先进的刀具涂层技术

 涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。通过涂层可以提高切削刀具抗各种磨损的能力，延长了刀具的寿命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和进给速度，从而提高金属切削效率。本期话题，主要讨论刀具涂层技术的最新进展情况和发展前景。

涂层刀具的应用现状及发展趋势

李玉圃先生：涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。通过涂层提高了切削刀具抗各种磨损的能力，延长了刀具的寿命，提高了被加工零件的表面精度，也提高了切削速度和进给速度，从而提高了金属切削效率。今天，在切削刀具主流材料的硬质合金中，涂层硬质合金刀具占了80%，而其中CVD（化学涂层）又占了60％～65%，其余为PVD（物理涂层）。


李玉圃先生
ISCAR中国总经理 

在CVD涂层方面，包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各种化合物的多层复合涂层对改善涂层的综合性能，如结合强度、韧性、耐磨性和抗磨性及耐腐蚀性具有良好的效果。现在典型的VCDTiN（外层）+ Al2O3（中层）+TiCN（内层）多层式结构正在从涂层工艺上和涂膜的厚度上得到进一步改善。MTCVD（中温化学涂层）因有较低的工艺温度和较快的沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性η相最小化，同时减少了在高温CVD涂层中常见的由高温导致的拉伸裂纹，因此，MTCVD TiCN涂层已成为CVD多层涂层中的一个主要构成，这种MTVCD已用于α- Al2O3涂层，如ISCAR的α-IC9150、α-IC9250、α-IC9350和α-IC4100等，提升了涂层与基体的结合强度和抗后面磨损、前面磨损和抗粘附的能力。
在PVD涂层方面，也从单一的TiN或TiCN或TiAlN涂层发展到现在的复合涂层即硬涂层+软涂层。为适应更高切削速度和干式切削的要求，涂层刀具的红硬性成为近几年PVD技术的开发热点。TiAlN的改进涂层AlTiN提高了薄膜中Al的含量（Al含量大于50%），提升了涂层的红硬性、化学稳定性和抗氧化的性能，如ISCAR的Al-IC910（加工铸铁和钢）、Al-IC900、Al-IC930（加工钢、不锈钢、硬钢、铸铁、高温合金等）。

现代刀具涂层发展的一个重要特征就是复合化，为了提高其综合性能，涂层材料复合、涂层层复合以及CVD与PVD复合，如ISCAR的DT7150（K05-K25）通过MTCVD Al2O3和PVD TiAlN复合涂层，提高了材质的综合性能，用于高速加工灰铸铁和球墨铸铁。而多样化是刀具涂层发展的另一个趋势，有各种氮化物、氧化物涂层材料，还有TiB、SN涂层、金刚石涂层、立方氮化硼涂层等等。多样化的深层次原因是专业化，即针对不同的需求采用不同的涂层，并能对涂层的组分、百分比、结构及厚度在更大范围内加以控制和改变，以适应不同的被加工材料和不同的切削条件，从而显著地提高刀具的切削性能。如CrAlN涂层，以Cr元素替代Ti元素，具有3200HV硬度和1100℃的氧化温度，与TiAlN相比韧性更好，更适合断续切削和难加工材料的加工；以Si元素代替Al元素的涂层可获得用于硬切削的TiSiN，也可获得有润滑性的CrSiN，更适合用于铝、不锈钢等粘附性强的材料加工。此外，涂层材料的细微化是现代刀具涂层发展的另一个令人关注的趋势，纳米复合涂层正在越来越多的地方得到应用。在未来，刀具涂层将是一个系统的概念，即刀具涂层必须根据不断变化的现代切削应用条件来进行系统的组合，这是一种与传统观念中的“在刀具上涂覆一层薄膜”截然不同且复杂得多的系统工程方法，这需要我们进行系统思考。

 

刀具涂层进展概况

袁家栋先生：现代切削面临着不断发展的高速、高效、高精加工要求和愈来愈多的高强度、高韧性、难切削等高能级材料，加之硬加工、干切削等切削要求日新月异，使得切削刀材料难以满足日趋复杂的综合切削性能要求。若在材料的整体性能上去满足要求，不仅在资源的利用上极不经济，同时在材料技术方面也是高难度，甚至是难以达到的。考虑到切削过程表面作用是第一性的特点，就可通过材料表面改性技术的方法来赋予切削刀具的综合切削性能。实践表明，作为刀具材料表面改性技术之一的化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）工艺技术，在现代切削刀具方面的应用取得了十分理想的效果。尤其是PVD，由于其工艺温度低于CVD，不会影响刀具基材的性能，且工艺方案的变化灵活，其应用日趋广泛，已成为现代刀具制造的核心技术之一，由此可以说，现代刀具的发展成为了刀具涂层发展的动力，并为其创造了非凡的发展空间,并几乎将发达国家所有从事涂层设备制造和涂层服务的企业都吸引到国内来，形成了群雄并起的局面。这也就是为什么近两年来刀具涂层无论在数量上还是在技术水平上都得到快速发展的原因，并确实推动了我国涂层工艺技术和生产的发展。

袁家栋先生
中德合资天威赛利涂层技术有限公司
副总经理、教授级高级工程师

当前，单一涂层显然已无法满足现代刀具性能上的要求。高耐磨性、低摩擦系数的多元复合涂层、高韧性和抗冲击性能的多层涂和梯度涂层、具有氧化膜热障顶层和耐热及抗热冲击的复合涂层、具有耐磨、耐热、低摩擦、高韧性等综合性能的纳米组份（颗粒）的多层涂、用于加工纤维增强复合材料的