涂層刀具及其合理使用

　　引言

　　涂層刀具是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼(HSS)基體表面上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物(也可涂覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而獲得的。涂層作為一個(gè)化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了月牙洼磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性，切削時(shí)可比未涂層刀具提高刀具壽命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1級(jí)，降低刀具消耗費(fèi)用20%~50%。因此，涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標(biāo)志，在刀具中的使用比例已超過(guò)50%。目前，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(lái)提高它們的使用性能。

　　涂層刀具有四種：涂層高速鋼刀具，涂層硬質(zhì)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(kuò)大應(yīng)用範(fàn)圍。

　　a)涂層刀片

　　b)涂層刀具 圖1涂層刀片及其刀具

　　涂層方法

　　目前生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種：物理氣相沉積(PVD)法和化學(xué)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(dá)5~10μm，并且設(shè)備簡(jiǎn)單，涂層均勻。因PVD法未超過(guò)高速鋼本身的回火溫度，故高速鋼刀具一般采用PVD法，硬質(zhì)合金大多采用CVD法。硬質(zhì)合金用CVD法涂層時(shí)，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(dǎo)致刀片脆性破裂。近十幾年來(lái)，隨著涂覆技術(shù)的進(jìn)步，硬質(zhì)合金也可采用PVD法。國(guó)外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù)，開(kāi)發(fā)了復(fù)合的涂層工藝，稱為PCVD法(等離子體化學(xué)氣相沉積法)。即利用等離子體來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，可把涂覆溫度降至600℃以下(目前涂覆溫度已可降至180℃~200℃)，使硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散、相變或交換反應(yīng)，可保持刀片原有的韌性。據(jù)報(bào)道，這種方法對(duì)涂覆金剛石和立方氮化硼(CBN)超硬涂層特別有效。

　　用CVD法涂層時(shí)，切削刃需預(yù)先進(jìn)行鈍化處理(鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm，切削刃強(qiáng)度隨鈍圓半徑增大而提高)，故刃口沒(méi)有未涂層刀片鋒利。所以，對(duì)精加工產(chǎn)生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應(yīng)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，目前已發(fā)展到涂覆在焊的硬質(zhì)合金刀具上。據(jù)報(bào)道，日本三菱公司在焊接式的硬質(zhì)合金鉆頭上采用了PCVD法，結(jié)果使加工鋼料時(shí)的鉆頭壽命比高速鋼鉆頭長(zhǎng)10倍，效率提高5倍。

　　表1瑞士PLATIT公司推出的各種新型涂層涂層 顏色 硬度GPa 厚度μm 摩擦系數(shù) 最高使用溫度℃ 說(shuō)明

　　TiAlN單層 紫黑 35 1-4 0.5 800 通用高性能涂層

　　TiAlN多層 紫黑 28 1-4 0.6 700 適用斷續(xù)切削

　　TiCN-MP 紅-銅 32 1-4 0.2 400 高韌性通用涂層

　　MOVIC 綠-灰 - 0.5-1.5 0.15 400 MoS2基涂層

　　CrN 銀亮 18 1-4 0.3 700 適用加工銅、鈦

　　TiAlCN 紅-紫 28 1-4 0.25 500 高性能通用涂層

　　CBC(DLC) 灰 20 0.5-4 0.15 400 潤(rùn)滑涂層

　　GRADVIC 灰 28 1.5-6 0.15 400 TiAlCN CBC

　　AlTiN 黑 38 1-4 0.7 800 屬高性能涂層

　　μAlTiN 黑 38 1-2 0.3 800 涂層表面質(zhì)量好

　　AlTiN/SiN 紫蘭 45 1-4 0.45 1100 納米結(jié)構(gòu)

