现代刀具涂层技术的发展动向

作者：张宪 编译    来源：《工具展望》

欢迎访问e展厅 展厅 5 刀具相关产品展厅 刀柄, 刀具管理系统, 成型刀具, 复合刀具, 非标刀具, ... 几乎所有的金属切削加工都通过涂层技术而获益。在基体选择、涂层设计、涂层前和涂层后制备技术等方面的创新已经大大改善了切削刀具的性能，并不断扩展着金属切削加工的极限范围。 对于薄膜耐磨涂层对刀具行业的影响以及为刀具用户带来的效益，无论作多高的评价都不过分。迄今，化学气相沉积（CVD）薄膜耐磨涂层的发明已有近40年历史，物理气相沉积（PVD）薄膜耐磨涂层的问世也有25年，它们为改善各种切削刀具的性能起到了无可替代的关键作用。 本文将回顾过去40年来刀具涂层技术的演变，分析CVD涂层技术、CVD和PVD金刚石薄膜涂层技术、纳米技术对刀具涂层的影响、刀具基体涂层前后的制备和涂层后处理技术的发展状况。 Sandvik Coromant公司的高级车削技术专家Stefan Gyllengahm评价说：“现代涂层能够增强几乎所有刀具材料和切削加工的效能。涂层不仅可以提高刀具的耐磨性，还能保护刀具免受高切削速度引起的切削热影响。” Kennametal公司的全球材料技术主管Mark Greenfield指出，刀具供货商面临的挑战是不断提高刀具的加工效率及可靠性，同时还必须满足各种新型工件材料（如高硬度、高耐磨材料，这些材料对刀具有更大的磨蚀性）的加工需求。例如，用于制造某些汽车零件的高硅铝合金和用于制造医疗零件的高等级不锈钢等都对加工刀具提出了特殊要求。在对各类工件材料的加工中，高效可靠的切削刀具必须是刀具基体、刀具几何结构和刀具表面处理三大要素的协调组合。 首创的CVD涂层技术 Oerlikon Balzers Coating美国公司涂层中心的技术主管Dennis Quinto指出，1960年代晚期问世的CVD涂层使切削刀具发生了巨大变革。到1980年代早期，CVD涂层已经发展到TiC、TiCN和Al2O3复合的多层涂层。“Al2O3一直是用于高速、高温切削加工最重要的涂层，而且其地位至今仍然未被超越。”他说，“沉积温度较低的PVD涂层技术出现于1980年代，由于具有某些明显的优势，因此可以取代具有相同成分的CVD涂层——但Al2O3除外。”传统的CVD工艺沉积温度较高（1000～1100℃），可能会损害热敏感的刀具材料，而PVD工艺的沉积温度仅为180～480℃，这就意味着PVD可应用于比CVD范围更广的基体材料（新的CVD工艺——如MTCVD——也可在较低温度下沉积涂层）。 IonBond LLC公司的刀具业务主管Rick Horsfall补充说，自从PVD涂层于1980年代早期问世后，涂层技术就与机床技术基本保持同步发展。例如，当机床制造商开发出速度更快、刚性更高的新型机床，刀具制造商就必须相应推出能够承受更高切削速度和温度的涂层刀具。他说，“现代刀具涂层技术使市场上最新式的机床能够以更快的速度进行加工，许多情况下是在干式切削条件下加工。”由于新型涂层的硬度比刀具基体材料硬度高出3～4倍，能为刀具提供优异的耐磨性，而较低的摩擦系数能为刀具提供自润滑作用和降低切削热，良好的化学惰性能为刀具提供保护屏障，因此这些涂层尤其适合干式切削或准干式切削。 Niagara Cutter公司是较早使用涂层技术的刀具制造商，早在1982年就开始在高速钢刀具上沉积PVD涂层。公司总裁Sherwood Bollier说：“PVD涂层为提高高速钢刀具的性能发挥了重要作用，但它们对于硬质合金刀具来说更是必不可少，因为硬质合金刀具比高速钢刀具价格更贵，使用率也更高。” CVD涂层技术的新进展 Balzers美国公司的Quinto介绍说，虽然并未引起太多注意，但CVD涂层近年来已经取得了重要的技术进展，包括： （1）利用中温CVD（MTCVD）技术，可在硬质合金刀片上沉积厚度达20μm的TiCN和Al2O3多层厚涂层，用于高磨蚀性工件的高速切削。此类涂层的厚度几乎是传统CVD涂层厚度的2倍，从而提供了更好的耐磨性和更长的刀具寿命。 （2）通过对CVD Al3O2成核过程更精确的控制，可使涂层获得所希望的α或κ晶相。这样做的理由是因为在CVD所能沉积的几种Al3O2晶相中，α-Al3O2最稳定，其耐高温性和耐磨性也最好。 