浅谈涂层刀具的应用现状和发展前景

浅谈涂层刀具的应用现状和发展前景摘要：随着新材料的出现，切削速度的提高，对刀具的要求是高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。

涂层刀具的出现，使难加工材料以及新材料切削性能有了重大突破。

本文从涂层刀具的概念入手，通过分析涂层刀具的发展历史和在金属切削加工中涂层刀具与普通刀具的性价对比来阐述涂层刀具的应用以及目前存在的问题，预测今后的发展前景。

关键词：涂层刀具切削加工应用Abstract:With the emergence of new material, the increase of cutting speed on tool requirements, high cutting speed, high feed rate, high reliability, long life, high precision and good cutting control. Coated cutting tools appear, make hard processing materials and new materials cutting performance has been a major breakthrough. In this paper, through the analysis of coating tools, with its historical development in metal cutting processing, and general tool of price comparison on coated cutting tool application and present problems, forecast the development foreground henceforthKey Words：Coated cutting tool Cuttingp rocessing Application引言对于机械行业来说，世界上目前发展的重要项目有:高速精密切削加工，少、无冷却润滑液的切削或干切削，高硬状态下切削加工。

所有这些，以及现代新材料的出现，都对切削工具的技术要求越来越高。

新形势下对切削加工还提出了特殊要求，如加工硬度50HRC 以上的硬加工、微润滑和无润滑的干切削不断涌现，使切削加工中的个性化特点日见显现。

面对这些变化，若要求在刀具的设计和制造工艺或刀具材料的整体性能上来适应这些要求，技术上的难度是很大的，尤其对刀具材料而言，不仅在资源利用上极不经济，而且要求材料满足日趋复杂的综合切削性能，通常难以做到。

而被加工材料的能级不断提高，如高强和超高强度材料、高韧性、难切削等材料层出不穷。

采用而涂层刀具是解决上述问题的最佳方案之一，涂层刀具对改善的刀具性能起着非常重要的作用。

经涂层的刀具大大提高了加工效率、加工精度、延长了刀具寿命、降低了加工成本，由此可以说，现代制造业的发展推动了刀具业的发展。

1.涂层刀具的概述1.1涂层刀具的定义涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢基体表面上，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，涂层刀具的构成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。

1.2涂层刀具的性能[4]给刀具表面涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层，涂层通过延缓各种磨损过程(前刀面磨损、月牙洼磨损、缺口磨损、粘结磨损等)，超硬涂层延长了硬质合金刀具的使用寿命，提高了被加工零件的表面质量，通过高速、高进给加工显著提高了切削生产率。

随着涂层技术的发展，越来越多的企业选择涂层刀具，使得涂层刀具成为了现代切削刀具的标志，在刀具的使用比例中已超过50%，下面就让我们分析一下涂层刀具的主要性能。

1.2.1刀具使用寿命延长在相同的切削条件下，涂层刀具的使用寿命比未涂层刀具提高 3～5倍。

在相同的切削条件下，相同刀具寿命时，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具提高20％～30％。

例如：涂TiCN高速钢钻头在高强度钢上钻孔，与未涂层钻头相比，涂层钻头的使用寿命提高 7-9倍。

1.2.2刀具的切削抗力减少在相同的切削条件下，涂层刀具的切削力小于未涂层者。

如：涂覆TiC硬质合金刀具车削钢材与未涂层刀具对比，主切削力Fc可减小3％～4％，涂覆TiN或 TiCN复合涂层刀具的主切削力Fc约可减小6％，进给力F f与切深力 Fp的减小尤为显著。

1.2.3加工范围广，表面质量高许多涂层刀具在加工中具有自润滑性和刀具前刀面的抗粘结性。

如TiCN涂层刀具在加工中具有表面自润滑性，高速切削时表面质量较好。

而CrN涂层刀具具有良好的抗粘结性，不易产生积屑瘤加工性能大大改善。

金刚石涂层刀具，则可加工非铁金属材料，如石墨、金属基复合材料、高硅铝合金及其它高磨蚀材料等，均能获得较好表面质量。

1.3涂层刀具的优势1.3.1高耐磨性和红硬性由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温。

一般未涂层高速钢的硬度仅为62—68HRC，而涂层TiN单层材料后的表面硬度可达2300HV，红硬性更是达到500。

与未涂层的刀具相比，涂层刀具适合于较高的切削速度，从而提高了加工效率，或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。

[3]1.3.2摩擦系数低由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，例如TiN单层涂层摩擦系数为0.04，TiAlN摩擦系数为0.05等等，故涂层刀具的切削力小于未涂层刀具，加工的表面质量较高。

1.3.3涂层刀具具有良好的环保性从环境保护的角度来看，迫切需要干加工技术的快速发展。

涂层刀具由于具有良好的红硬性。

抗氧化性及比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，成为干切削加工中最好的涂层刀具。

1.3.4涂层刀具具有良好的通用性涂层刀具具有良好的综合切削性能，故具有较好的通用性，一种涂层刀具具有较宽的使用范围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。

[3]2.涂层刀具在机械加工中的应用实例2.1涂层刀具在钻削攻丝中的应用[4]图1为涂层高速钢丝锥加工一定数量后的磨耗示意图，图2.2为未涂层高速钢丝锥加工同一数量工件后的磨耗示意图。