　　涂層材料

　　涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低，以及與基體附著牢固等要求。顯然，單一的涂層材料很難滿足上述各項(xiàng)要求。所以硬質(zhì)涂層材料已由最初只能涂單一的TiC、TiN、Al2O3，進(jìn)入到開(kāi)發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段。新開(kāi)發(fā)的TiCN、TiAlN、TiAlCN多元、超薄、超多層涂層與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復(fù)合，加上新型的抗塑性變形基體，在改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、提高涂層耐磨性方面有了重大進(jìn)展。目前，又突破了在硬質(zhì)合金基體上涂覆金剛石薄膜技術(shù)，全面提高了刀具的性能。

　　工藝最成熟和應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)涂層材料是TiN，但TiN與基體結(jié)合強(qiáng)度不及TiC涂層，涂層易剝落，且硬度也不如TiC高，在切削溫度較高時(shí)膜層易氧化而被燒蝕。TiC涂層有較高的硬度與耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐沖擊。TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，它在涂覆過(guò)程中可通過(guò)連續(xù)改變C、N的成份控制TiCN性質(zhì)，并形成不同成份的多層結(jié)構(gòu)，可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴(kuò)展，減少崩刃。所以，目前生產(chǎn)的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推薦用于加工鋼料的GC4000系列刀片、中國(guó)株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的CN系列刀片、日本東芝公司的T715X和T725X涂層刀片中均有TiCN涂層成份。TiCN基涂層適于加工普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵等材料，用它加工工件時(shí)的材料切除率可提高2~3倍。

　　TiAlN、CrC、CrN、TiAlCN是近幾年來(lái)開(kāi)發(fā)的硬質(zhì)涂層新材料。TiAlN涂層刀片已商品化。它的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化磨損性能好，用其加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳合金時(shí)的刀具壽命可比TiN涂層高3~4倍。此外，TiAlN涂層中如果有合適的鋁濃度，切削時(shí)在刀具前刀面和切屑的界面上還會(huì)產(chǎn)生一層硬質(zhì)的惰性保護(hù)膜，該膜有較好的隔熱性，可更有效地用于高速切削。例如，美國(guó)Kennametal公司推出的H7刀片，系TiAlN涂層，是專為高速銑削合金鋼、高合金鋼和不銹鋼等高性能材料而設(shè)計(jì)的。CrC和CrN是一種無(wú)鈦涂層，適于切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，不產(chǎn)生粘屑。TiAlCN是一種梯度結(jié)構(gòu)涂層，不僅具有高的韌性和硬度，而且摩擦因數(shù)也較小，適用于銑刀、滾刀、絲錐等多種刀具，切削性能明顯優(yōu)于TiN。

　　德國(guó)CemeCon公司開(kāi)發(fā)了Supernitride涂層系列，其中超級(jí)氮鋁鈦涂層有很高的含鋁量，可形成穩(wěn)定的氧化層(氧化溫度達(dá)1000℃)，它比一般的TiAlN涂層更硬、更致密、更耐高溫，適用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高達(dá)58HRC以上的淬火鋼。

　　此外，納米超薄膜涂層工藝已日趨成熟。據(jù)報(bào)道，日本住友電工公司推出了一種高速?gòu)?qiáng)力型鉆頭，它是在韌性好的K類(WC Co)硬質(zhì)合金基體上交互涂覆了1,000層TiN和AlN超薄膜涂層，涂層厚度約2.5μm。使用表明，該鉆頭的抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性可大幅度提高，其硬度則與CBN相當(dāng)，刀具壽命可提高2倍左右。該公司還開(kāi)發(fā)出ZX涂層立銑刀，超薄膜鍍層數(shù)達(dá)2,000層，每層厚度約1nm，用該立銑刀加工60HRC的高硬度材料，刀具壽命遠(yuǎn)高于TiCN和TiAlN涂層刀具。第八屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)(CIMT2003)上，瑞士PLATIT公司推出的納米結(jié)構(gòu)涂層(AITiN/SiN)立銑刀，其涂層硬度為45GPa，氧化溫度1100℃，切削對(duì)比試驗(yàn)表明，其壽命比TiN涂層立銑刀高3倍，比TiAlCN涂層立銑刀高2倍。表1是PLATIT公司推出的各種新型涂層，除上述AITiN/SiN、TiAlCN新涂層外，還有特定功能的涂層，如CBC、DLC潤(rùn)滑涂層，其摩擦因數(shù)小(0.15)，適于涂覆絲錐、鉆頭等刀具，可改善排屑性能，或者作為復(fù)合涂層的表面涂層，減少切屑的粘結(jié)。