Valenite LLC公司的产品开发经理Brian Hoefler说，工艺扩展改善了CVD涂层的质量。“如今，基于PC的沉积炉控制技术使刀具涂层工艺获益非浅。刀具制造商通过对涂层温度和气氛分配的精确控制，可以获得精确的涂层厚度、均匀一致的附着强度以及各种鲜艳的颜色。各生产批次之间涂层厚度的差异与10年前相比平均减小了约50％。” 此外，Greenfield介绍说，Kennametal公司推出的刀片牌号采用了抗变形能力和韧性更好的基体，它与具有高耐磨性氧化层的新型CVD涂层相结合，能够使加工效率更高、刀具寿命更长、停机辅助时间更短。 Seco-Carboloy公司的车削产品经理Don Graham说，有许多方法可以改善CVD涂层产品的性能。“涂层反应炉中化学成分的精确调整、各层涂层的结构控制、涂层刀片顶部和底部的磨削以及涂层后刀片切削刃的光滑精磨等工艺措施都能有效提高涂层的质量和寿命。” 甚至像涂层颜色这种表面看来似乎无关紧要的因素也可以对刀具性能的改善起到重要作用。Valenite公司的Hoefler指出，使用彩色刀片已成为刀具市场的一种趋势，涂层颜色也可以增加刀具的使用价值。他说，“我们根据用户对高效刀具的反馈意见，推出了专门为汽车制造行业开发的黑灰双色涂层牌号。后刀面的灰色涂层可使操作者在汽车制造厂常见的照明不足的工作环境下看清用过的切削刃。前刀面的黑色涂层具有超光滑表面，可减少刀片因粘结磨损而失效的情况。” CVD金刚石涂层研究成果 经过高校和企业的多年研究，用CVD工艺生产金刚石薄膜涂层在1994年成为现实。在当年的IMTS展会上，几家主要刀具制造商在新产品发布会上宣布了这一激动人心的消息。从那时起，这种涂层技术在产品质量和经济性上都取得了巨大进步。 近年来，金刚石薄膜涂层还获得了一些重要发展。Diamond Tool Coating公司总裁Roger Bollier说，“虽然我们所用的涂层材料仍然是具备了天然金刚石所有特性的100％人造聚晶金刚石，但我们的涂层产品已从2001年最初生产的单层PCD涂层发展到如今生产的多层纳米晶粒金刚石涂层。”多层纳米晶粒金刚石增强了涂层的断裂韧性，亚微米晶粒的细颗粒结构使刀具切削刃表面更光滑，加工出的工件表面光洁度更好，Bollier说。“由于多层结构金刚石涂层的每一层都可起到屏障作用，阻止裂纹在涂层中进一步扩散，因此其抗裂性更好，使涂层具有更高的强度，并有助于改善涂层在切削刃上的保持性，因为在切削难加工材料或进行断续切削时，切削刃需要承受剧烈的机械冲击。” PVD涂层技术的发展 PVD涂层于25年前问世后就成功取代了某些CVD涂层。由于PVD工艺温度较低，因此能应用于高速钢等热敏感刀具材料。PVD工艺还扩大了可涂层刀具的范围。如今，PVD和CVD涂层工艺具有很好的互补性，各自都有其重点刀具涂层应用领域。人们还常常采用CVD/PVD复合涂层工艺，用CVD工艺沉积底层涂层（可以是多层），而用PVD工艺沉积更光滑、更细致的顶层涂层（也可以是多层）。 近年来，PVD涂层的开发热点主要集中在新的结构成分、纳米结构涂层和PVD Al2O3涂层。Balzers公司的Quinto说，用PVD工艺生产的AlTiN涂层被誉为是仅次于Al2O3的“第二种最佳涂层”。但直至不久以前，Al2O3涂层的商业化规模生产一直只能通过CVD工艺来实现。制备这种不导电的氧化铝涂层对于PVD工艺是一种挑战，因为事实证明要用PVD工艺沉积出正确的涂层结构相当困难。 IonBond公司的Horsfall指出，含有硅等材料以及采用新的纳米材料制备技术的PVD涂层刀具性能优异，能胜任新型高性能机床的高速切削（包括干式或准干式切削）。 虽然多年来不断推出了各种PVD涂层与传统的CVD涂层相互竞争，但由于存在上述沉积工艺难题，PVD Al2O3涂层始终是一个例外。直到不久前，德国Walter AG公司才在2005汉诺威EMO展览会上展出了用于加工高硬度、高磨蚀性工件材料的PVD Al2O3涂层硬质合金刀片。 新型纳米结构涂层 关于纳米技术产品（其材料尺度在100nm以下）有着各种各样的说法，其中既有理性的讨论，也不乏欺骗性的宣传。