近10年來，涂層技術(shù)在切削刀具上的應(yīng)用得到了快速普及，涂層刀具已成為切削加工不可缺少的主流刀具。與此同時(shí)，隨著切削加工向高速切削、強(qiáng)力切削和干式切削的迅速發(fā)展，對涂層刀具的性能提出了更高要求。本文就刀具涂層技術(shù)的現(xiàn)狀、開發(fā)動向以及日本JFE精密株式會社開發(fā)涂層新技術(shù)的情況作一簡介。

       1切削刀具涂層技術(shù)的現(xiàn)狀

       (1)切削刀具涂層技術(shù)的種類

       用于切削刀具的涂層技術(shù)主要分為PVD(物理涂層)和CVD(化學(xué)涂層)兩大類。PVD又分為真空涂覆、陰極真空噴鍍和離子鍍。涂層技術(shù)用于切削刀具時(shí)，CVD工藝的處理溫度接近1000℃，對于具有鋒利刀尖的切削刀具，這種高溫會降低刀具基體硬度，容易引起變形和破損；真空涂覆和陰極真空噴鍍工藝存在的主要問題是涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低；離子鍍能以較低的處理溫度獲得結(jié)合強(qiáng)度較高的涂層，非常適合用于切削刀具。

       (2)離子鍍設(shè)備及其特長

       離子鍍是一種在真空中使金屬原料蒸發(fā)，并在等離子中離子化，使其轟擊在加上負(fù)偏壓的制品上而形成涂層薄膜的涂層技術(shù)。過去已開發(fā)了多種離子鍍設(shè)備，目前在工業(yè)上廣泛使用的主要有HCD(熱陰極)式和AIP(單弧/多弧離子鍍)式。這兩種設(shè)備的差異主要是蒸發(fā)源的構(gòu)成不同。由于AIP式離子鍍具有容易獲得使用多種金屬的多元素涂層和多涂層以及涂層結(jié)合強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，近年來已成為主流設(shè)備。AIP式的缺點(diǎn)是離子鍍層中有來自蒸發(fā)源的熔融粒子，這種粒子的存在使鍍層表面粗糙度變差，若產(chǎn)生脫落就會變成鍍層缺陷，成為發(fā)生腐蝕和磨損的起始點(diǎn)。為了減少這種鍍層缺陷，改進(jìn)了蒸發(fā)源的磁場控制，采用精密陰極，大幅減小了熔融粒子的大小及數(shù)量，對延長刀具壽命具有良好效果，這種設(shè)備目前已實(shí)現(xiàn)商品化。

       (3)一般AIP涂層的種類和特長

       由于工件材質(zhì)和切削條件不同時(shí)，涂層的壽命變化很大，因此應(yīng)根據(jù)切削加工條件和要求選擇適用的涂層材料，以獲得最佳質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。例如，當(dāng)主要要求切削刀具具有優(yōu)良的耐磨性時(shí)，大多選擇TiN、TiCN、TiAlN涂層材料。近年來，涂層硬質(zhì)合金刀具采用TiAlN涂層材料的情況顯著增加；在銅、鋁等非鐵系金屬的切削加工中，涂層刀具也有使用抗粘刀性良好的CrN涂層材料的例子；在沖壓模具方面，主要使用TiCrN涂層材料；注塑模具使用最多的涂層材料是TiN，但近年來，使用抗腐蝕性能和抗樹脂粘著性能優(yōu)良的CrN涂層材料的比例也在不斷增多。目前，從保護(hù)環(huán)境的目的出發(fā)，用戶已有停止使用鍍鉻技術(shù)，用CrN涂層材料取而代之的動向。TiN和ZrN涂層的色調(diào)為金色，十分美觀，多用于裝飾涂層。

       2切削刀具用AIP涂層的開發(fā)動向

       (1)涂層開發(fā)的歷程

       涂層用于切削刀具始于TiN涂層，目前許多通用產(chǎn)品也廣泛使用涂層技術(shù)。由于強(qiáng)力切削要求使用比TiN硬度更高、耐磨性更優(yōu)良的涂層刀具，因而開發(fā)了TiCN和TiAlN涂層材料。由于這些涂層性能優(yōu)良，其市場迅速擴(kuò)大。TiAlN涂層抗氧化性能好，適合高硬度材料的切削加工；TiCN涂層抗氧化性稍差，但摩擦阻力小，抗粘刀性能優(yōu)良，適合較低硬度材料的切削加工。這兩種涂層有以HRC40左右為界分開使用的趨勢。近年來，熱處理工件、高硬度材料、難加工材料采用切削(甚至干式切削)方式進(jìn)行加工的要求不斷高漲，此外，采用一種涂層材料刀具能切削加工從低硬度到高硬度材料的要求也十分強(qiáng)烈。為了滿足這些要求，正在探索開發(fā)比TiCN、TiAlN級別更高，耐磨性、抗氧化性、抗粘刀性更優(yōu)異的涂層，可以說已進(jìn)入了涂層開發(fā)的新時(shí)代。日本JFE精密株式會社開發(fā)了耐磨性和抗粘刀性能優(yōu)良的SX-2、涂層硬度和抗氧化性能較TiAlN涂層大幅提高的硬質(zhì)合金刀具用SX-W、高速鋼刀具用SX-H等SX系列涂層刀具，并正在實(shí)現(xiàn)商品化。

