涂層刀具的切削性能及發(fā)展趨勢

姜玉珍 王素秋

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

引言

制造業(yè)的發(fā)展離不開切削刀具，現(xiàn)代切削刀具已經(jīng)成為提升制造業(yè)技術(shù)水平的關(guān)鍵因素之一，切削加工的要求日趨提高，如高速、高精度、高效、智能和環(huán)保等成為現(xiàn)代切削加工主要追求的目標(biāo)。而被加工材料的能級不斷提高，如高強(qiáng)和超高強(qiáng)度材料、高韌性、難切削等材料層出不窮。新形勢下對切削加工還提出了特殊要求，如加工硬度50HRC以上的硬加工、微潤滑和無潤滑的干切削不斷涌現(xiàn)，使切削加工中的個性化特點(diǎn)日見顯現(xiàn)。面對這些變化，若要求在刀具的設(shè)計和制造工藝或刀具材料的整體性能上來適應(yīng)這些要求，技術(shù)上的難度是很大的，尤其對刀具材料而言，不僅在資源利用上極不經(jīng)濟(jì)，而且要求材料滿足日趨復(fù)雜的綜合切削性能，通常難以做到。

采用而涂層刀具是解決上述問題的最佳方案之一，涂層刀具對改善的刀具性能起著非常重要的作用。經(jīng)涂層的刀具大大提高了加工效率、加工精度、延長了刀具壽命、降低了加工成本，由此可以說，現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展推動了刀具業(yè)的發(fā)展。 筆者曾多次參觀蘇州國際機(jī)床及工模具展覽會，收集了許多相關(guān)資料，并聽取了各大工具公司對新產(chǎn)品的介紹和技術(shù)分析，從而了解到涂層刀具技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

1 涂層刀具的性能

刀具涂層技術(shù)主要有2大類：化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層技術(shù)，物理氣相沉積(PVD)涂層技術(shù)。涂層刀具是在一些韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上，涂覆一層耐磨性高的難熔化金屬化合物而獲得。常用的涂層材料有氮化鈦涂層（TiN）、氮碳化鈦涂層（TiCN）、氮鋁鈦或氮鈦鋁涂層（TiAlN/Al－TiN）、氮化鉻涂層（CrN）、金剛石涂層（Diamond）等。CVD涂層工藝溫度約1000℃，主要用于硬質(zhì)合金刀具(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。

1.1 涂層刀具的性能

金屬切削刀具中涂層通過延緩各種磨損過程(前刀面磨損、月牙洼磨損、缺口磨損、粘結(jié)磨損等)，超硬涂層延長了硬質(zhì)合金刀具的使用壽命，提高了被加工零件的表面精度，通過高速、高進(jìn)給加工顯著提高了切削生產(chǎn)率。

1.1.1 延長刀具使用壽命

在相同的切削條件下，涂層刀具的使用壽命比未涂層刀具提高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%。

例如：涂TiCN高速鋼鉆頭在高強(qiáng)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TiCN，亦有顯著效果。

1.1.2 減少刀具的切削抗力

在相同的切削條件下，涂層刀具的切削力小于未涂層者。如：涂覆TiC硬質(zhì)合金刀具車削鋼材與未涂層刀具對比，主切削力Fc可減小3%～4%，涂覆TiN或TiCN涂層刀具的Fc約可減小6%，進(jìn)給力Ff與切深力Fp的減小尤為顯著。

1.1.3 加工范圍廣，表面質(zhì)量高

許多涂層刀具在加工中具有自潤滑性和刀具前刀面的抗粘結(jié)性。如TiCN涂層刀具在加工中具有表面自潤滑性，高速切削時表面質(zhì)量較好。而CrN涂層刀具具有良好的抗粘結(jié)性，不易產(chǎn)生積屑瘤加工性能大大改善。金剛石涂層刀具，則可加工非鐵金屬材料，如石墨、金屬基復(fù)合材料、高硅鋁合金及其它高磨蝕材料等，均能獲得較好表面質(zhì)量。

2 涂層刀具的優(yōu)勢

涂層刀具的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在具有良好的綜合切削性能。如果將未涂層高速鋼刀具與涂層高速鋼刀具進(jìn)行切削加工性對比，可以發(fā)現(xiàn)未涂層高速鋼的硬度僅為62～68HRC，硬質(zhì)合金的硬度僅為89～93.5HRA，而涂層后的表面硬度可達(dá)2000～3000HV以上。

