擔(dān)負(fù)公司命運(yùn)的刀具涂層技術(shù)

■ 尚亞國際貿(mào)易公司 （上海 230106） 章宗城

1. 涂層技術(shù)應(yīng)用

就刀具產(chǎn)品本身的競爭力而言，最主要的一個是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，一個是材料性能的優(yōu)勢，即主要指切削部分的基體和涂層材質(zhì)的優(yōu)勢。涂層很薄，一般不超過刀片厚度的0.2%。甚至只有幾納米。但這薄薄的一層作用巨大，改善革新潛力很大，為大家所注目（見圖1）。

圖1 涂層的功用

目前，切削加工時，大多數(shù)情況，有沒有涂層，具有怎樣的涂層，它們之間在切削效果上，可顯示巨大的差異，各自可承受的切削用量和耐磨性以及使用壽命可相差甚多甚至數(shù)倍。把好的基礎(chǔ)涂層和由此衍生出能適應(yīng)各種被加工材料、加工形態(tài)的系列涂層開發(fā)出來，將它涂到不同的刀片和整體刀具上，應(yīng)用在各種不同場合，就會全面提高整個加工過程的的效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，提高公司的競爭力和效益。

2. MIRACLE涂層

1987年神鋼制作所，現(xiàn)三菱明石制作所開發(fā)的MIRACLE涂層，就是他們所指的擔(dān)負(fù)公司命運(yùn)所開發(fā)的涂層。實(shí)質(zhì)它是一種在常用TiN膜中，用特殊技術(shù)加Al的（Al，Ti）N的膜層，呈紫黑色。在當(dāng)時一片金黃色TiN涂層的世界里，開始頗引起大家的疑慮。可是實(shí)際的效果令大家折服。在TiN（硬度1900HV，結(jié)合力60N，氧化開始溫度620oC）加了Al，它部分置換了Ti，因Al的原子半徑小，而引起晶格結(jié)構(gòu)的畸變，而這種新涂層強(qiáng)度和硬度顯著提高（硬度達(dá)2800HV），新技術(shù)使涂層結(jié)合力也提高到80N，同時氧化開始溫度，即耐熱性也提高到840oC。TiN的導(dǎo)熱性較好，就易將較多的切削熱傳給了刀具，使其基體在高溫時硬度下降，耐磨性變差。而（Al，Ti）N導(dǎo)熱性較差，切削熱難以傳到刀具基體，使其基體在高溫下，保持高硬度，耐磨性增強(qiáng)，使用壽命提高。（Al，Ti）N涂層屬物理氣相沉積（PVD）方法形成的涂層。物理氣相沉積方法與化學(xué)氣相沉積（CVD）方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，CVD法有個優(yōu)點(diǎn)能生成高溫條件下硬度高，熱擴(kuò)散率低即導(dǎo)熱性差的Al2O3涂層。這是一般PVD法所難以生成和企求的（見圖2）。

三菱公司運(yùn)用他們專門的Micracle涂層技術(shù)生成（Al，Ti）N膜層，如圖3所示。

用Miracle的PVD法雖難以單獨(dú)沉積Al2O3，但在高溫高壓切削環(huán)境下，（Al，Ti）N中的Al會發(fā)生氧化，形成非晶質(zhì)的Al2O3保護(hù)膜，這個膜層還會不斷地自行更新，可防止涂層和涂層下基體材料發(fā)生氧化損失。因此在高速切削產(chǎn)生的高溫條件下，膜層的化學(xué)與熱穩(wěn)定性好，也一定程度上達(dá)到了Al2O3膜高溫時，硬度更高，隔熱好，切削熱難以導(dǎo)入的優(yōu)異性能，而使刀具更耐磨，壽命更高。

涂層的質(zhì)量與性能除與涂層的材料有關(guān)外，與預(yù)處理、后處理、涂層的結(jié)構(gòu)、涂層的涂覆技術(shù)都有關(guān)。

