怎样合理的选用刀具涂层

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对于面临的切削加工任务，PVD涂层刀具、CVD涂层刀具还是非涂层刀具哪一种才是最佳选择呢？

化学气相沉积（CVD）涂层是始于20世纪60年代的一项成熟技术，并已广泛应用于钢和铸铁工件（尤其是汽车零部件）的车削加工。TiCN和Al2O3厚膜CVD涂层可以为钢和铸铁的车削和断续切削提供所需的耐磨性。物理气相沉积（PVD）涂层技术的问世时间相对较晚（20世纪90年代），但在航空航天、能源、医疗、化工等行业，PVD涂层在钛合金、镍基合金、耐热超级合金、Inconel合金和其他难切削材料加工中的应用正在快速增长（图1）。

怎样合理的选用刀具涂层

图1  PVD涂层在航空航天、能源、医疗、化工等行业的应用日益增多

为了选用合适的涂层类型，就必须同时考虑涂层工艺和工件材料。CVD和PVD是两种主要的硬质合金刀片涂层工艺，它们各具特点和优势。例如，CVD涂层比较厚（通常为9－20μm），具有极好的耐磨性，使其非常适合切削钢和铸铁材料，并被广泛应用于车削加工。然而，遗憾的是，这种厚涂层可能不利于提高切削刃的韧性。PVD涂层比较薄（通常为2－3μm），但与CVD涂层相比，其韧性更好，表面也更光滑，因此更适合加工高温合金、钛合金和难切削的不锈钢等，这些材料通常容易引起刀具的刻划磨损或切削刃崩刃。

PVD涂层通常比较薄，因此适用于要求切削刃较为锋利的整体式刀具，如整体式钻头、整体硬质合金立铣刀和丝锥等。PVD涂层的另一个特点是会产生压应力，从而有助于提高涂层的韧性。

PVD和CVD技术并不是竞争关系，而是互补关系。目前，无论是在沉积温度上，还是在适用的工件材料上，这两种技术都已在一定程度上相互交叉重叠。航空航天工业需要加工大量难切削材料，如钛合金、Inconel合金和高温合金。在这些领域，通常主要采用PVD涂层，同时也补充使用一些CVD涂层。

如今，各种先进的涂层工艺和涂层材料令人眼花缭乱，因此，要确定适合自己加工需求的最佳刀片牌号并不总是一件容易的事。从工件材料入手是最好的出发点，因为被加工材料的类型在确定是否需要选用涂层（或非涂层）硬质合金刀片上起着关键作用。切削加工黑色金属材料（如铁、铸铁、钢或不锈钢）时，必须选用涂层硬质合金刀片。切削加工高温合金（尤其是具有中－高切削性能指数的合金）时，大部分情况下都需要选用涂层刀片。加工钛合金也可以从使用涂层中受益，尤其是在不使用高压冷却液的情况下。

山特维克可乐满用于可换钻尖式钻头的GC4234和GC3234牌号采用了强韧的微细晶粒硬质合金基体和用新技术制备的PVD涂层。这种多层TiAlN涂层根据特定的加工要求来设计每种牌号的性能。用于钻削ISO P类（钢）材料的GC4234牌号具有低残余应力，提高了切削刃线的抗崩刃能力、抗月牙洼磨损和后刀面磨损能力。用于钻削ISO K类（铸铁）材料的GC3234牌号具有优化的残余应力和硬度，提高了耐磨性。

怎样合理的选用刀具涂层

图2  为了提高加工硬材料时的耐磨性，山高的DuraTurn涂层刀片采用了交替涂覆的TiAlN层和TiSiN层

山高刀具已在纳米涂层的开发和应用上大获成功，虽然这算不上是特别新的技术。通过交替涂覆TiAlN层和TiSiN层，以及采用极小的涂层晶粒尺寸，可以显著提高涂层的耐磨性（图2）。晶粒尺寸是指构成涂层的单个元素，所有金属材料都是由随机取向的晶粒构成，涂层也是如此。晶粒尺寸越小，材料的硬度就越高，涂层的耐磨性也越好。山高刀具已成功开发出用于加工硬材料的TH1000车削牌号，可与Jetstream高压冷却刀具夹头系统配套使用，高速车削高温合金。我们能以180m/min的表面切削速度加工Inconel 718合金，并获得良好的刀具寿命。我们还尝试用Al2O3涂层以较高的速度切削加工高温合金。Al2O3涂层在低速加工（30m/min或60m/min）时性能不佳，但如果将切削速度提高到180m/min或210m/min，并配合使用Jetstream高压冷却系统，就能获得非常不错的刀具寿命。”

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图3 山高Jetstream Tooling

铝化钛（TiAl）是一种目前还不常用，但却前途无量的新型材料。它是一种具有良好高温特性的轻金属材料。Graham介绍说，“TiAl具有取代制造喷气发动机的大部分镍基合金（包括所有的Inconel 718合金、Renes合金、Waspaloys合金等）的潜力。我们必须设计出加工TiAl所需的刀具材料。TiAl的磨蚀性大，硬度高，韧性好，而且导热性很差，其切削性能指数非常低。例如，如果你加工一个低碳钢零件需要消耗一把刀具的话，加工一个TiAl零件就需要消耗20把刀具。与之相比，加工一个Inconel 718零件只需消耗6－7把刀具。”

