涂層采用高溫化學氣相沉積（HTCVD）工藝。在常壓或負壓的沉積系統 中，將純凈的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等氣體根據沉積物的成分，按一定配比均勻混和，依次涂到具備一定溫度（一般為 1000~1050℃）的硬質合金刀片表面，即在刀片表面沉積TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃或者它們的復合涂層。HTCVD仍是使用最 多的工藝方法，除HTCVD外，還有等離子體化學氣相沉積（PCVD）工藝，它是在硬質合金刀具（刀片）表面涂層的另一種方法，因這種涂層工藝溫度較低 （700~800℃），故刀片的抗彎強度降低。因為TiC與基體材料的線膨脹系數最接近，通常用TiC薄層先涂在基體表面上，外面再涂TiN、 Al₂O₃，如TiC/TiN、TiC/Al₂O₃、TiC/TiCN/TiN等。

后來，發展了各種不同組合的多層涂層。筆者在多次展覽會上調查和統計了瑞典、德國、美國、日本、韓國、以色列和中國各公司的CVD涂層硬質合金刀片 產品，涂層材料有以下組合：TiCN/Al₂O₃、TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/Al₂O₃、TiCN/Al₂O₃/TiN、TiCN /TiC/Al₂O₃/TiN、TiCN/Al₂O₃/TiCN、TiN、TiC/TiCN/TiN、TiN/TiCN/TiN等。可以看出，近年多用 TiCN或TiN作底層，這是因為基體硬質合金有了改進，例如采用了梯度結構，才有可能用TiCN或TiN墊底。此外，TiN涂層不宜單獨使用，因為與硬 質合金相比，TiN的硬度提高不多，TiN必須與TiC、TiCN、Al₂O₃等組合使用。

涂層刀具PVD進展

早 期，PVD涂層均采用“真空蒸鍍法”，膜層往往不均勻，與基體的結合不夠牢固，后發展了“真空磁控濺射法”和“真空等離子鍍工藝”，效果很好。刀具表 面涂層主要用后兩種方法。

早年，PVD涂層只用于高速鋼刀具，涂層材料幾乎只用TiN一種。后來，改進了涂層工藝，發展了多種涂層 材料和多層涂層，在硬質合金刀具上也得到了大量的應用。涂層效果比以往大有進步。TiN涂層材料仍在使用，新興的涂層材料是TiAlN和AlTiN，其使 用效果優于TiN。

歐洲的PVD涂層技術水平最高，領先于其他國家和地區。知名的廠商有德國賽利（CemeCon）涂層技術有限公司、歐瑞康巴爾查斯 （OerlkonBalzers）公司、德國PVT等離子真空技術公司和丹麥尤尼莫克（Unimerco）公司等。他們的PVD涂層設備和工藝先進，涂層 材料品種多，涂層刀具和其他產品使用性能好。

國外一些知名的高速鋼和硬質合金工具廠，都有涂層刀具（刀片）產品，但涂層設備和工藝多購自涂層技術的專業 公司，或與之合作，而不是自行研制。據悉，瑞典山特維克公司和以色列伊斯卡公司的PVD涂層設備都是從歐瑞康巴爾查斯公司購進的。中國也應當這樣做，這是 一條既好又快的道路。例如，中國哈爾濱第一工具廠和德國PVT公司合作，成立了哈一工普威特鍍膜合資股份公司。歐瑞康巴爾查斯公司在全球設有77個涂層中 心，在中國蘇州、天津和漢江各設有一個中心，中國鄰近城市和地區的工具廠家，其涂層產品多在上述中心進行涂層。湖南株洲硬質合金廠和四川自貢長城硬質合金 廠的涂層設備都是從國外引進的。

涂層刀具CVD應用

利 用“熱絲CVD法”、“等離子體噴射CVD法”、“火焰燃燒法”等工藝能在硬質合金或高速鋼刀具表面沉積金剛石薄膜（10μm）。CVD金剛石膜的力學、 物理性能介于天然金剛石和熱壓聚晶PCD金剛石之間，能夠有效地加工有色金屬。

如增加沉積時間，可在基體或襯底（一般用硅片）上沉 積出厚度大于0.5mm的厚膜。將厚膜從基體上剝離，并切割成一定形狀的小塊，再將小塊釬焊在基體刀片（一般為硬質合金刀具）上使用。CVD厚膜金剛石刀 具應用范圍大于薄膜涂層刀具。在CIMT2007上，很多國內外刀具公司都有CVD薄膜金剛石涂層刀具產品，但只有少數廠家有厚膜產品。北京東方天地超硬 材料工具公司能生產金剛石厚膜刀具產品，并且已有多年的經驗。厚膜刀具應用范圍較廣，能加工各種有色金屬、非金屬硬材料及顆粒增強的復合材料等。

涂層刀具PVD應用

武漢大學物理系用直流反應磁控濺射法在刀具表 面沉積出氮化碳（CxNy）超硬涂層薄膜，厚度只有幾個微米，硬度可達40~50GPa。CxNy涂層刀具能切削黑色和有色金屬。

對涂層高速鋼和硬質合金刀具（刀片）的切削性能進行了長期的研究，進行了很多科學實驗。茲介紹部分實驗數據如下：

① 在相同的切削條件下，涂層刀具刀片的使用壽命比未涂層刀具（刀片）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%。

②在相同的切削條件下，涂層刀具（刀片）的切削力小于未涂層者。筆者用涂覆TiC硬質合金刀片車削鋼材與未涂層刀 片對比，主切削力Fc可減小3%~4%，TiN或TiC/TiN涂層刀片的Fc約可減小6%，進給力Ff與切深力Fp的減小尤為顯著。Al₂O₃涂層刀片 與切削力的減小效果與TiN涂層刀片接近。

③筆者曾用CVD涂層金剛石厚膜刀具，加工過硅鋁合金、各種硬鋁、鉛黃銅、無氧銅、碘化 鈦以及纖維增強和顆粒增強的復合材料等，均取得較好效果。但用作超精密切削的刀具，其效果不如天然金剛石刀具。

④筆者曾用CxNy 涂層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CxNy，亦有顯著效果。又曾在硬質合金刀片上涂覆CxNy，用以車削鋼料，效果尚不夠理想，其使用壽命不超過普通TiC涂層 硬質合金刀片。

中國的刀具涂層技術與工業發達國家相比尚有很大差距，涂層刀具的數量也差得很遠，大致只占全部刀具的20%。其中數 控機床和加工中心上使用得多一些，在普通的非數控機床上則少得可憐，原因是認識問題和價格等因素。我們應該努力提高刀具涂層技術和應用技術的水平，大力推 廣應用涂層刀具，促進切削加工和機械制造水平的提高。