刀具涂层及如何正确选择刀具涂层

TiN、TiC、TiCN和TiAlN等刀具涂层及如何选择刀具涂层TiN 氮化钛TiAlN 氮化铝钛氮铝钛涂层氮铝化钛TiCN 氮碳化钛TiAlCN 氰化铝钛Ti2N 氮化二钛CrN, 氮化铬ZrN, 氮化锆AlTiN 氮化钛铝氮钛铝涂层金刚公司推出的各种新型涂层涂层颜色硬度HV 厚度μm 摩擦系数最高使用温度℃说明ZrCN复合兰灰 2500 1-4 550 通用性强TiN单层金黄 2300 1-4 500 高性价比涂层TiAlN复合紫色 3200 1-4 800 通用性强AlTiN复合黑 3400 1-4 900 高速、高硬度加工TiAlCrN 亚黑 3500 1-4 1000 特殊加工领域TiCN渐层灰黑 3000 1-4 400 高韧性通用涂层CrN渐层银亮 2000 3-15 700 适用加工铜、钛、模具DLC 黑彩 1000~4000 400 适用于有色金属、石墨、塑胶涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。

涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。

涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。

因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。

目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。

涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。

但以前两种涂层刀具使用最多。

在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。

涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。

前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5μm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10μm，并且设备简单，涂层均匀。

因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。

硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。

近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。

国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。

即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至180℃~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。

据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。

用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为~0.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。

所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。

涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。

据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。

涂层材料涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。

显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。

所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。

新开发的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。

目前，又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。

工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是TiN，但TiN与基体结合强度不及TiC涂层，涂层易剥落，且硬度也不如TiC高，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。

TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。

TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点，它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性质，并形成不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩刃。

所以，目前生产的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推荐用于加工钢料的GC4000系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的CN系列刀片、日本东芝公司的T715X和T725X涂层刀片中均有TiCN涂层成份。

TiCN基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可提高2~3倍。

TiAlN、CrN、TiAlCrN是近几年来开发的硬质涂层新材料。

TiAlN涂层刀片已商品化。

它的化学稳定性和抗氧化磨损性能好，用其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和镍合金时的刀具寿命可比TiN涂层高3~4倍。

此外，TiAlN涂层中如果有合适的铝浓度，切削时在刀具前刀面和切屑的界面上还会产生一层硬质的惰性保护膜，该膜有较好的隔热性，可更有效地用于高速切削。

例如，美国Kennametal公司推出的H7刀片，系TiAlN涂层，是专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而设计的。

CrN是一种无钛涂层，适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其它软材料，化学稳定性好，不产生粘屑。

TiAlCrN是一种梯度结构涂层，不仅具有高的韧性和硬度，而且摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优于TiN。

德国某公司开发了Supernitride涂层系列，其中超级氮化钛涂层有很高的含铝量，可形成稳定的氧化层(氧化温度达1000℃)，它比一般的TiAlN涂层更硬、更致密、更耐高温，适用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高达58HRC以上的淬火钢。

此外，纳米超薄膜涂层工艺已日趋成熟。

据报道，日本某公司推出了一种高速强力型钻头，它是在韧性好的K类(WC+Co)硬质合金基体上交互涂覆了1,000层TiN和AlN超薄膜涂层，涂层厚度约μm。

使用表明，该钻头的抗弯强度与断裂韧性可大幅度提高，其硬度则与CBN相当，刀具寿命可提高2倍左右。

该公司还开发出ZX涂层立铣刀，超薄膜镀层数达2,000层，每层厚度约1nm，用该立铣刀加工60HRC的高硬度材料，刀具寿命远高于TiCN 和TiAlN涂层刀具。

第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，瑞士某公司推出的纳米结构涂层(AITiN/SiN) 立铣刀，其涂层硬度为45GPa，氧化温度1100℃，切削对比试验表明，其寿命比TiN涂层立铣刀高3倍，比TiAlCN涂层立铣刀高2倍。

除上述AITiN/SiN、TiAlCN 新涂层外，还有特定功能的涂层，如MoS2、DLC润滑涂层，其摩擦因数小，适于涂覆丝锥、钻头等刀具，可改善排屑性能，或者作为复合涂层的表面涂层，减少切屑的粘结。

如何正确选择刀具涂层对小型圆形刀具进行正确的表面处理可以提高刀具寿命，减少加工循环时间，提升加工表面质量。

但是，根据加工需要正确选择刀具涂层有可能是一件令人困惑和费劲的工作。

每一种涂层在切削加工中都既有优势又有缺点，如果选用了不恰当的涂层，有可能导致刀具寿命低于未涂层刀具，有时甚至会引出比涂层以前更多的问题。

目前已有许多种刀具涂层可供选择，包括PVD涂层、CVD涂层以及交替涂覆PVD和CVD 的复合涂层等，从刀具制造商或涂层供应商那里可以很容易地获得这些涂层。

本文将介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的PVD、CVD涂层选择方案。

在确定选用何种涂层对于切削加工最为有益时，涂层的每一种特性都起着十分重要的作用。

一涂层的特性1.硬度涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。

一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。

氮碳化钛(TiCN)涂层比氮化钛(TiN)涂层具有更高的硬度。

由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000～4000(取决于制造商)。

表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD金刚石涂层刀具的寿命提高了10～20倍。

金刚石涂层的高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2～3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。

2.耐磨性耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。

虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。

3.表面润滑性高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。

而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。

细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。

与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。

4.氧化温度氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。

氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。

虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。

TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量图1 TiAlN涂层硬质合金立铣刀从刀具传入工件或切屑。

与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首选涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种 PVD TiAlN涂层(见图1)。

5.抗粘结性涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避免工件材料沉积在刀具上。

在加工非铁族金属(如铝、黄铜等)时，刀具上经常会产生积屑瘤(BUE)，从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。

一旦被加工材料开始粘附在刀具上，粘附就会不断扩大。

例如，用成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加，以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。

具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起到很好的作用。

二常用的涂层1.氮化钛涂层(TiN)TiN是一种通用型PVD涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。