图2.1显示，丝锥的TiN涂层开始出现剥落迹象，而高速钢基体牙型仍完整。

图2.2显示，丝锥前刀面已经出现磨损点，边缘处已经磨圆，丝锥磨耗较大，牙型已不完整，需要重新研磨，而图2.3显示为涂层高速钢丝锥用更大数量工件后的磨耗示意图。

图2.3显示丝锥TiN涂层出现部分剥落，但高速钢基体牙型较完整，齿阔仍为圆形，可继续使用。

图2.1涂层刀具图2.2没有涂层刀具图2.3有TiN涂层2.2涂层刀具在车削中的应用[5]从图2.4中可以看出硬质合金刀具在低速切削加工钛合金时，刀具的前、后刀面磨损形貌都是正常的弧形磨损。

而从图2.4(b)中可以看出硬质合金刀具在高速切削加工钛合金时，刀具的后刀面发生严重的塑性变形，甚至在靠近刀尖处也出现塑性变形。

这是由于在高速切削加工钛合金时，切削温度非常高，高的切削温度使得刀具的切削性能下降，刀具材料发生软化现象，在剧烈的摩擦和压力作用下，刀尖处发生塑性变形，从而使刀具失效。

从图2.5中可以看出硬质合金涂层刀具在低速切削加工钛合金时，刀尖部位出现一大块的积屑瘤，这可能是由于刀具的涂层中含有Ti和Al元素，使得刀具涂层和钛合金工件有更强的亲和性，更容易发生积屑瘤。

积屑瘤出现的初期，可以代替刀尖进行切削，从而起到保护刀尖的作用，但随着切屑不断的快速流出，积屑瘤不断受到冲击，当积屑瘤脱落时，其对刀具的破坏影响要大于粘结的小块切屑脱落时对刀具的破坏，同时还会造成切削系统的振动，影响加工表面质量。

2.4硬质合金刀具在不同切削状态下的切削性能。

2.5硬质合金涂层刀具在不同切削状态下的切削性能。

所以由此可以知道使用硬质合金刀具和硬质合金涂层刀具进行车削加工时，涂层刀具的使用寿命要大于硬质合金刀具的刀具寿命，当提高切削速度时，涂层刀具和硬质合金刀具的切削性能相差很小。

在高速切削加工时，硬质合金刀具的后刀面会发生严重塑性变形，而涂层刀具则没有这般明显。

3.目前涂层刀具主要存在的问题3.1涂层技术现状刀具涂层技术迅速发展，涂层刀具得到了广泛应用。

1969年德国克虏伯公司和瑞典山特维克公司研发成功了化学气相沉积（即CVD）涂层技术，并向市场推出了CVDTiC涂层硬质合金刀片产品。

20世纪70年代初，美国本夏和拉格胡南研发了物理气相沉积（PVD）工艺，并于1981年将PVDTiN高速钢刀具产品推向市场。

当时CVD涂层工艺温度约 1000℃，主要用于硬质合金刀具的表面涂层；PVD涂层工艺温度为500℃和500℃以下，主要用于高速钢刀具的表面涂层。

后来，CVD和 PVD涂层技术不断迅速发展，在涂层材料、涂层设备和工艺等方面都有了很大进步，而且发展了多层材料的涂覆技术，使涂层刀具（刀片）的使用性能有了很大的提高。

PVD涂层技术过去主要用于高速钢刀具，而近年来随着PVD涂层技术飞跃发展，也成功用于硬质合金刀具（刀片），占领了硬质合金涂层刀具（刀片）的一半阵地。

现在，涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具（刀片）广泛应用，已占全部刀具使用总量的50%以上3.2涂层刀具应用局限性就目前而言，涂层刀具主要存在四种问题：3.2.1涂层容易剥落刀具寿命与膜厚有一定的关系，随膜厚增加刀具寿命也会增加，但膜层太厚时易引起剥离。

加上目前我国涂层工艺尚不成熟，以现有涂层工艺进行涂层后，因基体材料涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层基体之间界面结合强度低，涂层易剥落。

3.2.2涂层质量不稳定目前TiA1N涂层在成分、薄膜结构、致密性、结合强度以及均匀性等方面尚不成熟，由于涂层的不均匀性，影响了刀具整体的寿命和综合切削加工性能。

3.2.3涂层刀具的不可重磨性涂层刀具在切削加工中，当涂层被磨穿时，刀具的损坏会急剧下降。

由于涂层刀具的不可重磨性，无法保证连续切削中加工精度要求。

3.2.4涂层刀具价格昂贵由于我国机械行业起步较晚，技术还距机械发达国家一截，涂层设备多数依赖进口，但由于涂层设备复杂、昂贵，涂层刀具工艺要求高、涂层时间长、这就致使刀具成本上升。

3.3我国涂层技术现状[7]与国外相比，我国刀具PVD涂层技术对硬质合金刀具TiCN涂层的研究已取得突破，但国内市场的涂层产品仍以TiN涂层为主。

分析其原因，我们可以发现，在早期PVD技术和装备在我国刀具生产骨干企业中在相当长一段时间内已可满足这些企业的生产要求，因此对国产PVD技术和设备的需求不太强烈，这在一定程度上影响了国产PVD设备在刀具制造领域的应用与发展。