涂層刀具是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)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(gè)化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，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(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性，切削時(shí)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(jí)，降低刀具消耗費(fèi)用20%~50%。因此，涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標(biāo)志，在刀具中的使用比例已超過(guò)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(lái)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(zhì)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(kuò)大應(yīng)用範(fàn)圍。
a)涂層刀片
b)涂層刀具
涂層方法
目前生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種：物理氣相沉積(PVD)法和化學(xué)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(dá)5~10μm，并且設(shè)備簡(jiǎn)單，涂層均勻。因PVD法未超過(guò)高速鋼本身的回火溫度，故高速鋼刀具一般采用PVD法，硬質(zhì)合金大多采用CVD法。硬質(zhì)合金用CVD法涂層時(shí)，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(dǎo)致刀片脆性破裂。近十幾年來(lái)，隨著涂覆技術(shù)的進(jìn)步，硬質(zhì)合金也可采用PVD法。國(guó)外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù)，開(kāi)發(fā)了復(fù)合的涂層工藝，稱為PCVD法(等離子體化學(xué)氣相沉積法)。即利用等離子體來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，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(zhì)合金基體與涂層材料之間不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散、相變或交換反應(yīng)，可保持刀片原有的韌性。據(jù)報(bào)道，這種方法對(duì)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(shí)，切削刃需預(yù)先進(jìn)行鈍化處理(鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm，切削刃強(qiáng)度隨鈍圓半徑增大而提高)，故刃口沒(méi)有未涂層刀片鋒利。所以，對(duì)精加工產(chǎn)生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應(yīng)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(fā)展到涂覆在焊的硬質(zhì)合金刀具上。據(jù)報(bào)道，日本三菱公司在焊接式的硬質(zhì)合金鉆頭上采用了PCVD法，結(jié)果使加工鋼料時(shí)的鉆頭壽命比高速鋼鉆頭長(zhǎng)10倍，效率提高5倍。
涂層材料
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)涂層材料已由最初只能涂單一的TiC、TiN、Al2O3，進(jìn)入到開(kāi)發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段。新開(kāi)發(fā)的TiCN、TiAlN、TiAlCN多元、超薄、超多層涂層與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復(fù)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(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。
工藝最成熟和應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)涂層材料是TiN，但TiN與基體結(jié)合強(qiáng)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(shí)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(yōu)點(diǎn)，它在涂覆過(guò)程中可通過(guò)連續(xù)改變C、N的成份控制TiCN性質(zhì)，并形成不同成份的多層結(jié)構(gòu)，可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴(kuò)展，減少崩刃。所以，目前生產(chǎn)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(guó)株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)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(shí)的材料切除率可提高2~3倍。
TiAlN、CrC、CrN、TiAlCN是近幾年來(lái)開(kāi)發(fā)的硬質(zhì)涂層新材料。TiAlN涂層刀片已商品化。它的化學(xué)穩(wěn)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(shí)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(shí)在刀具前刀面和切屑的界面上還會(huì)產(chǎn)生一層硬質(zhì)的惰性保護(hù)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(guó)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(shè)計(jì)的。CrC和CrN是一種無(wú)鈦涂層，適于切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，不產(chǎn)生粘屑。TiAlCN是一種梯度結(jié)構(gòu)涂層，不僅具有高的韌性和硬度，而且摩擦因數(shù)也較小，適用于銑刀、滾刀、絲錐等多種刀具，切削性能明顯優(yōu)于TiN。
德國(guó)CemeCon公司開(kāi)發(fā)了Supernitride涂層系列，其中超級(jí)氮鋁鈦涂層有很高的含鋁量，可形成穩(wěn)定的氧化層(氧化溫度達(dá)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(dá)58HRC以上的淬火鋼。
此外，納米超薄膜涂層工藝已日趨成熟。據(jù)報(bào)道，日本住友電工公司推出了一種高速?gòu)?qiáng)力型鉆頭，它是在韌性好的K類(WC+Co)硬質(zhì)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(qiáng)度與斷裂韌性可大幅度提高，其硬度則與CBN相當(dāng)，刀具壽命可提高2倍左右。該公司還開(kāi)發(fā)出ZX涂層立銑刀，超薄膜鍍層數(shù)達(dá)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(yuǎn)高于TiCN和TiAlN涂層刀具。第八屆中國(guó)國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)(CIMT2003)上，瑞士PLATIT公司推出的納米結(jié)構(gòu)涂層(AITiN/SiN) 立銑刀，其涂層硬度為45GPa，氧化溫度1100℃，切削對(duì)比試驗(yàn)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(rùn)滑涂層，其摩擦因數(shù)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(fù)合涂層的表面涂層，減少切屑的粘結(jié)。
納米結(jié)構(gòu)
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(jìn)行的，以形成耐磨性很高的柱狀結(jié)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(jù)稱，這種鍍膜的厚度大，韌性高，與基體結(jié)合緊密，抗崩刃性好，尤其適于斷續(xù)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(guó)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(qiáng)度鑄鐵(如球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵)，切削速度可達(dá)400m/min，并可在干切削和斷續(xù)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(yīng)用已進(jìn)入實(shí)用階段。它是在硬質(zhì)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(jiǎn)稱CD刀具)。因基體易于制成復(fù)雜形狀，故適用于幾何形狀復(fù)雜的刀具。美國(guó)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(zhuǎn)位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美國(guó)Kennametal公司的KCD25)等產(chǎn)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(zhì)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(kāi)發(fā)成功，并正在走向工業(yè)試用階段。前幾年，武漢大學(xué)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(guó)一家涂層公司使用熱陰極蒸發(fā)技術(shù)把碳蒸發(fā)沉積到高速鋼刀具表面上，獲得結(jié)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(qiáng)度與硬度、低的摩擦因數(shù)和好的耐蝕性等，類金剛石刀具的問(wèn)世，為涂層刀具的應(yīng)用展現(xiàn)了一個(gè)新的前景。
除上述各種硬質(zhì)涂層材料外，還開(kāi)發(fā)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(chǎn)生；后者切入時(shí)摩擦因數(shù)雖比MoS2涂層稍高，但它的抗磨損性能較好。軟涂層可單獨(dú)使用，也可先在刀具表面上進(jìn)行硬質(zhì)涂層，再在其上涂MoS2軟涂層，無(wú)論是切鋼或加工高硅鋁合金都有好的效果(見(jiàn)圖2)，而且對(duì)鑄件也同樣有效。例如，采用一種(Ti, Al)N+ MoS2軟涂層的硬質(zhì)合金鉆頭干鉆削灰鑄鐵發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的深孔，刀具壽命高達(dá)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(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還著手根據(jù)被加工材料的性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)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(shí)，還在開(kāi)發(fā)智能涂層，這種涂層在磨損、變形或暴露于高溫的情況下，會(huì)引起電阻的變化，并發(fā)射電子而能被機(jī)床識(shí)別。