　　納米結(jié)構(gòu)

　　日本日立工具公司推出的GM20、GM25多層厚膜涂層刀片，它是在比普通CVD涂層稍低溫度條件下(約800℃~900℃)進(jìn)行的，以形成耐磨性很高的柱狀結(jié)晶，為了提高刀片的抗粘附性，再在刀具表面上涂覆一層Al2O3膜。據(jù)稱，這種鍍膜的厚度大，韌性高，與基體結(jié)合緊密，抗崩刃性好，尤其適于斷續(xù)切削的工作，刀具壽命可比一般涂層刀片高1.5~2倍以上。

　　美國(guó)Kennametal Hertel公司在KC9315型刀片上涂有16μm厚的厚涂層，這種刀片特別適于加工高強(qiáng)度鑄鐵(如球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵)，切削速度可達(dá)400m/min，并可在干切削和斷續(xù)切削條件下使用。該刀片涂層總共有三層：氧化鋁(Al2O3)、碳氮化鈦(TiCN)和氮化鈦(TiN)。

　　目前，金剛石薄膜涂層刀具的應(yīng)用已進(jìn)入實(shí)用階段。它是在硬質(zhì)合金基體(常用K類合金)上采用CVD法沉積一層由多晶組成的膜狀金剛石而成，常稱CVD金剛石刀具(簡(jiǎn)稱CD刀具)。因基體易于制成復(fù)雜形狀，故適用于幾何形狀復(fù)雜的刀具。美國(guó)和日本都相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美國(guó)Kennametal公司的KCD25)等產(chǎn)品，用于有色金屬和非金屬材料的高速精密加工，刀具壽命比未涂層的硬質(zhì)合金刀具提高近十倍、甚至幾十倍。而另一種適于加工鋼鐵材料的CBN涂層亦已開(kāi)發(fā)成功，并正在走向工業(yè)試用階段。前幾年，武漢大學(xué)研制出一種C3N4薄膜，膜的硬度接近超硬材料，用其涂覆在高速鋼鉆頭上，可使鉆頭壽命大大提高。此外，美國(guó)一家涂層公司使用熱陰極蒸發(fā)技術(shù)把碳蒸發(fā)沉積到高速鋼刀具表面上，獲得結(jié)合得很好的類金剛石碳涂層(DLC)。類金剛石是非晶體，但它有很多金剛石相似的性能，如高的抗壓強(qiáng)度與硬度、低的摩擦因數(shù)和好的耐蝕性等，類金剛石刀具的問(wèn)世，為涂層刀具的應(yīng)用展現(xiàn)了一個(gè)新的前景。

　　除上述各種硬質(zhì)涂層材料外，還開(kāi)發(fā)了MoS2基的軟涂層材料及WC/C“中硬”型滑性涂層材料。前者能大大改善刀具的切入性能，并防止積屑瘤的產(chǎn)生；后者切入時(shí)摩擦因數(shù)雖比MoS2涂層稍高，但它的抗磨損性能較好。軟涂層可單獨(dú)使用，也可先在刀具表面上進(jìn)行硬質(zhì)涂層，再在其上涂MoS2軟涂層，無(wú)論是切鋼或加工高硅鋁合金都有好的效果(見(jiàn)圖2)，而且對(duì)鑄件也同樣有效。例如，采用一種(Ti, Al)N MoS2軟涂層的硬質(zhì)合金鉆頭干鉆削灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的深孔，刀具壽命高達(dá)1600min，而只涂TiN或TiCN涂層的鉆頭，其壽命分別為19.6min和44min。

