刀具涂层技术介绍--沃尔德

1.前言

现代制造业对机械加工提出更高的要求：提高加工效率、可靠性与精度。而刀具表面涂层技术作为一种解决方案，日益受到重视。

2.涂层刀片

针对更高的机械加工要求，世界范围内各个厂家各自推出各类涂层刀片以满足需求：

日本住友公司推出BNC2000系列刀片，采用新开发的 CBN 基体镀有一层 TiCN或TiAlN 涂层，欲以进一步提高耐用性，更稳定地加工并具有更长的刀具寿命[1]。

日本三菱推出的高硬度钢车削加工用涂层CBN刀片，适用于连续、断续切削的广泛加工领域，以期耐磨损性、耐破损性能够大幅提高[2]。

美国肯纳公司推出的新型碳氧化钛外涂层（TiOCN）系列刀片，延长刀具寿命并提高切削刃的利用率[3]。

京瓷集团推出的PDL025系列硬质合金刀片，采用DLC涂层接近金刚石的硬度，适用于铝合金的高品位、长寿命加工[4]。

株洲钻石公司推出的金钻系列硬质合金刀片，采用PVD涂层原子重排技术，基体与TiAlN基纳米多层涂层，追求涂层硬度，韧性及热稳定性能的匹配，适用于多种材料的车削加工及铣削加工[5]。

北京沃尔德公司推出的PCBN涂层刀片，用以优质的PCBN原料，再加上特殊涂层，刀片寿命更长，为客户降本增效。在原本优质表现的PCBN刀片基础上更增刀片使用寿命，可适用于多种工况的加工，取得良好的使用效果。

3.刀具表面涂层的优势

目前切削刀具制造领域有三大关键技术：刀具材料、切削加工工艺及涂层技术。涂层技术作为其中一大关键技术，能够带给刀具诸多优势。涂层技术之于刀具，可大幅度提高表面硬度，使刀具具有更好的耐磨性和切削性能，降低与工件的摩擦系数，改变热扩散途径从而保护刀具基体，改善使用效率等诸多优势。

本公司推出的PCBN涂层刀片较未涂层刀片，具有更长的寿命，能够降本增效。采用同种规格，同种材料的刀片，在相同的线速度、进给速度及切削深度下，涂层型的PCBN刀片较原有刀片的切削性能稳定，尺寸变形较小，是原有刀片寿命的2~3倍，刀片磨损量非常小。

4.刀具涂层材料

涂层材料发展于上世纪80年代，一般分为软涂层与硬涂层材料两大类，目前刀具采用的涂层材料多为硬涂层材料，一般分为硅化物、硼化物、氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、金刚石及复合涂层，共计八大类数几十个品种。硬涂层材料包括了单层薄膜和复合薄膜，主要分为：以金刚石、TiSiN、TiAlSiN等为代表的超硬涂层、TiN/TiCN、Al2O3/TiN等多层复合涂层、TiCN、TiAlN、TiAlCN及润滑膜等多元复合金属的化合物及TiN、TiC、ZrN、CrN等过渡金属的氮化物和碳化物。

TiC和TiN涂层材料发展最早且在工业上有较为成熟的应用，TiC涂层的抗机械磨损性能良好，可以降低加工过程中的阻力，降低切削温度，有较高硬度和耐磨性，但性脆，不耐冲击。TiN材料具有较高的化学稳定性，但抗氧化能力弱，韧性和抗月牙洼磨损能力较弱，与铁基体亲和力小，摩擦系数低。TiN一般切削温度在300℃左右，当使用温度达到500℃的时候，膜层有明显的氧化烧蚀。

TiCN兼有TiC和TiN两种材料的特点，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩刃，适合于要求较低摩擦系数又要求较高硬度的场合，如普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁的加工[6]。

(Ti, Al)N在切削时会在刀刃界面上形成一层由一种非晶体的氧化铝组成的硬的惰性的保护膜，此膜的导热性差，可使切屑带走更多的切削热。(Ti, Al)N涂层具有良好的红硬性、抗氧化性及低的热传导系数，在高速切削中性能优异，它比TiN更能有效地用于连续高速车削，也适合于加工钛合金、镍合金不锈钢等工件。