2.1 高耐磨性和紅硬性

由于表面涂層材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高溫。故與未涂層的刀具相比，涂層刀具適合于較高的切削速度，從而提高了加工效率，或能在相同的切削速度下，提高刀具壽命。

2.2 摩擦系數(shù)低

由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小，故涂層刀具的切削力小于未涂層刀具，加工的表面質(zhì)量較高。

2.3 涂層刀具具有良好的通用性

涂層刀具具有良好的綜合切削性能，故具有較好的通用性，一種涂層刀具具有較寬的使用范圍。

2.4 涂層刀具具有環(huán)保性

從環(huán)境保護(hù)的角度來看，迫切需要干加工技術(shù)的快速發(fā)展。N涂層刀具由于具有良好的紅硬性、抗氧化性及比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導(dǎo)系數(shù)，成為干切削加工中最好的涂層刀具。

3 目前涂層刀具主要存在的問題

盡管近年來我國刀具涂層技術(shù)有了多元性發(fā)展，但與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比尚有很大差距，涂層技術(shù)還不夠成熟，高端設(shè)備幾乎完全依賴由國外引進(jìn)，缺乏自主創(chuàng)新，因此在涂層工藝上很難有突破。目前涂層刀具存在的問題主要有以下幾個方面：

3.1 涂層容易剝落

刀具壽命與膜厚有一定的關(guān)系，隨膜厚增加刀具壽命也會增加，但膜層太厚時易引起剝離。加上目前我國涂層工藝尚不成熟，以現(xiàn)有涂層工藝進(jìn)行涂層后，因基體材料涂層材料性質(zhì)差別較大，涂層殘留內(nèi)應(yīng)力大，涂層基體之間界面結(jié)合強(qiáng)度低，涂層易剝落。

3.2 涂層質(zhì)量不穩(wěn)定

目前TiAlN涂層在成分、薄膜結(jié)構(gòu)、致密性、結(jié)合強(qiáng)度以及均勻性等方面尚不成熟，由于涂層的不均勻性，影響了刀具整體的壽命和綜合切削加工性能。

3.2 涂層刀具的不可重磨性

涂層刀具在切削加工中，當(dāng)涂層被磨穿時，刀具的損壞會急劇下降。由于涂層刀具的不可重磨性，無法保證連續(xù)切削中加工精度要求。

3.2 涂層刀具價格昂貴

由于我國涂層設(shè)備多數(shù)依賴進(jìn)口，涂層設(shè)備復(fù)雜、昂貴、工藝要求高、涂層時間長、刀具成本上升。

4 涂層刀具的發(fā)展趨勢

涂層刀具的發(fā)展主要體現(xiàn)在涂層材料的發(fā)展，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)涂層材料已由最初單一涂層 TiC、Al2O3、TiN，進(jìn)入到開發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段。

新開發(fā)的 TiCN、TiAlN、TiAlN 多元、超薄、超多層涂層與TiC-Al2O3-TiN等涂層的復(fù)合，在復(fù)合涂層中，各單一成分涂層的厚度將越來越薄，并逐步趨于納米化。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。

近年來，高硬度涂層開始出現(xiàn)。如立方氮化硼（CBN）涂層、氮化碳（CNX）、多晶氮化物超點(diǎn)陣涂層等，CBN涂層硬度達(dá)5200kgf/mm2，僅次于金剛石，可有效切削淬火鋼其它難加工合金。

結(jié)束語

近10年來，涂層技術(shù)在切削刀具上的應(yīng)用得到了快速普及，涂層刀具已成為切削加工不可缺少的主流刀具。涂層刀具較好解決了刀具強(qiáng)度和韌性之間的矛盾，通過優(yōu)化涂層的晶格結(jié)構(gòu)、添加合金元素及多層涂層組合來提高涂層的強(qiáng)韌性，以適應(yīng)不同的切削條件，大大提高了刀具的耐用度和切削速度。為適應(yīng)涂層工藝的發(fā)展，涂層的工藝裝備也正向著集成化、模塊化和智能化方向發(fā)展，并使涂層技術(shù)日趨個性化。隨著汽車、航空航天、電子、軍工等部門對特殊材料需求的增加，涂層刀具的應(yīng)用也更顯其優(yōu)越性。目前涂層刀具攻堅難題是對具有納米多層結(jié)構(gòu)和納米復(fù)合涂層新型刀具涂層材料以及具有特殊性能的刀具軟涂層的研究、開發(fā)和應(yīng)用。

[1]王啟仲.金屬切削原理與刀具[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008（04）.

[2]吳道全.金屬切削原理及刀具[M].重慶大學(xué)出版社，1999（11）.