一文搞懂刀具涂層，微觀視頻展示的刀具涂層對積屑瘤的影響很直觀
2021.07.27本文部分摘自《金屬切削刀具設(shè)計(jì)手冊》，全面地講述了刀具涂層相關(guān)知識(shí)，咱們先通過一個(gè)短視頻，慢鏡展示帶TIN涂層高速鋼刀具切削不同金屬時(shí)的狀態(tài)：
0 1 刀具涂層
通過氣相沉積或其他方法，在硬質(zhì)合金（或高速工具鋼刀具）基體上涂覆一薄層（一般只有幾微米）耐磨性高的難熔金屬（或非金屬）化合物，是提高刀具材料耐磨性而不降低其韌度的有效途徑之一。也是解決刀具材料發(fā)展中的一對矛盾（材料硬度和耐磨性越高，強(qiáng)度及韌度就越低）的很好方法。
02涂層方法及特點(diǎn)
目前，常用的刀具涂層方法有化學(xué)氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)兩種。近年來出現(xiàn)一些新的涂層工藝，具有良好的應(yīng)用前景。
CVD法：
CVD法屬于原子沉積類，是利用金屬鹵化物的蒸氣、氫氣和其他化學(xué)成分，在950~1050℃的高溫下，進(jìn)行分解、熱合等氣、固反應(yīng)沉積物以原子、離子、分子等原子尺度的形態(tài)在加熱基體表面形成固態(tài)沉積層的一種方法，其過程包括三個(gè)階段：物料汽化、運(yùn)輸?shù)交w附近和在基體上形成覆蓋層。
在各種CVD法中，用得最多的是真空離子轟擊法和磁控離子反應(yīng)噴涂法。
CVD技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金車削類刀具的表面涂層，其涂層刀具適合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。
CVD法與其他涂層方法比較，不僅設(shè)備簡單，工藝成熟，還有以下優(yōu)點(diǎn)：
? 沉積物種類多，能涂金屬、合金、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物氫碳氮化物等。
? 有高度的滲透性和均勻性，可獲得不同組織的多層涂層，涂層厚薄均勻。
? 沉積速率高，而且容易控制。
? 涂層純度高，晶粒細(xì)而致密。
? 黏附力較強(qiáng)，可獲得較厚的涂層。
? 工藝成本低，適合大量生產(chǎn)。
在700~900℃下的中溫化學(xué)氣相沉積(MTCVD)可獲得致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)的TCN涂層，涂層厚度可達(dá)8~10μm，并可通過CVD工藝技術(shù)在表層沉積上A2O3、TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料。
MT-CVD涂層刀片適合于高速、高溫、大負(fù)荷、干式切削條件下使用，其壽命可比普通涂層刀片提高1倍左右。CVD法的主要缺點(diǎn)在于沉積溫度較高，在對高速工具鋼刀具進(jìn)行涂層時(shí)，會(huì)使刀具退火及變形。所以沉積后的刀具還要進(jìn)行淬火處理。
PVD法
PVD法是利用蒸發(fā)或?yàn)R射等物理形式把材料從靶源移走，然后通過真空或半真空空間使這些攜帶能量的蒸氣離子沉積到基片或零件表面以形成膜層，通過氣相反應(yīng)過程，使蒸發(fā)或?yàn)R射出的金屬原子發(fā)生氣相反應(yīng)，從而在刀具表面沉積出所要求的化合物。PVD涂層能涂氮化鈦、碳氮化鈦、鋁鈦氮化合物，以及各種難熔金屬的碳化物和氮化物。
目前，常用的PvD方法有低壓電子束蒸發(fā)(LVEE)法、陰極電子弧沉積法(CAD)、晶體管高壓電子束蒸發(fā)法( THVEE)、非平衡磁控濺射法(UMS)、離子束協(xié)助沉積法(IAD)和動(dòng)力學(xué)離子束混合法(DIM)。其主要差別在于，沉積材料的汽化方法以及產(chǎn)生等離子體的方法不同，而使得成膜速度和膜層質(zhì)量存在差異。
PVD技術(shù)主要應(yīng)用于整體硬質(zhì)合金刀具和高速工具鋼刀具的表面處理，已普遍應(yīng)用于硬質(zhì)合金鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。
和CVD法比較，PVD法有以下優(yōu)點(diǎn)：
? 涂層溫度(300~500℃C)低于高速工具鋼回火溫度，故不會(huì)損害高速工具鋼刀具的硬度和尺寸精度，涂層后不再需要熱處理。
? 涂層有效厚度只有幾微米，故可保證刀具原有的精度，適于涂覆高精度刀具。
? 涂層的純度高，致密性好，涂層和基體的結(jié)合牢固，涂層性能不受基體材質(zhì)影響。
? 涂層均勻，切削刃和圓弧處無增厚或倒圓現(xiàn)象，故復(fù)雜刀具也能獲得均勻涂層。