　　目前，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還著手根據(jù)被加工材料的性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)涂層成份、涂層厚度及與之相匹配的基體材料，以求獲得其最佳組成并取得最佳涂覆效果。同時(shí)，還在開(kāi)發(fā)智能涂層，這種涂層在磨損、變形或暴露于高溫的情況下，會(huì)引起電阻的變化，并發(fā)射電子而能被機(jī)床識(shí)別。

　　工件材料：42CrMo4V(1000MPa)刀具整體硬質(zhì)合金；D=8.5mm鉆削速度：70m/min，進(jìn)給量：0.15mm/r鉆深42.5mm，干切削

　　工件材料：AlSi9刀具整體硬質(zhì)合金；D=8.5mm鉆削速度：90m/min，進(jìn)給量：0.315mm/r鉆深25.5mm，微量冷卻潤(rùn)滑 圖2不同涂層材料鉆頭在鋼件及鋁件上鉆削時(shí)切削行程長(zhǎng)度的對(duì)比

　　涂層刀具的合理使用

　　涂層刀具的使用效果除與涂層方法及設(shè)備、涂層工藝和涂層材料有關(guān)外，還有以下情況。涂前刀具的表面質(zhì)量

　　被涂刀具表面應(yīng)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(wú)毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度應(yīng)達(dá)到Ra<0.8~1.25μm。表面粗糙度值愈小，涂層的結(jié)合度愈好。此外，刀具表面的清洗質(zhì)量也十分重要。

　　刀具基體材料

　　涂層刀具的基體材料與涂層材料應(yīng)合理匹配，須根據(jù)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)。因粉末冶金的基體均勻，故使用效果好。加工鈦合金時(shí)，推薦用含鈷超硬高速鋼如W2Mo9Cr4VCo8(M42)作為刀具的基體材料。對(duì)于涂層滾刀，當(dāng)以正常切削速度(小于45m/min)加工齒輪時(shí)，崩刃是滾刀磨損的主要原因，因此應(yīng)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(shí)(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(yīng)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(zhì)合金刀具的基體，在加工鋼材時(shí)，宜選擇加工鋼材的硬質(zhì)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(shí)，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(duì)涂層刀具的使用效果也有一定影響。試驗(yàn)證實(shí)，涂層刀具最適于切削高硬度和耐磨合金一類難加工材料。

　　刀具的幾何角度

　　由于涂層的潤(rùn)滑性好，所以涂層刀具工作時(shí)常會(huì)在工件表面上打滑，為此涂層刀具上的后角應(yīng)比未涂層刀具的后角略大。實(shí)踐表明，對(duì)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(xiàn)象明顯減少，刀具的使用性能提高。

　　切削用量和切削液

　　為了充分發(fā)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(qiáng)，故可采用較大進(jìn)給量和切削速度工作，但首先應(yīng)選取較大進(jìn)給量。通常涂層高速鋼刀具采用的進(jìn)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(zhì)合金刀具也可采用比未涂層刀具高25%~70%的切削速度進(jìn)行切削。目前，用涂層硬質(zhì)合金通用刀具加工中碳結(jié)構(gòu)鋼時(shí)的切削速度，立銑刀可達(dá)100~150m/min，鉆頭可達(dá)80~100m/min；絲錐加工鑄鐵為20~40m/min。

　　實(shí)踐證明，使用20號(hào)機(jī)械油加10%煤油冷卻時(shí)，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(shù)m=5)時(shí)，使用20號(hào)機(jī)械油和煤油混合潤(rùn)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(shí)壽命僅提高1倍。

　　涂層刀具使用時(shí)還要求機(jī)床的精度好、剛性高和振動(dòng)小，刀具或刀片的夾持也應(yīng)牢固。

　　涂層刀具的重磨和重涂

　　涂層刀具磨損后必須進(jìn)行重磨。涂層刀具重磨時(shí)，須將刀具上的磨損部分全部磨掉。對(duì)于只需重磨前刀面的刀具(如拉刀、齒輪滾刀和插齒刀等)或只需重磨后刀面的刀具(如鉆頭和鉸刀等)，若在其毗連切削刃的另一個(gè)刀面(如鉆頭的螺旋出屑槽)上的涂層未受損傷，刀具耐磨性即可提高。重新刃磨后的涂層刀具，其刀具壽命可達(dá)原來(lái)新涂層刀具壽命50%左右或更長(zhǎng)，仍比未涂層刀具的壽命要高。

