涂層刀具有效地解決了刀具材料的硬度和耐磨性愈高而強度和韌性愈低的矛盾。本文就涂層方法、涂層材料、涂前刀具處理以及涂層刀具合理使用等問題作了綜述。

　　引言

　　涂層刀具是在強度和韌性較好的硬質合金或高速鋼(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。涂層作為一個化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，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、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦因數小和熱導率低等特性，切削時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，降低刀具消耗費用20%~50%。因此，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%。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，擴大應用範圍。

　　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PCVD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600℃以下(目前涂覆溫度已可降至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。

　　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，目前已發展到涂覆在焊的硬質合金刀具上。據報道，日本三菱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。

　　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 最高使用溫度℃ 說明

　　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 涂層表面質量好

　　AlTiN/SiN 紫蘭 45 1-4 0.45 1100 納米結構

　　涂層材料

　　涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、不與工件材料發生化學反應、耐熱耐氧化、摩擦因數低，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要求。所以硬質涂層材料已由最初只能涂單一的TiC、TiN、Al2O3，進入到開發厚膜、復合和多元涂層的新階段。新開發的TiCN、TiAlN、TiAlCN多元、超薄、超多層涂層與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復合，加上新型的抗塑性變形基體，在改善涂層的韌性、涂層與基體的結合強度、提高涂層耐磨性方面有了重大進展。目前，又突破了在硬質合金基體上涂覆金剛石薄膜技術，全面提高了刀具的性能。

　　工藝最成熟和應用最廣泛的硬質涂層材料是TiN，但TiN與基體結合強度不及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兩種材料的優點，它在涂覆過程中可通過連續改變C、N的成份控制TiCN性質，并形成不同成份的多層結構，可降低涂層的內應力，提高韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴展，減少崩刃。所以，目前生產的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推薦用于加工鋼料的GC4000系列刀片、中國株洲硬質合金廠生產的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，用它加工工件時的材料切除率可提高2~3倍。

　　TiAlN、CrC、CrN、TiAlCN是近幾年來開發的硬質涂層新材料。TiAlN涂層刀片已商品化。它的化學穩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，切削時在刀具前刀面和切屑的界面上還會產生一層硬質的惰性保護膜，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計的。CrC和CrN是一種無鈦涂層，適于切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料，化學穩定性好，不產生粘屑。TiAlCN是一種梯度結構涂層，不僅具有高的韌性和硬度，而且摩擦因數也較小，適用于銑刀、滾刀、絲錐等多種刀具，切削性能明顯優于TiN。

　　德國CemeCon公司開發了Supernitride涂層系列，其中超級氮鋁鈦涂層有很高的含鋁量，可形成穩定的氧化層(氧化溫度達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58HRC以上的淬火鋼。

　　此外，納米超薄膜涂層工藝已日趨成熟。據報道，日本住友電工公司推出了一種高速強力型鉆頭，它是在韌性好的K類(WC Co)硬質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，該鉆頭的抗彎強度與斷裂韌性可大幅度提高，其硬度則與CBN相當，刀具壽命可提高2倍左右。該公司還開發出ZX涂層立銑刀，超薄膜鍍層數達2,000層，每層厚度約1nm，用該立銑刀加工60HRC的高硬度材料，刀具壽命遠高于TiCN和TiAlN涂層刀具。第八屆中國國際機床展覽會(CIMT2003)上，瑞士PLATIT公司推出的納米結構涂層(AITiN/SiN)立銑刀，其涂層硬度為45GPa，氧化溫度1100℃，切削對比試驗表明，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潤滑涂層，其摩擦因數小(0.15)，適于涂覆絲錐、鉆頭等刀具，可改善排屑性能，或者作為復合涂層的表面涂層，減少切屑的粘結。

　　納米結構

　　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℃)進行的，以形成耐磨性很高的柱狀結晶，為了提高刀片的抗粘附性，再在刀具表面上涂覆一層Al2O3膜。據稱，這種鍍膜的厚度大，韌性高，與基體結合緊密，抗崩刃性好，尤其適于斷續切削的工作，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度鑄鐵(如球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵)，切削速度可達400m/min，并可在干切削和斷續切削條件下使用。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用已進入實用階段。它是在硬質合金基體(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(簡稱CD刀具)。因基體易于制成復雜形狀，故適用于幾何形狀復雜的刀具。美國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位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司的KCD25)等產品，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涂層亦已開發成功，并正在走向工業試用階段。前幾年，武漢大學研制出一種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，美國一家涂層公司使用熱陰極蒸發技術把碳蒸發沉積到高速鋼刀具表面上，獲得結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，如高的抗壓強度與硬度、低的摩擦因數和好的耐蝕性等，類金剛石刀具的問世，為涂層刀具的應用展現了一個新的前景。

