塗層刀具有效地解決了刀具材料的硬度和耐磨性愈高而強度和韌性愈低的矛盾。本文就塗層方法、塗層材料、塗前刀具處理以及塗層刀具合理使用等問題作了綜述。
引言
塗層刀具是在強度和韌性較好的硬質合金或高速鋼(HSS)基體表面上，利用氣相沉積方法塗覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物(也可塗覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而獲得的。塗層作為一個化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，從而減少了月牙窪磨損。塗層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦因數小和熱導率低等特性，切削時可比未塗層刀具提高刀具壽命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1級，降低刀具消耗費用20%~50%。因此，塗層刀具已成為現代切削刀具的標誌，在刀具中的使用比例已超過50%。目前，切削加工中使用的各種刀具，包括車刀、鏜刀、鑽頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可採用塗層工藝來提高它們的使用性能。
塗層刀具有四種：塗層高速鋼刀具，塗層硬質合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的塗層刀具。但以前兩種塗層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的塗層是硬度較基體低的材料，目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上)，可減少刀片的崩刃及破損，擴大應用?圍。
a)塗層刀片
b)塗層刀具 圖1塗層刀片及其刀具
塗層方法
目前生產上常用的塗層方法有兩種：物理氣相沉積(PVD)法和化學氣相沉積(CVD)法。前者沉積溫度為500℃，塗層厚度為2~5μm；後者的沉積溫度為900℃~1100℃，塗層厚度可達5~10μm，並且設備簡單，塗層均勻。因PVD法未超過高速鋼本身的回火溫度，故高速鋼刀具一般採用PVD法，硬質合金大多採用CVD法。硬質合金用CVD法塗層時，由於其沉積溫度高，故塗層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層(η相)，導致刀片脆性破裂。近十幾年來，隨著塗覆技術的進步，硬質合金也可採用PVD法。國外還用PVD/CVD相結合的技術，開發了複合的塗層工藝，稱為PCVD法(等離子體化學氣相沉積法)。即利用等離子體來促進化學反應，可把塗覆溫度降至600℃以下(目前塗覆溫度已可降至180℃~200℃)，使硬質合金基體與塗層材料之間不會產生擴散、相變或交換反應，可保持刀片原有的韌性。據報道，這種方法對塗覆金剛石和立方氮化硼(CBN)超硬塗層特別有效。
用CVD法塗層時，切削刃需預先進行鈍化處理(鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm，切削刃強度隨鈍圓半徑增大而提高)，故刃口沒有未塗層刀片鋒利。所以，對精加工產生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應採用PVD法。塗層除可塗覆在普通切削刀片上外，還可塗覆到整體刀具上，目前已發展到塗覆在焊的硬質合金刀具上。據報道，日本三菱公司在焊接式的硬質合金鑽頭上採用了PCVD法，結果使加工鋼料時的鑽頭壽命比高速鋼鑽頭長10倍，效率提高5倍。
表1瑞士PLATIT公司推出的各種新型塗層塗層 顏色 硬度GPa 厚度μm 摩擦係數 最高使用溫度℃ 說明
TiAlN單層 紫黑 35 1-4 0.5 800 通用高性能塗層
TiAlN多層 紫黑 28 1-4 0.6 700 適用斷續切削
TiCN-MP 紅-銅 32 1-4 0.2 400 高韌性通用塗層
MOVIC 綠-灰 - 0.5-1.5 0.15 400 MoS2基塗層
CrN 銀亮 18 1-4 0.3 700 適用加工銅、鈦
TiAlCN 紅-紫 28 1-4 0.25 500 高性能通用塗層
CBC(DLC) 灰 20 0.5-4 0.15 400 潤滑塗層
GRADVIC 灰 28 1.5-6 0.15 400 TiAlCN CBC
AlTiN 黑 38 1-4 0.7 800 屬高性能塗層
μAlTiN 黑 38 1-2 0.3 800 塗層表面質量好
AlTiN/SiN 紫蘭 45 1-4 0.45 1100 納米結構
塗層材料
塗層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、不與工件材料發生化學反應、耐熱耐氧化、摩擦因數低，以及與基體附著牢固等要求。顯然，單一的塗層材料很難滿足上述各項要求。所以硬質塗層材料已由最初只能塗單一的TiC、TiN、Al2O3，進入到開發厚膜、複合和多元塗層的新階段。新開發的TiCN、TiAlN、TiAlCN多元、超薄、超多層塗層與TiC、TiN、Al2O3等塗層的複合，加上新型的抗塑性變形基體，在改善塗層的韌性、塗層與基體的結合強度、提高塗層耐磨性方面有了重大進展。目前，又突破了在硬質合金基體上塗覆金剛石薄膜技術，全面提高了刀具的性能。
工藝最成熟和應用最廣泛的硬質塗層材料是TiN，但TiN與基體結合強度不及TiC塗層，塗層易剝落，且硬度也不如TiC高，在切削溫度較高時膜層易氧化而被燒蝕。TiC塗層有較高的硬度與耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐衝擊。TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優點，它在塗覆過程中可通過連續改變C、N的成份控制TiCN性質，並形成不同成份的多層結構，可降低塗層的內應力，提高韌性，增加塗層的厚度，阻止裂紋的擴展，減少崩刃。所以，目前生產的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推薦用於加工鋼料的GC4000系列刀片、中國株洲硬質合金廠生產的CN系列刀片、日本東芝公司的T715X和T725X塗層刀片中均有TiCN塗層成份。TiCN基塗層適於加工普通鋼、合金鋼、不鏽鋼和耐磨鑄鐵等材料，用它加工工件時的材料切除率可提高2~3倍。
TiAlN、CrC、CrN、TiAlCN是近幾年來開發的硬質塗層新材料。TiAlN塗層刀片已商品化。它的化學穩定性和抗氧化磨損性能好，用其加工高合金鋼、不鏽鋼、鈦合金和鎳合金時的刀具壽命可比TiN塗層高3~4倍。此外，TiAlN塗層中如果有合適的鋁濃度，切削時在刀具前刀面和切屑的界面上還會產生一層硬質的惰性保護膜，該膜有較好的隔熱性，可更有效地用於高速切削。例如，美國Kennametal公司推出的H7刀片，系TiAlN塗層，是專為高速銑削合金鋼、高合金鋼和不鏽鋼等高性能材料而設計的。CrC和CrN是一種無鈦塗層，適於切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料，化學穩定性好，不產生粘屑。TiAlCN是一種梯度結構塗層，不僅具有高的韌性和硬度，而且摩擦因數也較小，適用於銑刀、滾刀、絲錐等多種刀具，切削性能明顯優於TiN。
德國CemeCon公司開發了Supernitride塗層系列，其中超級氮鋁鈦塗層有很高的含鋁量，可形成穩定的氧化層(氧化溫度達1000℃)，它比一般的TiAlN塗層更硬、更緻密、更耐高溫，適用於高速切削、乾式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高達58HRC以上的淬火鋼。
此外，納米超薄膜塗層工藝已日趨成熟。據報道，日本住友電工公司推出了一種高速強力型鑽頭，它是在韌性好的K類(WC
Co)硬質合金基體上交互塗覆了1,000層TiN和AlN超薄膜塗層，塗層厚度約2.5μm。使用表明，該鑽頭的抗彎強度與斷裂韌性可大幅度提高，其硬度則與CBN相當，刀具壽命可提高2倍左右。該公司還開發出ZX
