世界最頂尖的刀具涂層技術(shù)

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

1.刀具涂層的特點

  （1）力學(xué)和切削性能好。涂層刀具將基體材料和涂層材料的優(yōu)良性能結(jié)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(shù)。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(jīng)濟(jì)效益。

  （2）通用性強。涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴(kuò)大，一種涂層刀具可以代替數(shù)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(shè)備成本。

2.涂層的分類

  根據(jù)涂層方法不同，涂層刀具可分為化學(xué)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(shù)。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(shù)與傳統(tǒng)的PVD技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合。比如先沉積傳統(tǒng)的CrN硬質(zhì)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(shù)是涂層前對工具或零部件的表面層進(jìn)行氮化，可以提高涂層的功效。

  CVD可以涂覆耐磨損性優(yōu)異的TiCN、耐熱性非常優(yōu)異的Al2O3厚膜，因此在產(chǎn)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(zhì)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(biāo)。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(jìn)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(jù)涂層刀具基體材料的不同，涂層刀具可分為硬質(zhì)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(zhì)合金刀具一般采用化學(xué)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(xué)蒸鍍法）在硬質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)，在非鐵材料的加工中發(fā)揮著優(yōu)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是加工石墨、金屬基復(fù)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(yīng)用領(lǐng)域是汽車和航空航天工業(yè)。金剛石涂層刀具的組織如圖3所示。

  根據(jù)涂層材料的性質(zhì)，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(biāo)是高的硬度和耐磨性，其主要優(yōu)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(biāo)是低摩擦系數(shù)，也稱為自潤滑刀具，它與工件材料的摩擦系數(shù)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(jìn)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(xiàn)，使刀具切削性能有了較大的提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，涂層刀具在數(shù)控加工領(lǐng)域有巨大潛力，將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中最重要的刀具品種。目前國外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)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(dá)90%。涂層技術(shù)已應(yīng)用于立銑刀、鉸刀、復(fù)合孔加工工具、齒輪滾刀、剃齒刀、成形拉刀及各種機(jī)夾可轉(zhuǎn)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(chǎn)出來的。因為不同的應(yīng)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(chǎn)不同系列的涂層都能有最佳的成本效益。現(xiàn)代化的涂層設(shè)備能夠在金屬、陶瓷甚至是塑料的表面進(jìn)行快速、穩(wěn)定且全自動的涂層。現(xiàn)代涂層設(shè)備必須滿足以下準(zhǔn)則：①單爐時間短。②日常運營成本低。③靈活性高。④設(shè)備保養(yǎng)和備件費用成本設(shè)計低。⑤生產(chǎn)可靠性高。⑥全自動操作。⑦CE認(rèn)證，職業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)高。

4.涂層的選用

  為了更好地選擇和發(fā)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(jī)理。磨損、粘附、腐蝕和疲勞都視為磨損機(jī)理，而且都取決于實際的應(yīng)用。經(jīng)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(tǒng)的原因。因此，在選擇涂層前就必須分析整個摩擦系統(tǒng)，包括零部件的技術(shù)性能、抗壓力范圍以及磨損機(jī)理的類型。

5.實際案例

案例１：山特維克可樂滿涂層技術(shù)

Inveio-單一晶體定向技術(shù)

Inveio?是對氧化鋁涂層中單一晶體定向技術(shù)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(tǒng)的CVD氧化鋁涂層中，晶體的生長方向是隨機(jī)的。在開發(fā)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(tǒng)的CVD氧化鋁涂層中，晶體取向是隨機(jī)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(qū)域和鐵屑間構(gòu)造了一個堅固的屏障。這極大程度地改進(jìn)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(qū)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(yù)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(jié)合：基體、刃邊處理和后處理工藝。它們可共同確保可預(yù)測的長刀具壽命。