圖2 Al2O3膜層的優(yōu)異性

圖3 （Al，Ti）N成膜示意圖

MIRACLE涂層技術(shù)的突破并配合先進(jìn)刀具結(jié)構(gòu)形狀的開發(fā)，很快使它成為三菱公司的主力的專利技術(shù)。特別此涂層和公司成功開發(fā)的堅(jiān)韌性極佳的超微粒硬質(zhì)合金基體材料TF15相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，二者不但結(jié)合強(qiáng)度高，具有穩(wěn)定的壽命，耐氧化性優(yōu)異，即使加工高硬度材料，也能保持較高的壽命，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工。它還具有優(yōu)異的通用性，因此很快的也成為刀片、刀具的主力材質(zhì)之一，其牌號為VP15TF，而廣泛地受到客戶的歡迎。甚至還有“只要用VP15TF就不會錯”的說法。如這種材料用于主刀刃、主后面、螺旋槽等進(jìn)行了改進(jìn)的高效WSTAR鉆頭，可使這類鉆頭成為鋒利、排屑好、切削力小、壽命長、廣受歡迎的鉆頭。甚至可做出高效一次加工出L=30D深孔的鉆頭，在一定條件下可以代替深孔鉆，且不需要專門的深孔鉆床。用VP15TF做出的各種刀片用于裝可轉(zhuǎn)位刀片的車、鏜、銑、鉆等刀具上?？梢约庸じ鞣N材料，在一定條件下，還可實(shí)現(xiàn)以車代磨，以銑代磨，精加工淬硬材料及用于加工多種難加工材料。整體的硬質(zhì)合金帶MIRACLE涂層的滾齒刀可以干式切削加工齒輪。

Miracle涂覆（Al，Ti）N技術(shù)還推廣到高速鋼，這稱之為VIOLET涂層。對高速鋼刀具進(jìn)行涂層處理時，溫度應(yīng)不超過550oC，過高會回火，使基體硬度下降，膜層結(jié)合力變差。在低溫下涂覆的技術(shù)，經(jīng)三菱公司技術(shù)人員連續(xù)奮戰(zhàn)，終于開發(fā)成功。并解決了（Al，Ti）N膜在低溫下結(jié)合強(qiáng)度低的難題，提高了抗氧化性，同時保持了基體硬度和韌性。VIOLET涂層與原TiN涂層性能比較如表1所示。

目前高速鋼的鉆頭、立銑刀等刀具仍在考慮低成本、重磨方便、需要注重防止刀具破損折斷、機(jī)床轉(zhuǎn)速低、剛性差、功率小等加工條件下持續(xù)使用。VIOLET涂層的出現(xiàn)可大大改善在這些條件下的加工效率和使用壽命。涂覆VIOLET涂層的高速鋼立銑刀和鉆頭。因?yàn)橛捕忍岣哌€可以較長期保持精度，而用于這些刀具的高精度系列產(chǎn)品。他們開發(fā)出的頂角為180o可加工出孔的平底面的VA-PDS-CB型帶VIOLET涂層高速鋼锪鉆，性能超過一般硬質(zhì)合金锪鉆。

齒輪加工和拉削用刀具，目前主要還是用高速鋼制造。VIOLET涂層用到高速鋼的滾齒刀上，使其使用壽命高于TiN涂層2倍。在其基礎(chǔ)上改進(jìn)的DP涂層，耐磨耐熱性可進(jìn)一步提高，甚至可進(jìn)行200m/min以上高速、干式加工。先進(jìn)的MIRACLE、MIRACLE40界面控制技術(shù)還應(yīng)用到拉刀，開發(fā)出壽命長、效率高的命名為GV21涂層，硬度提高，切削阻力下降，加工數(shù)量比TiN涂層增加了70%。

3. MIRACLE技術(shù)改進(jìn)成果

為更高效地加工，特別是針對不銹鋼、難加工耐熱合金、淬硬鋼等，三菱公司憑借MIRACLE技術(shù)生成的（Al，Ti）N卓越涂層的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了多方面的改進(jìn)。現(xiàn)已有以下幾個杰出的成果：

表1 VIOLET涂層的特性

（1）針對難加工的不銹鋼和耐熱鋼的高效車削難題，可以調(diào)整Al含量和涂層結(jié)構(gòu)形態(tài)。AL含量增多的優(yōu)點(diǎn)如上述。但Al含量過高，如超過65%左右，如采用一般技術(shù)，涂層性能反而會下降，如圖4所示。