其实，许多CVD和PVD薄膜涂层已经达到了“纳米”水平，因为它们的厚度在1～10μm之间。但是，分辨率更高的新型仪器设备使人们可以对尺寸更微小的纳米级晶粒进行更好的测量和控制。 采用纳米涂层技术的关键因素在于产品的性能，而不在于产品的尺度。因此，不应将纳米涂层技术仅仅看作是一个尺寸范围，更重要的是寻找可使涂层特性发生突变的临界点，这种特性变化可以显著改善涂层性能，例如能消除会成为刀具涂层失效机理的内在缺陷，而这些失效机理会导致涂层开裂和刀具应力。 例如，Kennametal公司开发了一种具有“纳米晶粒”的PVD TiAlN涂层刀片，据说该刀片能承受更高的切削速度，增强了耐磨性，而且具有更大的涂层附着力。 Balzers公司的Quinto说：“纳米复合涂层中的纳米层极薄，只有用高分辨力的电子显微镜才能成像观察。刀具以较高的转速旋转，不断进出于安装在沉积室壁的涂层靶源的可达沉积区，就形成了平行于刀具基体表面的纳米层。所以单层纳米层的厚度减小到10～20nm，代替了约200nm厚的多层涂层。” 材料科学家一直将PVD视为原子水平的沉积工艺，它是采用一个原子接一个原子的沉积方式，将无数等离子气相离子转化为固体涂层。PVD涂层本身就具有纳米结构，它决定了PVD涂层的各种特性（如纳米硬度、残余应力、微断裂韧性、涂层黏附强度等）必须按准原子级现象来进行理论分析、研究和阐释。PVD纳米涂层刀具的用户可以重温一下这些理论，以便更好地理解这种薄涂层在加工中有时显得不可思议的优异性能。 基体和涂层制备技术 在涂层化学和涂层技术成为研究开发热点的同时，改善涂层刀具性能的另一个关键因素是涂层前和涂层后的基体制备技术。 Niagara Cutter公司的Bollier称，“刀具制造商普遍都十分关注刀具设计的完整性，包括刀具基体、几何形状和涂层的设计。”但是，涂层技术中又包含了许多不同的选项，包括清洗技术（涂层黏附力）、表面制备（切削刃的制备/钝化）、涂层特性（化学合成、涂层各层结构和涂层厚度）和涂层后的抛光处理。“提高刀具性能和改善工件表面质量的机遇直接来自于这些新的精巧技术。” Valenite公司的Hoefler补充道，“或许可以说，最近十年来涂层技术进步最大的领域并非是应用工艺，而是对涂层刀片的后处理技术，在某些情况下，它能使刀片加工性能提高2倍。”Hoefler解释说，一些刀具制造商已开发出针对局部涂层特性的专有处理技术。例如，涂层表面平滑技术可以减少因软材料黏附到刀具上引起的粘结失效（通常称为积屑瘤）和增加涂层强度。通过增大涂层的压缩强度（类似于喷丸处理的效果），可以抵消切削金属时产生的拉伸载荷，从而延长刀具寿命。 另一种涂层前处理技术——切削刃精细化技术能改善涂层的均匀性和刀具切削刃的机械性能。通过对切削刃进行涂层前的预处理，可以获得具有所需几何形状的高质量平滑切削刃。例如，涂前预处理可将难以涂层的死角处理为较易涂层的圆弧拐角。由于大部分刀片失效都始于切削刃，因此通过对切削刃进行有针对性的专门处理以防止刀片失效，能有效提高生产效率。 Sandvik Coromant公司开发了一种涂层刀片后处理专利技术，这种涂层刀片被称为“新一代刀片”。该工艺包括对切削刃进行轻微抛光，更重要的是可以减小涂层中的残余应力。该公司称，通过提高涂层强度、降低产生粘结和积屑瘤（BUE）的倾向，改善了刀具的切削性能。 Seco-Carboloy公司采用了不同的方法来改进涂层性能。Graham说，“在刀具行业，许多公司都按某种标准对刀片切削刃进行抛光，我们公司也采用这种措施，其作用之一是去除涂层中的微小缺陷。当然，抛光处理还能改善涂层的平滑性，减小残余应力和与切屑的摩擦。但是，如果能从源头上消除涂层缺陷岂不是更好？”为此，Seco-Carboloy公司将注意力集中在改善多层涂层体系中各层涂层的结构完整性上。与单层涂层不同，坚固的多层涂层能阻断切削过程中刀具所受的热应力和机械应力影响。 为了满足终端用户的需求，正在不断开发出新的工件材料、刀具基体和刀具设计方案。不断变化的工件材料、不断提高的工件精度以及为超高速加工而购置的新型加工机床都将影响刀具涂层技术的发展方向。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (9/11/2007)