世界最頂尖的刀具涂層技術

  切削刀具表面涂層技術是近幾十年應市場需求發展起來的材料表面改性技術。采用涂層技術可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優良的綜合機械性能，從而大幅度提高機械加工效率。

1.刀具涂層的特點

  （1）力學和切削性能好。涂層刀具將基體材料和涂層材料的優良性能結合起來，既保持了基體良好的韌性和較高的強度，又具有涂層的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數。因此，涂層刀具的切削速度與未涂層的相比，切削速度可提高2~5倍，使用涂層刀具可以獲得明顯的經濟效益。

  （2）通用性強。涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴大，一種涂層刀具可以代替數種非涂層刀具使用，因而可以大大減少刀具的品種和庫存量，簡化刀具管理，降低刀具和設備成本。

2.涂層的分類

  根據涂層方法不同，涂層刀具可分為化學氣相沉積（Chemical Vapour Deposition，簡稱CVD）涂層刀具、物理氣相沉積（Physical Vapour Depositon，簡稱PVD）涂層刀具及混合工藝及組合技術。CVD涂層原理如圖1a所示，PVD涂層原理如圖1b所示。混合工藝是等離子輔助CVD技術與傳統的PVD技術進行有效的結合。比如先沉積傳統的CrN硬質涂層，再在最上面沉積一層用于減少摩擦的DLC涂層。組合技術是涂層前對工具或零部件的表面層進行氮化，可以提高涂層的功效。

  CVD可以涂覆耐磨損性優異的TiCN、耐熱性非常優異的Al2O3厚膜，因此在產生高溫的高速、高效率切削加工中能顯示出長壽命，CVD涂層如圖2a所示。PVD一般用在與無涂層硬質合金、高速鋼相同或較高速的切削速度條件下，以延長刀具壽命為目標。對基體制約少、損傷小，因此特別適合用于要求耐磨損性、耐崩刃性的刀具，也適用于要求鋒利刃口的低進給加工與精加工或螺紋加工工具等，PVD涂層如圖2b所示。

  根據涂層刀具基體材料的不同，涂層刀具可分為硬質合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具以及在陶瓷和超硬材料（金剛石和立方氮化硼）上的涂層刀具等。涂層硬質合金刀具一般采用化學氣相沉積法，沉積溫度在1 000℃左右。涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法，沉積溫度在500℃左右。

  金剛石涂層采用CVD（化學蒸鍍法）在硬質合金基體上合成。合成的涂層具備與天然金剛石相匹敵的硬度與導熱系數，在非鐵材料的加工中發揮著優異的性能。金剛石涂層刀具由于其良好的切削性能，在切削加工領域具有廣闊的應用前景，是加工石墨、金屬基復合材料、高硅鋁合金及許多其他耐磨蝕材料的理想刀具，目前其主要應用領域是汽車和航空航天工業。金剛石涂層刀具的組織如圖3所示。

  根據涂層材料的性質，涂層刀具又可分為兩大類，即“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具。“硬”涂層刀具追求的主要目標是高的硬度和耐磨性，其主要優點是硬度高、耐磨性好，典型的是TiC和TiN涂層，各種涂層刀具如圖4所示。“軟”涂層刀具是采用固體潤滑劑如MoS2、WS2等制備的刀具，“軟”涂層追求的目標是低摩擦系數，也稱為自潤滑刀具，它與工件材料的摩擦系數很低，只有0.1左右，可減小粘、減輕摩擦、降低切削力和切削溫度。

  對刀具進行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一，涂層刀具的出現，使刀具切削性能有了較大的提高，應用領域不斷擴大，涂層刀具在數控加工領域有巨大潛力，將是今后數控加工領域中最重要的刀具品種。目前國外硬質合金可轉位刀片的涂層比例在70%以上，歐洲齒輪刀具的涂層比例高達90%。涂層技術已應用于立銑刀、鉸刀、復合孔加工工具、齒輪滾刀、剃齒刀、成形拉刀及各種機夾可轉位刀片，滿足高速切削加工各種鋼和鑄鐵、耐熱合金和有色金屬等材料的需要。

3.涂層刀具的制備

  精密工具、零部件和功能件的新型高性能涂層都是由涂層爐生產出來的。因為不同的應用需要不同種類的涂層，且需要快速的交貨期，因此涂層爐必須要有足夠的靈活性，以保證生產不同系列的涂層都能有最佳的成本效益。現代化的涂層設備能夠在金屬、陶瓷甚至是塑料的表面進行快速、穩定且全自動的涂層。現代涂層設備必須滿足以下準則：①單爐時間短。②日常運營成本低。③靈活性高。④設備保養和備件費用成本設計低。⑤生產可靠性高。⑥全自動操作。⑦CE認證，職業安全標準高。

4.涂層的選用

  為了更好地選擇和發展刀具及零部件的最佳功效，需要鑒別其主要及特定的磨損性和失效機理。磨損、粘附、腐蝕和疲勞都視為磨損機理，而且都取決于實際的應用。經驗指出，材料的摩擦和磨損都不是材料的原因，而是整個系統的原因。因此，在選擇涂層前就必須分析整個摩擦系統，包括零部件的技術性能、抗壓力范圍以及磨損機理的類型。

5.實際案例

案例１：山特維克可樂滿涂層技術

Inveio-單一晶體定向技術

Inveio?是對氧化鋁涂層中單一晶體定向技術的一項突破，賦予刀片更高的耐磨性和更長的刀具壽命。

材料科技背景：

  在傳統的CVD氧化鋁涂層中，晶體的生長方向是隨機的。在開發Inveio?時，我們的專家們找到了一種控制該涂層中晶體生長的方法，以確保所有晶體都沿著相同的方向排列，并使最堅固的部分朝向頂面。您可以在下面的顯微鏡圖片中看到這種情形，其中，每種晶體方向都被賦予一種獨特的顏色。

在傳統的CVD氧化鋁涂層中，晶體取向是隨機的。

通過Inveio，氧化鋁涂層中的所有晶體都沿著相同的方向朝向頂面排列。

Inveio的作用：

  緊密排列的單向晶體在切削區域和鐵屑間構造了一個堅固的屏障。這極大程度地改進了抗月牙洼磨損和抗后刀面磨損特性。另一種作用是能夠更迅速地將熱量從切削區域帶走，從而有助于切削刃在更長時間的切削期間保持不變形。

可預測性和長刀具壽命：

  Inveio?對刀片強度、耐磨性和刀具壽命具有最大的單獨影響。Inveio涂層與刀片的所有其他元素相結合：基體、刃邊處理和后處理工藝。它們可共同確保可預測的長刀具壽命。