刀具涂层技术

在相对较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜（如TiAlN、TiC、TiN、Al2O3等）而形成的涂层刀具，是切削刀具发展的一次革命。涂层刀具与未涂层刀具相比，具有明显的优越性：显着降低摩擦系数，改善刀具表面的摩擦学性能和排屑能力；显着提高耐磨性和抗冲击韧性，改善刀具的切削性能，提高加工效率和刀具寿命；提高刀具表面抗氧化性能，使刀具可以承受更高的切削热，有利于提高切削速度及加工效率，并扩大了干切削的应用范围。在先进制造业中，80%以上的硬质合金刀具及高性能高速钢刀具都采用了表面涂层技术，而CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。

刀具涂层技术自从问世以来，对刀具技术的改善和加工技术起到了越来越重要的作用，已经成为现代刀具的标志。涂层刀具是通过在韧性较好的硬质合金基体或高速钢基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的，使刀具性能发生了巨大的变化。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等，其中TiC的硬度比TiN高，抗磨损性能更好。对硬质合金，一般采用化学气相沉积法（CVD），层积温度为1000℃；而对高速钢刀具，一般采用物理气相沉积法（PVD），层积温度在500℃左右。随着涂层工艺的日益成熟和不断发展，从开始的单一涂层，进入到开发多元、多层、梯度、纳米涂层的新阶段。

就目前PVD技术的发展状况，涂层薄膜结构大体可以分为单一涂层、复合涂层、梯度涂层、多层涂层、纳米多层涂层、纳米复合结构涂层。

1、复合涂层是由各种不同功能或特性的涂层薄膜组成的结构，也称为复合涂层结构膜，其典型涂层为目前的硬涂层加软涂层，每层薄膜各具不同的特征，从而使涂层具有更好的综合性能。
2、梯度涂层是指涂层成分沿着薄膜生长方向逐步变化，这种变化可以是化合物各元素比例的变化，如TiAlCN中Ti、Al含量的变化，也可以由一种化合物逐渐过渡到另一种化合物，如CrN逐渐过渡到CBC碳基涂层。
3、多层涂层由多种性能各异的薄膜叠加而成，每层膜化学组成基本恒定。目前在实际应用中多有2种不同膜组成，由于所采用的工艺存在差异，各膜层的尺寸也不尽相同，通常由十几层薄膜组成，每层薄膜尺寸大于几十纳米，最具代表性的有AlN+TiN、TiAlN+TiN涂层等。与单层涂层相比，多层涂层可有效改善涂层组织状况，抑制粗大晶粒组织生长。
4、纳米多层涂层结构与多层涂层类似，只是各层薄膜的尺寸为纳米数量级，又可称为超显微结构。理论研究证实在纳米调制周期内（几纳米至几十纳米），与传统的单层膜或普通多层膜相比，此类薄膜具有超硬度、超模量效应，其显微硬度预计可以超过40GPa，并且在相当高的温度下，薄膜仍可保留非常高的硬度。

正因为涂层刀具既有硬度很高、化学稳定性好、摩擦系数小的表层，不易产生扩散磨损，同时又有基体的韧性，因而切削力、切削温度都较低，能够显着提高刀具的切削性能。

因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的主流，西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由20世纪80年代的26%上升到目前的90%，新型数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。瑞典山特维克可乐满和美国肯纳（肯纳官方网站，肯纳产品一览）金属公司的涂层刀片的比例已达85%以上；美国数控机床上使用的硬质合金涂层刀片的比例为80%；瑞典和德国车削用的涂层刀具都在70%以上。

我国涂层刀具起步晚，但进步快，其涂层网点遍布全国。有不少城市都有自己的涂层中心，并承接对外加工业务。我国从1970年代初就开始进行CVD涂层技术研究，80年代中期，我国的CVD涂层技术就已经进入实用化水平，其工艺水平也达到国际水平。总体而言，国内CVD涂层技术水平与国际水平相差不大。但我国1980年初才开始研究PVD涂层技术，目前国外刀具PVD涂层技术已发展到第四代，而国内还处于第二代水平，且仍以单层TiN涂层为主。

进入21世纪以来，随着制造技术的全球化趋势，制造业的竞争也越来越激烈。在由机床、刀具、夹具和工件组成的切削加工工艺系统中，刀具是最活跃的因素。因此在高速加工技术广泛应用于生产的今天，高性能刀具越来越受到重视并大量取代传统刀具。虽然高性能刀具与传统刀具相比价格昂贵，甚至是传统刀具的10倍，但是使用高性能刀具仍然可以有效地降低生产成本。刀具材料、几何参数及其结构是高性能刀具设计制造最重要的关键技术。目前，先进刀具发展迅速，各种专用高性能刀具不断推陈出新。在刀具材料方面，超细晶粒硬质合金刀具和超硬材料刀具获得了广泛运用；在涂层方面，多层梯度复合涂层和高强度耐热纳米涂层也得到了长足的发展，并在航空航天、汽车船舶等领域得到应用；在刀具结构方面，将朝可转位、多功能、专用复合刀具和模块式方向发展。