TiN是一種通用型PVD涂層，可以進(jìn)步刀具硬度并具有較高的氧化溫度。

該涂層用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得很不錯的加工效果。

（2）氮碳化鈦涂層（TiCN）

TiCN涂層中添加的碳元素可進(jìn)步刀具硬度并獲得更好的表面潤滑性，是高速鋼刀具的理想涂層。

（3）氮鋁鈦或氮鈦鋁涂層（TiAlN/AlTiN）

TiAlN/AlTiN涂層中形成的氧化鋁層可以有效進(jìn)步刀具的高溫加工壽命。主要用于干式或半干式切削加工的硬質(zhì)合金刀具可選用該涂層。根據(jù)涂層中所含鋁和鈦的比例不同，AlTiN涂層可提供比TiAlN涂層更高的表面硬度，因此它是高速加工領(lǐng)域又一個可行的涂層選擇。

（4）氮化鉻涂層（CrN）

CrN涂層良好的抗粘結(jié)性使其在輕易產(chǎn)生積屑瘤的加工中成為首選涂層。涂覆了這種幾乎無形的涂層后，高速鋼刀具或硬質(zhì)合金刀具和成形工具的加工性能將會大大改善。

（5）金剛石涂層（Diamond）

CVD金剛石涂層可為非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金屬基復(fù)合材料（MMC）、高硅鋁合金及很多其它高磨蝕材料的理想涂層（留意：純金剛石涂層刀具不能用于加工鋼件，由于加工鋼件時會產(chǎn)生大量切削熱，并導(dǎo)致發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使涂層與刀具之間的粘附層遭到破壞）。

適用于硬銑、攻絲和鉆削加工的涂層各不相同，分別有其特定的使用場合。此外，還可以采用多層涂層，此類涂層在表層與刀具基體之間還嵌進(jìn)了其它涂層，可以進(jìn)一步進(jìn)步刀具的使用壽命。

使用涂層刀具有5個主要原因：①增加耐磨性；②提高抗氧化性能；③減小摩擦；④提高抗金屬疲勞性能；⑤增加抗熱沖擊性。

　　當(dāng)按照設(shè)計要求正確使用恰當(dāng)?shù)牡毒咄繉訒r，最終用戶就能達(dá)到提高切削參數(shù)、延長刀具壽命的目的，并有可能實現(xiàn)干式切削加工。

　　刀具涂層方法

　　有兩種主要的刀具涂層方法：CVD（化學(xué)氣相沉積）法和PVD（物理氣相沉積）法。每種方法都有自身的優(yōu)勢和劣勢。

　　CVD涂層是最早出現(xiàn)、也是最常見的涂層方法，已經(jīng)沿用多年。CVD法是在一個化學(xué)反應(yīng)容器內(nèi)加熱基體，并將基體暴露于氣流之中。這些氣體在被加熱的基體表面分解，形成一層涂層。一般而言，CVD涂層需要的溫度約為1，000℃左右。

　　一種常見的CVD涂層是采用三種氣體四氯化鈦（TiCl4）、氫氣（H2）和氮氣（N2）來產(chǎn)生氮化鈦（TiN）+氯化氫（HCl）。HCl是該工藝的二次產(chǎn)物，必須按照嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)進(jìn)行處理。

　　CVD法的優(yōu)勢包括極佳的涂層粘附性，以及涂層分布的均勻性。CVD法的缺點是：涂層時的高溫會對基體產(chǎn)生不利影響，適用的涂層材料不多（因為涂層材料是以氣態(tài)形式提供的），以及工藝循環(huán)時間長。

　　PVD涂層是一種相對較新的刀具涂層方法，在刀具行業(yè)正變得日益流行。PVD法是在真空環(huán)境中，將涂層材料從材料源（靶材）經(jīng)過傳送空間轉(zhuǎn)移到基體上。該方法采用加熱或電源供能的方式，將涂層材料氣化，然后使氣化的材料附著在基體上。

　　PVD法的優(yōu)勢是適用的涂層材料范圍較廣，工藝溫度相對較低（450℃左右），允許對鋒利的切削刃進(jìn)行涂層。該方法的缺點是：內(nèi)表面涂層比較困難（涂層時，要求從涂層材料到基體必須處在一條直線上），對基體表面要求較高。

　　主要的涂層工藝

　　PVD法有兩種主要的工藝，可用于在不同的基體上進(jìn)行涂層：一種是電弧法（電弧放電）；另一種是濺射法（陰極濺射）。這兩種方法都有一個額外的優(yōu)點：涂層爐比較容易建造。

　　電弧法是通過電源的放電（很像是一道閃電）擊中涂層材料，并將這種材料由固體轉(zhuǎn)換為液體，再轉(zhuǎn)換為氣體狀態(tài)。該工藝的優(yōu)點是沉積率高（相對于濺射法而 言）。但是，由于涂層材料處于三種形態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)），因此有可能會產(chǎn)生一些液滴（微小的液體顆粒）。這些液滴不會轉(zhuǎn)換為氣態(tài)。