       (2)涂層的開發(fā)動向

       如前所述，TiAlN在高硬度材料的切削加工中得到迅速普及。由于在TiN中添加了Al，使涂層硬度和抗氧化性得以提高。涂層硬度的提高是由于添加的Al沒有破壞TiN的立方晶體構(gòu)造，并在晶界中固熔入Al的結(jié)果。近年來，人們對添加第3種微量元素，繼續(xù)維持結(jié)晶構(gòu)造，進(jìn)一步提高Al的成分比例進(jìn)行了試驗(yàn)探索。抗氧化性能的提高是由于Al在涂層表面首先被氧化，形成穩(wěn)定的氧化物(Al2O3)，發(fā)揮了保護(hù)層作用的結(jié)果。這樣，通過在結(jié)晶中固熔入多種元素，在獲得高硬度涂層的同時(shí)，一部分元素在涂層表面發(fā)揮功能性作用，從而有可能獲得優(yōu)良特性。因此，在涂層開發(fā)上蘊(yùn)藏著許多可發(fā)掘的潛能。

       3新一代AIP涂層SX系列

       (1)新涂層的基本設(shè)計(jì)思想

       涂層的耐磨性是在室溫下測得的物理特性，只反映了室溫條件下的耐磨特性。但在實(shí)際使用涂層刀具時(shí)，由于在切削高溫條件下涂層將被軟化和氧化，其特性必然發(fā)生變化。表3為一些代表性涂層在室溫和高溫時(shí)的特性。室溫硬度很高的TiC、TiCN在高溫時(shí)其硬度都會降低。涂層的高溫硬度與其化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性有著強(qiáng)烈的依存關(guān)系，這樣生成的氧化物自身的性能也會影響涂層的耐磨性。AlCrN涂層的耐磨性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著溫度的升高，涂層磨損深度加大。但是，CrN涂層在700℃的磨損深度比500℃的磨損深度小得多，這是由于在摩擦表面上生成的Cr氧化物提高了耐磨性的結(jié)果。在為高硬度材料切削、干式切削等高溫條件下使用的涂層刀具設(shè)計(jì)涂層時(shí)，在注重結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，必須考慮涂層的高溫特性，特別是生成的氧化物提高抗氧化性能的作用。

       (2)SX系列涂層的特性

       日本JFE精密株式會社開發(fā)了硬質(zhì)合金刀具用SX-W涂層。與TiAlN相比，這種涂層材料的硬度和抗氧化性能都有大幅提高。將該涂層涂覆在硬質(zhì)合金立銑刀上，銑削高硬度材料(SKD11)時(shí)，后刀面磨損寬度為TiAlN涂層立銑刀的1/3，刀具性能大幅度提高；銑削低硬度材料(50碳鋼)時(shí)，后刀面磨損寬度為TiAlN涂層立銑刀的1/2。由此可見，SX系列涂層材料的適用范圍十分廣泛。

       “SX試制品”是以前開發(fā)的一種產(chǎn)品，常溫下的涂層特性與SX-W涂層幾乎相同，但在銑削高硬度和低硬度材料時(shí)的切削性能并不優(yōu)于TiAlN涂層。由此可見，常溫下的涂層特性與切削性能不成簡單的正比關(guān)系。切削刀具要求綜合平衡的涂層特性。在切削高硬度材料時(shí)，抗氧化性能是重要的特性之一；而在切削低硬度材料時(shí)，抗氧化性能的影響減小，抗粘刀性能的影響則增大。此外，涂層的硬度與韌性、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度之間的平衡匹配也非常重要。在高水平上實(shí)現(xiàn)所有這些要素的方法是進(jìn)行涂層多元化、多層化的研究開發(fā)，SX-W和SX-H就是實(shí)現(xiàn)了多元化、多層化的新一代涂層。從被切削加工材料的難加工化、降低切削加工成本和保護(hù)環(huán)境來考慮，涂層對于切削加工的重要性日益突出，以SX-W為代表的新一代涂層材料將不負(fù)眾望，發(fā)揮重要的作用。