? 不會(huì)產(chǎn)生脫碳相，也無CVD法因氯的浸蝕和氫脆變形所引起的涂層易脆裂的情況，涂層刀片強(qiáng)度較高。
? 工作過程干凈，無污染，無公害。
目前，PVD技術(shù)不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，涂層成分也由單一涂層發(fā)展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、 TIAIN、 TiAICN、TiN-AIN、CN等多種多元復(fù)合涂層，且由于納米級涂層的出現(xiàn)，使得PVD涂層刀具質(zhì)量又有了新的突破，這種薄膜涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好,并可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度，在進(jìn)行高精度加工時(shí)，其加工精度毫不遜色于未涂層刀具。
其他涂層方法：等離子體化學(xué)氣相沉積法（PVCD）、離子束輔助沉積技術(shù)（IBAD）、激光強(qiáng)化處理等，不一而足。
涂層特點(diǎn)
? 采用涂層技術(shù)可在不降低刀具強(qiáng)度的條件下，大幅度地提高刀具表面硬度，目前所能達(dá)到的硬度已接近100GPa；
? 隨著涂層技術(shù)的飛速發(fā)展，薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性及高溫抗氧化性更加突出，從而使高速切削加工成為可能；
? 潤滑薄膜具有良好的固相潤滑性能，可有效地改善加工質(zhì)量，也適合于干式切削加工；
? 涂層技術(shù)作為刀具制造的最終工序，對刀具精度幾乎沒有影響，并可進(jìn)行重復(fù)涂層工藝。
03 涂層技術(shù)及刀具涂層知識(shí)
氮碳化鈦(TiCN)：
涂層比氮化鈦(TiN)涂層具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂層的硬度提高了33%，其硬度變化范圍約為Hv3000——4000(取決于制造商）。
CVD金剛石涂層：
表面硬度高達(dá)Hv9000的CVD金剛石涂層在刀具上的應(yīng)用已較為成熟，與PVD涂層刀具相比，CVD金剛石涂層刀具的壽命提高了10—20倍。金剛石涂層刀具的高硬度，使得切削速度可比未涂層的刀具提高2—3倍，使CVD金剛氧化溫度是指涂層開始分解時(shí)的溫度值。氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。
雖然TiAlN涂層的常溫硬度也許低于TiCN涂層，但事實(shí)證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成數(shù)控微信號cncdar一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。
與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成為硬質(zhì)合金刀具的首選涂層，硬質(zhì)合金鉆頭和立銑刀通常采用這種PVDTiAlN涂層石涂層刀具成為有色金屬和非金屬材料切削加工的不錯(cuò)選擇。
刀具表面的硬質(zhì)薄膜對材料有如下要求：
①硬度高、耐磨性能好；②化學(xué)性能穩(wěn)定，不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；③耐熱耐氧化，摩擦系數(shù)低，與基體附著牢固等。單一涂層材料很難全部達(dá)到上述技術(shù)要求。
涂層材料的發(fā)展，已由最初的單一TiN涂層、TiC涂層，經(jīng)歷了 TiC—A12O3一TiN復(fù)合涂層和TiCN、TiAlN等多元復(fù)合涂層的發(fā)展階段，現(xiàn)在最新發(fā)展了TiN／NbN、TiN／CN，等多元復(fù)合薄膜材料，使刀具涂層的性能有了很大提高。
涂層材料選擇標(biāo)準(zhǔn)：
在涂層刀具制造過程中，一般根據(jù)涂層的硬度，耐磨性，高溫抗氧化性，潤滑性以及抗粘結(jié)性等幾個(gè)方面來選擇，其中涂層氧化性是與切削溫度最直接相關(guān)的技術(shù)條件。
氧化溫度是指涂層開始分解時(shí)的溫度值，氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN涂層的常溫硬度也許低于TiCN涂層，但事實(shí)證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。
TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成為硬質(zhì)合金刀具的首選涂層，硬質(zhì)合金鉆頭和立銑刀通常采用這種PVDTiAlN涂層。
從應(yīng)用技術(shù)角度講：除了切削溫度外，切削深度、切削速度和冷卻液都可能對刀具涂層的應(yīng)用效果產(chǎn)生影響。
04常用涂層材料進(jìn)展及超硬涂層技術(shù)
硬質(zhì)涂層材料中，工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的是TiN。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家TiN涂層高速鋼刀具的使用率已占高速鋼刀具的50％一70％，有的不可重磨的復(fù)雜刀具的使用率已超過90％。
由于現(xiàn)代金屬切削對刀具有很高的技術(shù)要求，TiN涂層日益不能適應(yīng)。TiN涂層的耐氧化性較差，使用溫度達(dá)500℃時(shí)，膜層 明顯氧化而被燒蝕，而且它的硬度也滿足不了需要。TiC有較高的顯微硬度，因而該材料的耐磨性能較好。同時(shí)它與基體的附著牢固，在制備多層耐磨涂層時(shí)，常將TiC作為與基體接觸的底層膜，在涂層刀具中它是十分常用的涂層材料。
TiCN和TiAlN的開發(fā)，又使涂層刀具的性能上了一個(gè)臺(tái)階。TiCN可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高涂層的韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴(kuò)散，減少刀具 崩刃。將TiCN設(shè)置為涂層刀具的主耐磨層，可顯著提高刀具的壽命。
TiAlN化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化磨損，加工高合金鋼、不銹鋼、欽合金、鎳合金時(shí)，比 TiN涂層刀具提高壽命3—4倍。在TiAlN涂層中如果有較高的Al濃度，在切削時(shí)涂層表面會(huì)生成一層很薄的非品態(tài)A12O3，形成一層硬 質(zhì)惰性保護(hù)膜，該涂層刀具可更有效地用于高速切削加工。摻氧的氮碳化鈦TiCNO具有很高的顯微硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，可以產(chǎn)生相當(dāng)于TiC十A12O3復(fù)合 涂層的作用。金屬加工微信，內(nèi)容不錯(cuò)，值得關(guān)注。
在上述硬質(zhì)薄膜材料中，顯微硬度HV能夠超過50GPa的有3種：金剛石薄膜、立方氮化硼CBN、氮化碳。
許多沉積金剛石薄膜的溫度要求為600℃一900℃，因此該技術(shù)常用于硬質(zhì)合金刀具表面沉積金剛石薄膜。金剛石硬質(zhì)合金刀具的商品化，是近幾年涂層技術(shù)的重大成就。
CBN在硬度和導(dǎo)熱率方面僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性極好，在大氣中加熱至1000℃也不發(fā)生氧化。CBN對于鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能，與金剛石不宜加工鋼材不同，它可以廣泛用于鋼鐵制品的精加工、研磨等。
CBN涂層除具有優(yōu)良的耐磨損性能外，還可以在相當(dāng)高的切削速度下加工耐熱鋼、鈦合金、淬火鋼，能切削高硬度的冷硬軋輥、摻碳淬火材料和對刀具磨損非常嚴(yán)重的Si—Al合金等。低壓氣相合成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化學(xué)輸運(yùn)PCVD，熱絲輔助加熱PCVD、ECR—CVD等；PVD則有反應(yīng)離子束鍍、活性反應(yīng)蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。CBN的合成技術(shù)，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)方面都還有不少工作要做，包括反應(yīng)機(jī)制和成膜過程、等離子體診斷和質(zhì)譜分析、最佳工藝條件的確定、高效率設(shè)備的開發(fā)等。
氮化碳有可能具有達(dá)到或超過金剛石的硬度。合成氮化碳的成功，是分子工程學(xué)十分杰出的范例。作為超硬材料的氮化碳，預(yù)期還有其它許多寶貴的物理化學(xué)性質(zhì)，研究氯化碳成為世界材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門課題。