相比于TiC和TiN涂层刀具，A12O3涂层刀具具有更高的切削性能。在进行钢件高速切削时，A12O3具有更好的化学稳定性和高温抗氧化能力，A12O3涂层在高温下硬度的降低较TiC涂层小，因此具有更好的抗磨损和抗热塑性变形的能力，具有较高的耐用度。

金刚石涂层硬度可达10000HV ,导热性强，摩擦系数较低，具有优异的力、热、光、电等性能以及高弹性模量和低摩擦系数，适用于有色金属合金的高速切削，具有广泛的应用前景。国内外研究表明金刚石涂层刀具已可实用于石墨电极、石墨模具、陶瓷生坯、航空高硅铝合金、碳纤维复合材料、手机外壳和零部件以及其他有色金属材料等加工领域[7]。

纯金刚石涂层刀具不能用于加工钢件，因为加工钢件时所产生的切削热导致金刚石发生化学反应转变为石墨，使涂层与刀具之间的粘附层遭到破坏。

软涂层材料包含：MoS2, WS2, CaS2, TaS2/Mo, WC/C等，加工时，该涂层可在刀具表面形成固体润滑膜，使刀具材料具有很低的摩擦系数。目前国内进行软涂层刀具技术研究的较少，在干切削中应用软涂层刀具，可有效阻止粘结、减小摩擦、降低加工成本、提高刀具寿命，具有很大的发展潜力。

5.刀具涂层结构

涂层结构一般分为单涂层、多涂层、复合涂层、梯度涂层及纳米结构涂层等结构分类。

单涂层也叫普通涂层，只由一种成分构成，在薄膜的纵向生长方向上涂层成分稳定。在PVD技术发展初期一直采用单一涂层的技术，典型的单一涂层有TiCN等。

多涂层，由多种成分稳定、性能各异的薄膜叠加而成。常见的多层涂层由2种不同膜组成，层数可达十几层以上。每层薄膜尺寸最小为几十纳米，例如A1N+TiN涂层等。与单层涂层相比，多层涂层可有效地抑制粗大晶粒组织的生长，改善涂层组织状况。

采用PCD多层涂层结构的CBN材料刀具可应用于连续、断续切削的广泛加工领域，耐磨损性、耐破损性大幅提高[8]。

对刀片进行TiCN-AL2O3-TIN多层涂层，涂层内层的TiCN与基体有较强的结合力和强度，中间的Al2O3作为一种有效的热屏障可允许有更高的切削速度，外层的TiCN保证了前刀面和后刀面的抗磨损能力，最外一层金黄色薄层的TiN使得容易辨别刀片的磨损状态[9]。

TiN与A1N可形成一种纳米多层涂层，层数可达千余层，其与基体结合强度高，涂层硬度接近CBN，抗氧化性能好，抗剥离性强，而且可显著改善刀具表面粗糙度，其寿命是TiN、TiAlN涂层的2～3倍[10]。

6.刀具涂层的制备技术

涂层成分能否在涂层刀具上发挥应有的性能，除了涂层与基体的结合强度、涂层及界面组织结构、择优取向、各单层厚度及总厚度等决定涂层刀具性能的重要因素外，在很大程度上还取决于涂层工艺的技术。

刀具涂层技术有多种，常见的有化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、溶胶—凝胶法（Sol-Gel）、等离子体化学气相沉积技术（PCVD）、离子辅助沉积（IBAD）、中温化学气相沉积（MT-CVD）等方法。

6.1 化学气相沉积（CVD）

CVD涂层是最早出现、也是最常见的涂层方法，已经沿用多年。CVD法是在一个化学反应容器内加热基体，并将基体暴露于气流之中。这些气体在被加热的基体表面分解，形成一层涂层。一般CVD涂层需要的温度约为1000℃左右。二十世纪六十年代，CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理，采用TiN、TiC、TiCN、Al2O3等单层及多元多层复合涂层的沉积。到二十世纪八十年代中后期，美国已有85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理，其中CVD涂层占到99%。九十年代中期，CVD涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占80%以上。