涂料的主要作用是提高耐磨性，但在提高切削刃的韧性上也能发挥重要作用。瓦尔特公司用于钢件加工的银虎（Tiger-tec Silver）车刀片通过精心设计涂层系统、基体和涂后处理工艺，使得切削刃韧性大幅提高。

为了车削钢件，瓦尔特公司改变了Al2O3涂层结构，使其包含了择优取向的晶粒。这种晶粒可显著提高涂层的抗月牙洼磨损能力和耐热性，而切削热可能会导致切削刃变形。尤其是在切深很大或断续切削的情况下，涂层刀片的崩刃是一个大问题。瓦尔特改变了涂层技术和后处理工艺，增大了压应力，提高了这些新型刀片的抗崩刃性能。除了车削加工以外，该技术已首次应用于铣削加工。并采用了相同的晶粒择优取向技术、喷砂处理工艺，以及适用于铣削加工的刃口几何形状，从而使刀具寿命延长了30％－40％，切削速度提高了15%－30％。

怎样合理的选用刀具涂层

图4  瓦尔特的银虎车刀片采用了择优取向的晶粒结构，提高了车削钢件时的抗变形、抗月牙洼磨损和抗崩刃性能

非涂层刀片主要用于有色金属（如铝、黄铜和一些硬度不高的合金材料）以及不锈钢的切削加工。非涂层刀片很适合那些要求切削刃非常锋利的加工。一旦使用了涂层，就无法获得极其锋利的切削刃，因为涂层很难附着在锋利的刃口上。此外，硬质合金的精磨光洁度优于涂层，用精磨硬质合金加工铝、黄铜和粘性合金效果更好。

对于钻削加工，虽然涂层对提高切削部位的耐磨性十分重要，但对钻头的排屑槽却毫无益处。即使是最光滑的涂层，也显得过于粗糙，只会增大摩擦力、减缓切屑流动。在钻削难加工材料时，这一点尤其重要。通过在涂层时遮住排屑槽，并将排屑槽的硬质合金表面磨光，将有助于加快切屑流动。此外，钻头的几何形状，包括钻尖和排屑槽几何形状对钻头的切削性能也有很大影响。

Guhring公司为钻削加工镍合金开发了一种新型高钻进率钻头——RT100HF。该钻头采用了新的钻尖几何形状，有助于解决镍合金加工中普遍存在的散热问题。该钻头采用双刃带刀槽设计，可提高钻削稳定性，改善孔壁表面光洁度。RT100HF采用一种称为“nano-Si”的超硬表面涂层。这种硅基PVD涂层的硬度比传统TiAlN基涂层高57％，耐热性则与其不相上下。

镍基耐热合金的可切削性极差。据OSG公司介绍，其加工难度约为不锈钢的10倍。由于镍基合金具有优异的耐热性、强韧性和延展性，因此通常用于制造喷气发动机的涡轮叶片和其他对耐热性要求极高的航空零部件。而近年来，镍基合金的应用范围已变得越来越广泛，如用于制造汽车零部件和家用燃气设备等。

为满足行业需求，OSG公司开发了一种加工镍基耐热合金的整体解决方案——EXOPRO-WWHO-Ni 3D/5D硬质合金钻头系列。该钻头的设计特点是采用更锋利的切削刃来钻削经过热处理的镍基合金。锋利的切削刃可以减少加工时产生的切削热，并有助于稳定地形成切屑。该钻头采用扭曲度较小的钻型，提高了刀具刚性，从而可加工出高精度的孔。该钻头能够形成细小的切屑，有利于顺畅排屑和稳定加工。该公司的WXS涂层能实现高速切削，利用通过刀具内部供液的水溶性冷却液，可以延长刀具寿命。

伊斯卡公司新推出了一组采用束魔（SumoTec）CVD和PVD涂层技术的硬质合金车削刀片牌号。SumoTec特殊处理技术使涂层表面更光滑，减少了涂层工艺留下的各种缺陷。这种涂层后处理技术减小了刀具与工件材料之间的摩擦，其结果是降低了切削温度，改善了抗崩刃性能，减少了积屑瘤，提高了加工各种工件材料时切削刃寿命的可靠性。SumoTec硬质合金牌号包括用于加工低碳钢和合金钢的IC8150、IC8250和IC8350，用于加工铸铁的IC5005和IC5010，用于加工不锈钢的IC6015和IC6025，用于加工高温合金的IC806，以及用于通用加工的IC807。

Emuge公司推出的Top Cut系列高效硬质合金立铣刀（图5）采用了新开发的可变螺旋槽技术和耐热性极佳的TiAlN涂层。这种立铣刀用微晶硬质合金材料制成，并根据粗铣和精铣加工要求，对切削刃进行了专门的铲磨加工。Emuge公司可提供各种薄膜型耐磨涂层刀具，包括采用TiN、TiCN、CrN涂层的丝锥、立铣刀和硬质合金螺纹铣刀。

怎样合理的选用刀具涂层

图5  Emuge的Top Cut硬质合金立铣刀采用了新开发的高耐热TiAlN涂层、可变螺旋槽和内冷却设计