　　刃磨涂層硬質(zhì)合金刀具所用砂輪可采用金剛石砂輪。但刃磨涂層高速鋼刀具時(shí)，用立方氮化硼(CBN)砂輪磨削有較好效果。刀具的磨損處應(yīng)全部磨去，涂層不能剝落，又不能使刀具退火。

　　使用涂層刀具的一個(gè)重要問(wèn)題是重磨后刀具切削性能恢復(fù)的問(wèn)題，即刀具每次刃磨(開(kāi)口)后可否再進(jìn)行重復(fù)涂層(重涂)的問(wèn)題。對(duì)于重磨的成形刀具，只有進(jìn)行重涂，才能保證刀具的總壽命提高3~5倍以上。凡重涂刀具首先必須按工藝要求將各幾何參數(shù)磨好，其磨光部分不允許存在各種質(zhì)量缺陷，如磨糊、毛刺等。重涂時(shí)可采用局部屏蔽技術(shù)只對(duì)刃磨面進(jìn)行涂層。對(duì)于不采用屏蔽技術(shù)的重涂，在重涂4~6次后，刀具的非刃磨面的涂層厚度就會(huì)過(guò)大，從而影響刀具的精度和產(chǎn)生局部剝落現(xiàn)象，此時(shí)要對(duì)刀具進(jìn)行脫膜處理后再重涂。重涂后的刀具切削性能一般不低于第一次新涂層刀具，刀具可重涂多次，直到報(bào)廢為止。

　　由上可知，重涂對(duì)提高刀具耐磨性和生產(chǎn)率是有很大潛力的。但重磨后是否要重涂，還要看該刀具在技術(shù)上可否重涂和在經(jīng)濟(jì)上是否合算而定。

　　涂層刀具在中國(guó)應(yīng)用概況

　　中國(guó)對(duì)涂層刀具的研究與應(yīng)用是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的。目前，湖南株洲硬質(zhì)合金廠已能提供YB系列、CN系列及CA系列的各種涂層刀具的產(chǎn)品。YB系列是用引進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)相當(dāng)于瑞典Sandvik公司GC系列涂層刀片的產(chǎn)品，涂層材料為TiC、TiC Al2O3及TiC Al2O3 TiC；CN系列主要用于鋼材的精加工，其涂層材料為TiC Ti(C,N) TiN；CA系列涂層材料為TiC Al2O3，適于鑄鐵和有色金屬材料的加工。四川自貢硬質(zhì)合金廠用美國(guó)的涂層設(shè)備，生產(chǎn)ZC系列涂層刀片。但與制造技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)應(yīng)用涂層刀具的比例與涂層技術(shù)的水平均較低。為此，上海工具廠有限公司和湖南株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)公司新近又從瑞士和德國(guó)分別引進(jìn)了PLATIT公司和CemeCon公司的涂層設(shè)備，以使中國(guó)刀具的涂層技術(shù)和涂層刀具的性能迅速趕上并接近國(guó)際先進(jìn)水平。與此同時(shí)，還成立了中瑞合資上海納微涂層有限公司，這是一個(gè)大型涂層服務(wù)中心，開(kāi)展刀具的涂層、重磨及重涂服務(wù)，該公司引進(jìn)了4套涂層設(shè)備，可涂覆S-AlTiN(超級(jí)氮鈦化鋁)、S-TiN(超級(jí)氮化鈦)、TiCN、DLC、CrN等多種涂層?？梢灶A(yù)料，隨著涂層刀具的推廣與應(yīng)用，必將促進(jìn)中國(guó)高速切削、干式切削和硬切削等先進(jìn)切削技術(shù)的發(fā)展，而先進(jìn)切削技術(shù)的發(fā)展，又將進(jìn)一步推動(dòng)涂層刀具的應(yīng)用。