CVD工艺亦有其先天缺陷：一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹；三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染。而后，发展出中温化学气相沉积（MT-CVD）方法，可获得致密纤维状结晶形态的涂层，涂层厚度可达8-10μm，涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性，MT-CVD涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用，其寿命可比普通涂层刀片提高一倍左右。

Bernex BPXpro系列CVD涂层系统是爱恩邦德公司提供的技术产品之一，典型的工艺温度为HT CVD工艺的温度为900到1050 °C，Bernex MT CVD工艺的温度为720到900 °C，具有低应力、扩散结合的形式而带来较好的涂层粘附性、高承载能力、优异的涂层均匀性，可以在复杂的几何形状的零件做涂层，包括某些有内径的零件[11]。

6.2 物理气相沉积（PVD）

PVD 工艺包括电弧蒸发、溅射、离子镀以及增强溅射等，依据产生等离子体的方法及沉积材料的气化方法的不同，可分为：阴极电子弧沉积法、非平衡磁控溅射法、三极管高压电子束蒸发法及动力学离子束混合法等方法。

物理气相沉积所需的沉积温度较低，TiA1N、TiN等硬涂层的沉积温度可以达到500℃以下。涂层和基体间在低温下不易发生脱碳现象或产生η相，对基体材料限制少。涂层内部具有压应力，抗裂纹扩展能力强，适合于对硬质合金精密复杂刀具进行涂层。涂层表面摩擦系数低，能更有效地阻止前刀面的横向裂纹的扩展。对环境无不利影响，符合绿色制造的发展方向。

7.刀具涂层的发展方向

7.1 涂层材料的多元化

单涂层与基材材料的物理特性及晶格类型的不同，导致基体与涂层之间存在较大的残余应力，结合力不强。在单涂层中加入新的元素(如加入锆、钒等会提高耐磨损性，加入硅会提高硬度并防止化学扩散，加入铝、铬会提高抗氧化性)制备出的多元刀具涂层材料，极大地提高了刀具的综合性能。涂层材料也已从最开始的TiN、TiA1N、TiCN发展到现在的TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN、AlCrN、A1CrSiN，TiBN、CrN、ZrN、A12O3等几十种涂层材料。

7.2 涂层结构的创新及切削加工的绿色化

涂层结构的创新及切削加工的绿色化是重要的发展方向。改善涂层结构，可有效提高涂层刀具的膜基结合力，对刀具使用寿命有重要影响。高速干切削可大幅提高加工效率，提高加工精度，降低表面粗糙度。无论从环保角度还是从加工性能以及经济角度考虑，制造能满足干式切削条件的涂层刀具是绿色加工的重要发展目标。

参考文献

[1] 杨晓婵. 日本住友电工开发新型淬火钢加工用CBN材料[J]. 现代材料动态, 2015(5):2-3

[2] 近藤晓裕, 田中裕介, 前田浩一. 在高强度钢的高速切削加工中硬质被覆层发挥优异的耐磨损性的表面被覆超硬合金制切削工具: CN, CN 1820880 A[P]. 2006.

[3] 佚名. 肯纳金属新推BeyondDrive刀片系列[J]. 制造技术与机床, 2015(9):5-5.

[4] 京瓷. 刀具未来将更好的服务中国市场[J]. 工程机械, 2016.

[5] 李佳, 陈利, 王社权. TiAlSiN多元合金化PVD涂层的研究及其在切削刀具中的应用[C]// 第十次全国硬质合金学术会议. 2010.

[6] 周磊. 硬质合金高温化学气相沉积TiN涂层工艺及性能研究[D]. 西华大学, 2011

[8] 佚名. 三菱综合材料高硬度钢车削加工用涂层CBN材质“BC81系列”[J]. 工具展望, 2016(6):23-24.

[9] 余东海. 刀具涂层材料研究进展[J].工具技术,2007（4）:25-32

[10] 佘建芳. 2000层PVD技术[J]. 硬质合金, 2002(1):24

[11] http://www.ionbond.com/coating-services/cutting-tools/bernextm-cvd/