三菱采用新的高鋁技術(shù)，不生成用一般技術(shù)，因鋁過多，造成的軟質(zhì)相，新技術(shù)可促使涂層微結(jié)構(gòu)化、微合金化，提高抗氧化能力，生成了均質(zhì)的高硬度相。如用此技術(shù)的MP735的涂層品種，配合相應(yīng)的斷屑槽，可高效穩(wěn)定地加工各類不銹鋼。包括對它進(jìn)行連續(xù)和斷續(xù)切削和有黑皮工件的切削。針對難加工的鎳基、鈷基合金，他們又利用此技術(shù)開發(fā)出MP9005、MP9015品種，再配合相應(yīng)的斷屑槽和幾何角度，改善了刀具的邊界磨損。再提高壽命約30%左右。

（2）針對高硬被加工材料，采用了在Miracle涂層（Al，Ti）N涂層的基礎(chǔ)上，加入其他適當(dāng)?shù)脑兀馐紫仍谕繉又屑尤隨i，形成（Al，Ti，Si）N涂層。又進(jìn)一步對涂層結(jié)構(gòu)予以改進(jìn)，開發(fā)出稱之為Impact Miracle的新技術(shù)，形成了納米級（Al，Ti，Si）N涂層，這三種涂層的硬度，抗氧化溫度，結(jié)合力，與鋼之間的摩擦系數(shù)，可見表2。它們廣泛地用在各種立銑刀表面。可以看出納米級（Al，Ti，Si）N涂層的硬度已接近立方氮化硼（CBN）的硬度。淬硬材料可直接高效銑削加工。這使得多用硬材的模具等行業(yè)加工效率大幅度提高。用它還可以切削高速工具鋼，這標(biāo)志先進(jìn)的有涂層切削工具已進(jìn)入“能用工具加工工具的時代”，更廣泛地獲得了好評。

（3）SMART MIRACLE涂層是利用最新技術(shù)，形成硬度高，耐熱性極佳的（Al，Cr）N新涂層。又使涂層外表面生成超平滑的所謂ZERO-μsurface膜。這種涂層可以很好抑制它與被加工材料切屑的粘結(jié)，降低切削阻力，從而實(shí)現(xiàn)令人驚異的高效加工。用這種涂層通用性還特別好，如SMART MIRACLE涂層立銑刀可加工一般的碳鋼、合金鋼、軟鋼、硬鋼、合金工具鋼、各類不銹鋼、鈦合金、耐熱合金鋼、銅和銅合金等。用它進(jìn)行側(cè)面銑削時。在機(jī)床，工件剛性高且排屑性優(yōu)異的情況下，可選擇高效加工條件。這三項(xiàng)有一項(xiàng)不足的情況下，可選擇通用加工條件。在直徑不同的立銑刀，高效加工條件比通用加工條件，切削速度可高出不同的倍率，但進(jìn)給速度可高出1倍多。此涂層切不銹鋼、鈦合金、耐熱合金時，加水溶性冷卻液效果好。

（4）在（Al，Ti）N基礎(chǔ)上，再加Cr，開發(fā)形成了（Al，Ti，Cr）N類多層涂層，代號為MS+。這種獨(dú)特的涂層技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了（Al，Ti）N與（Al，Cr）N多層化。能夠用于加工多種被加工材料，如碳鋼、合金鋼、合金工具鋼、高硬度鋼、銅、銅合金、析出硬化類不銹鋼等。

由圖5可知，MS+的硬度、膜層結(jié)合力都高于（Al，Ti）N和（Al，Cr）N，氧化開始溫度也很高（見表3）。它能加工鋼的硬度范圍是30～52HRC，更高硬度的鋼可用上述加Si的IMPACT MIRACLE涂層刀具去加工。