　　濺射法是采用一個加熱源，將固體涂層材料直接轉(zhuǎn)換為氣體狀態(tài)。由于涂層材料跳過了液化階段，因此不會產(chǎn)生液滴。但是，由于該工藝沉積率較低（相對于電弧法），因此生產(chǎn)周期較長。

　　硬質(zhì)材料涂層

　　大部分硬質(zhì)材料（涂層也是一種硬質(zhì)材料）都是由一種金屬和一種非金屬構(gòu)成。例如，一些常見的硬質(zhì)涂層包括氮化鈦（TiN）、氮碳化鈦（TiCN）、氮 鋁鈦（TiAlN）、氮鈦鋁（AlTiN）和氮鉻鋁（AlCrN）。元素周期表顯示了有可能成為候選涂層材料的金屬和非金屬元素。

　　在涂層過程中，體積較小的非金屬元素涂覆TiN時為氮（N）嵌入到金屬鈦（Ti）的晶格空缺中。當(dāng)沉積TiCN時，則由碳（C）部分取代了一些氮（N）。按照同樣的原理，也可以確定沉積其他涂層所需要的金屬和非金屬元素。

　　這是PVD工藝的優(yōu)勢之一。由于金屬材料在PVD涂層爐中為固態(tài)（而CVD工藝則需要引入氣態(tài)金屬），因此，幾乎任何金屬都可以用于PVD涂層。當(dāng)然，并不是所有金屬都對改善刀具性能有益，但它們都能用于涂層。

　　涂層的結(jié)構(gòu)

　　經(jīng)過多年的發(fā)展，涂層的結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了許多變化，有了很大的改進(jìn)。在涂層技術(shù)中，通常有以下五種不同的結(jié)構(gòu)：

　　（1）單層結(jié)構(gòu)

　　顧名思義，這種結(jié)構(gòu)只有一層涂層。當(dāng)我們在顯微鏡下觀察這種結(jié)構(gòu)時，可以看見一些長柱形涂層結(jié)構(gòu)。這種涂層很容易涂覆，但也很容易產(chǎn)生裂紋和破損。想象一下，當(dāng)一個球擊中一束柱體時，這些柱體就會開始倒下，而裂紋輕易就能貫穿涂層，到達(dá)基體。

　�。�2）多層結(jié)構(gòu)

　　多層結(jié)構(gòu)是由許多不同的單層結(jié)構(gòu)彼此重疊在一起構(gòu)成的。表面花紋鋼就是歷史上此類結(jié)構(gòu)的一個例子。多層結(jié)構(gòu)涂層可將幾種涂層材料的特性結(jié)合在一起，形成韌性與硬度俱佳的表面。

　　（3）納米多層結(jié)構(gòu)

　　納米多層結(jié)構(gòu)與多層結(jié)構(gòu)本質(zhì)上相同，但其層厚卻要薄得多：涂層厚度僅為原子級水平。

　　（4）納米復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)

　　納米復(fù)合涂層采用了與硬質(zhì)合金刀具類似的技術(shù)。這種納米結(jié)構(gòu)將粘結(jié)相（例如硬質(zhì)合金中的鈷）的韌性與納米復(fù)合涂層的硬度結(jié)合在一起。

　�。�5）梯度結(jié)構(gòu)

　　該結(jié)構(gòu)的涂層性能具有漸變性：涂層中心部分較軟而富有彈性，而在靠近表層時則變得堅硬而耐磨。

　　涂層的質(zhì)量控制與檢驗

　　在對刀具進(jìn)行涂層后，制造商需要對涂層本身進(jìn)行質(zhì)量檢驗。通常，這種質(zhì)量檢驗過程和程序包括以下四個方面：

　　（1）涂層厚度檢測

　　檢測涂層厚度主要有兩種方法：球頭砂輪磨削檢測法和X射線熒光輻射檢測法。

　　球頭砂輪磨削檢測是用一個很小的金剛石砂輪（球）磨除涂層，直至露出下面的基體。然后，通過用顯微鏡觀測磨除區(qū)域，就可以利用公式（X×Y）/球頭直 徑測算出涂層厚度（式中，X為從上向下觀測到的涂層寬度，Y為基體+涂層寬度）。目標(biāo)是將測得的涂層厚度值范圍控制在制造商的技術(shù)規(guī)定以內(nèi)。

　　X射線熒光輻射檢測可能是一種更準(zhǔn)確的檢測方法。測量原理是：涂層和基體材料都能產(chǎn)生X射線熒光輻射，但涂層會使基體的輻射強(qiáng)度減弱。通過二次輻射量 測出基體輻射減弱的程度，即可確定涂層厚度。檢測涂層厚度的首選方法是球頭砂輪磨削檢測法，因為它比較直觀，而且更容易實施。