　　除上述各種硬質涂層材料外，還開發了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，并防止積屑瘤的產生；后者切入時摩擦因數雖比MoS2涂層稍高，但它的抗磨損性能較好。軟涂層可單獨使用，也可先在刀具表面上進行硬質涂層，再在其上涂MoS2軟涂層，無論是切鋼或加工高硅鋁合金都有好的效果(見圖2)，而且對鑄件也同樣有效。例如，采用一種(Ti, Al)N MoS2軟涂層的硬質合金鉆頭干鉆削灰鑄鐵發動機缸體上的深孔，刀具壽命高達1600min，而只涂TiN或TiCN涂層的鉆頭，其壽命分別為19.6min和44min。

　　目前，一些工業發達國家還著手根據被加工材料的性質來設計涂層成份、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，還在開發智能涂層，這種涂層在磨損、變形或暴露于高溫的情況下，會引起電阻的變化，并發射電子而能被機床識別。

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

　　工件材料：AlSi9刀具整體硬質合金；D=8.5mm鉆削速度：90m/min，進給量：0.315mm/r鉆深25.5mm，微量冷卻潤滑 圖2不同涂層材料鉆頭在鋼件及鋁件上鉆削時切削行程長度的對比

　　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備、涂層工藝和涂層材料有關外，還有以下情況。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。

　　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)。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。

　　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。

　　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。目前，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。

　　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。

　　涂層刀具的重磨和重涂

　　涂層刀具磨損后必須進行重磨。涂層刀具重磨時，須將刀具上的磨損部分全部磨掉。對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，其刀具壽命可達原來新涂層刀具壽命50%左右或更長，仍比未涂層刀具的壽命要高。

　　刃磨涂層硬質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，用立方氮化硼(CBN)砂輪磨削有較好效果。刀具的磨損處應全部磨去，涂層不能剝落，又不能使刀具退火。

　　使用涂層刀具的一個重要問題是重磨后刀具切削性能恢復的問題，即刀具每次刃磨(開口)后可否再進行重復涂層(重涂)的問題。對于重磨的成形刀具，只有進行重涂，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磨好，其磨光部分不允許存在各種質量缺陷，如磨糊、毛刺等。重涂時可采用局部屏蔽技術只對刃磨面進行涂層。對于不采用屏蔽技術的重涂，在重涂4~6次后，刀具的非刃磨面的涂層厚度就會過大，從而影響刀具的精度和產生局部剝落現象，此時要對刀具進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，直到報廢為止。

　　由上可知，重涂對提高刀具耐磨性和生產率是有很大潛力的。但重磨后是否要重涂，還要看該刀具在技術上可否重涂和在經濟上是否合算而定。

　　涂層刀具在中國應用概況

　　中國對涂層刀具的研究與應用是從20世紀80年代開始的。目前，湖南株洲硬質合金廠已能提供YB系列、CN系列及CA系列的各種涂層刀具的產品。YB系列是用引進設備生產相當于瑞典Sandvik公司GC系列涂層刀片的產品，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。四川自貢硬質合金廠用美國的涂層設備，生產ZC系列涂層刀片。但與制造技術先進的工業發達國家相比，中國應用涂層刀具的比例與涂層技術的水平均較低。為此，上海工具廠有限公司和湖南株洲硬質合金集團公司新近又從瑞士和德國分別引進了PLATIT公司和CemeCon公司的涂層設備，以使中國刀具的涂層技術和涂層刀具的性能迅速趕上并接近國際先進水平。與此同時，還成立了中瑞合資上海納微涂層有限公司，這是一個大型涂層服務中心，開展刀具的涂層、重磨及重涂服務，該公司引進了4套涂層設備，可涂覆S-AlTiN(超級氮鈦化鋁)、S-TiN(超級氮化鈦)、TiCN、DLC、CrN等多種涂層。可以預料，隨著涂層刀具的推廣與應用，必將促進中國高速切削、干式切削和硬切削等先進切削技術的發展，而先進切削技術的發展，又將進一步推動涂層刀具的應用。