M S+涂層型號產(chǎn)品中，MP2SSB、MP2SB、MP2MB、MP2LB超短、短、中、長，四種球頭高效立銑刀用得很廣。

圖4 高鋁技術(shù)涂層特性示意圖

表2 幾種涂層性能比較

還有一種稱之為DP1020鉆頭專用的Al-Ti-Cr-N多層涂層，外表有zero-μ的平滑涂層，極易排屑導(dǎo)熱，降低鉆削力，現(xiàn)主要用于WSTAR系列鉆頭的升級產(chǎn)品MVE/MVS系列鉆頭。它的氧化開始溫度為800℃，硬度達(dá)2 900HV。這種涂層的鉆頭的刃帶，抗磨損能力特強(qiáng)。可更高效地鉆孔。另一種三角形冷卻液油孔的MQS型鉆頭采用的涂層是DP3020。與MQS冷卻液油孔結(jié)構(gòu)形狀近似的不銹鋼加工專用鉆頭MMS型采用了DP7020牌號涂層。分別可更高效地針對不同加工材料，進(jìn)一步提高加工效率。

（5）針對不斷承受沖擊載荷，易破損的銑刀刀齒，三菱又集各種優(yōu)異涂層和涂覆技術(shù)大成。開發(fā)出命名為“MIRACLE Σ”使涂層達(dá)到很強(qiáng)的韌性（TOUGH），它為可阻止裂紋延伸擴(kuò)展的多層涂層。這大大提高了耐破損性?？紤]到不同類型被加工材料的各自特性，對碳鋼合金鋼、不銹鋼、鈦合金耐熱鋼、分別開發(fā)出MP6100、MP7100、MP9100三系列涂層。這三系列涂層，在耐熱性、硬度方面比以往產(chǎn)品提高很多。一般硬度提高到3 000HV，氧化開始溫度提高到1 100oC。圖5所示意的多層結(jié)構(gòu)阻止了裂紋的延伸，防止了因此造成的破壞。

圖5中可見具體多層的結(jié)構(gòu)組成也不一樣，大家有共同的Al-（Al，Ti）N膜層，此層Al含量高，如前述，形成的均質(zhì)相，使其硬度提高并穩(wěn)定，加工時耐磨耐龜裂。而針對不同的被加工

（Al，Ti，Cr）N類多層涂層 （Al，Ti）N （Al，Cr）N硬度/HV 3 200 2 800 3 100氧化開始溫度（℃） 1 100 800 1 100結(jié)合力/N 100 80 80

圖5 多層涂層組成針對不同被加工材料而異

表4 與不同被加工材料間的摩擦系數(shù)

表3 幾種涂層性能比較材料，除共同材料的一層外，另一層的材質(zhì)并不相同，加工鋼、合金鋼等P類材料時，加（Al，Cr）N層，可耐熱膨脹和收縮，防止熱龜裂。加工不銹鋼等M類材料時，加TiN層，因不銹鋼易加工硬化，這樣可防止刀刃的邊界磨損。加工耐熱合金S類時，加CrN層，可防止因生成積屑瘤而造成的切削刃黏附損傷。

這類涂層的外層摩擦系數(shù)很低，可抗粘結(jié)，由表4可見MP6100和55號鋼，MP7100和奧氏體不銹鋼，MP9100和鈦合金，摩擦系數(shù)分別僅為0.4、0.5、0.3，大大低于以往的0.7。摩擦系數(shù)小，既抗黏附又減少了切削力和動力消耗，而節(jié)能。

（6）還有一種稱之為“Miracle Nova”涂層，即硬質(zhì)（Al，Ti）N膜和潤滑膜多層連續(xù)沉積涂覆，硬質(zhì)膜耐磨、耐熱、抗氧化，用在立銑刀上，特別是用于球頭立銑刀，可長期保持刀具精度。潤滑膜可減少摩擦，防粘結(jié)和由此造成損傷。

MIRACLE新涂層的各類立銑刀等曾獲得了日本機(jī)械學(xué)會技術(shù)獎。正是MIRACLE涂層的開發(fā)成功，并不斷改進(jìn)，使三菱綜合材料公司的各類刀片、車刀、銑刀、鉆頭，還包括齒輪加工刀具、拉刀的新產(chǎn)品不斷推出。這種創(chuàng)新開發(fā)一種優(yōu)秀涂層，然后在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步衍生開發(fā)多種適應(yīng)不同加工條件更高效涂層，使公司產(chǎn)品品質(zhì)不斷提高的途徑，很值得我們學(xué)習(xí)。