　　（2）涂層粘附性檢測

　　一旦涂層厚度合格，下一步就需要檢查涂層的粘附性，這可能是一項主觀性最強(qiáng)的質(zhì)量控制檢測。檢測方法主要包括洛氏壓痕法和劃痕試驗法兩種。

　　顧名思義，洛氏壓痕法就是用一個硬質(zhì)球，以設(shè)定的力在涂層基體表面上向下施壓。涂層基體受壓后產(chǎn)生裂紋，檢測人員通過一臺顯微鏡，對壓痕點的裂紋進(jìn)行 觀測，并評估裂紋的數(shù)量和開裂程度。根據(jù)制造商提出的具體標(biāo)準(zhǔn)，檢測人員可以確定這些裂紋是否在可接受的合格范圍內(nèi)。盡管這種檢測方法看起來很簡單，但涂 層厚度也會影響裂紋的數(shù)量和開裂程度，因此，允許較厚的涂層比較薄的涂層產(chǎn)生更多的裂紋。

　　劃痕試驗法要更直接一些。在劃痕試驗中，檢測人員對一個在涂層刀具上移動的壓頭施加逐漸加大的載荷。當(dāng)達(dá)到臨界載荷Lc時，涂層開始出現(xiàn)裂紋。在該點測量壓頭移動的距離，如果該距離足夠長，則表明該涂層的粘附性合格。

　�。�3）涂層結(jié)構(gòu)檢測

　　如果涂層的厚度符合要求，粘附性也合格，下一步就需要檢測涂層的結(jié)構(gòu)，其檢測方法與確定涂層厚度的球頭砂輪磨削法基本相同：用相同的球頭砂輪磨除涂層，并在顯微鏡下進(jìn)行觀測，就可以看到并確認(rèn)前面提到的不同涂層結(jié)構(gòu)。

　�。�4）涂層成分與分布檢測

　　最后一項質(zhì)量控制檢測是涂層的成分與分布。這項檢測需要采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線技術(shù)（EDX）。SEM具有極高的圖像放大率 （高達(dá)20萬倍）和高分辨率，與EDX分析相結(jié)合，就能確定涂層材料成分以及在一個很�。�可小至2納米）截面上材料的分布量。

　　自行涂層與外包涂層

　　生產(chǎn)刀具涂層還有一個需要仔細(xì)權(quán)衡的問題：在哪里涂層？與將涂層工作外包相比，在廠內(nèi)自行涂層具有很大優(yōu)勢；但是，這樣做需要投入大量資金購置涂層設(shè)備。

　　自行涂層在物流、加工時間和產(chǎn)品質(zhì)量上都更具優(yōu)勢。在物流上，刀具制造商不必對需要涂層的產(chǎn)品進(jìn)行包裝，也不需要發(fā)貨運(yùn)輸，通常，這樣至少可以節(jié)約2 個工作日的時間。不僅可以縮短加工時間，而且還有一個額外的好處能夠?qū)ι�產(chǎn)中遇到的瓶頸問題及時做出反應(yīng)，并提供24小時以內(nèi)的上門服務(wù)。

　　另一個優(yōu)勢是可以確保涂層質(zhì)量。在廠內(nèi)自行涂層的刀具制造商有能力對被涂產(chǎn)品進(jìn)行特定的裝架配置和涂前預(yù)處理。他們無需將多種產(chǎn)品混合涂層，有能力確保涂層批次的一致性。因此，廠內(nèi)自行涂層時，產(chǎn)品公差范圍可以進(jìn)一步縮小。

　　外部涂層服務(wù)商可能會在一個涂層爐內(nèi)同時涂覆多種類型的產(chǎn)品，他們生產(chǎn)的涂層厚度總的公差帶可能為2－4μm.批次一致性更好的廠內(nèi)涂層的公差帶則可 以達(dá)到名義厚度的±20％。如果涂層的名義厚度為2μm，涂層總的公差則為0.8μm.涂層厚度的分布規(guī)律類似于鐘形曲線，因此，有81％的產(chǎn)品其總的厚 度公差為0.4μm.

為了發(fā)展刀具涂層，人們投入了許多時間、精力、科學(xué)知識和創(chuàng)新思維。刀具制造商的目標(biāo)是提供優(yōu)質(zhì)刀具，幫助用戶更快速、更精確的生產(chǎn)自己的零部件。我 們希望，本文提供的這些有關(guān)刀具涂層生產(chǎn)工藝的基本知識能夠提醒人們，在這些漂亮的金色刀片背后，隱藏著一些復(fù)雜而精密的技術(shù)。

  技術(shù)咨詢：135-8088-6714（吳生）微信同號－－－－－－支持免費打樣