金屬切削加工必須滿足對生產(chǎn)率和加工速度不斷提高的要求。加工時產(chǎn)生的摩擦、工件和刀具的磨損是造成生產(chǎn)率損失的主要因素。根據(jù)德國摩擦學(xué)會的報告，在工業(yè)化國家，每年僅由摩擦和磨損造成的損失就占到社會生產(chǎn)總值的大約5%。
刀具涂層可以改善刀具的摩擦和磨損性能，因此在切削加工中必不可少。多年來，表面處理技術(shù)提供商一直在開發(fā)定制化的涂層解決方案，以提高刀具的耐磨性、加工效率和使用壽命。獨特的挑戰(zhàn)來自于對以下四個要素的關(guān)注與優(yōu)化：①刀具表面的涂前和涂后處理；②涂層材料；③涂層結(jié)構(gòu)；④涂層刀具綜合加工技術(shù)。
圖1 切削加工的成功取決于刀具、涂層、材料等各種要素之間相互作用的優(yōu)化
刀具磨損來源
在切削過程中，一些磨損機(jī)理發(fā)生在刀具與工件材料的接觸區(qū)。例如，切屑與切削表面之間的粘結(jié)磨損、工件材料中的硬質(zhì)點對刀具的磨料磨損，以及摩擦化學(xué)反應(yīng)（由機(jī)械作用和高溫引起的材料化學(xué)反應(yīng)）引起的磨損。由于這些摩擦應(yīng)力會減小刀具的切削力和縮短刀具的使用壽命，因此它們主要影響刀具的加工效率。
表面涂層可以減小摩擦力的影響，同時，刀具基體材料可對涂層起到支撐作用，并吸收機(jī)械應(yīng)力。摩擦系統(tǒng)性能的改善除了可以提高生產(chǎn)率以外，還能節(jié)省材料和降低能源消耗。
圖2 涂層刀具
涂層對降低加工成本的作用
在生產(chǎn)周期中，刀具的使用壽命是一個重要的成本因素。除了其他含義以外，可將刀具壽命理解為機(jī)床在需要維護(hù)之前能夠不間斷加工的時長。刀具壽命越長，因生產(chǎn)中斷而產(chǎn)生的成本就越低，機(jī)床的維護(hù)工作也越少。
即使在切削溫度很高的情況下，使用涂層也可以延長刀具的使用壽命，從而大大降低加工成本。此外，刀具涂層還可以減少對潤滑液的需求。這不但可以降低物料成本，而且還有助于保護(hù)環(huán)境。
圖3 即使在高速切削淬硬鋼時，涂層銑刀的使用壽命也能大幅提高
涂層前和涂層后處理對生產(chǎn)率的影響
在現(xiàn)代切削加工中，刀具要承受高壓（＞2GPa）、高溫和不斷循環(huán)的熱應(yīng)力。在刀具涂層之前和涂層以后，必須對其進(jìn)行相應(yīng)的工藝處理。
在刀具涂層之前，可采用各種預(yù)處理方法使刀具為隨后的涂層工藝做好準(zhǔn)備，同時顯著提高涂層的附著力。通過與涂層的共同作用，對刀具切削刃的制備也能提高切削速度和進(jìn)給率，并延長刀具的使用壽命。
涂層后處理（刃口制備、表面處理和結(jié)構(gòu)化處理）對刀具的優(yōu)化也起著決定性作用，尤其可以防止通過形成積屑瘤（工件材料粘結(jié)到刀具切削刃上）而可能造成的早期磨損。
圖4 PVD涂層爐內(nèi)部一瞥
涂層考慮因素與選擇
對涂層性能的要求可能迥然不同。在切削時刃口溫度很高的加工條件下，涂層的耐熱磨損性能就變得極其重要。人們期望，現(xiàn)代涂層還應(yīng)具有以下特性：優(yōu)異的高溫性能、抗氧化性能、高硬度（即使在高溫條件下），以及通過納米結(jié)構(gòu)層設(shè)計而具有的微觀韌性（塑性）。
對高效刀具而言，優(yōu)化的涂層粘附性和合理分布的殘余應(yīng)力是兩個決定性因素。首先，需要考慮基體材料與涂層材料的相互作用。其次，涂層材料與被加工材料之間應(yīng)具有盡可能小的親和性。通過采用適當(dāng)?shù)牡毒邘缀涡螤詈蛯ν繉舆M(jìn)行拋光的方式，可以顯著降低涂層與工件發(fā)生粘結(jié)的可能性。
鋁基涂層（如AlTiN）是切削加工行業(yè)常用的刀具涂層。在切削高溫作用下，這些鋁基涂層可以形成薄而致密的氧化鋁層，而氧化鋁層在加工中可以不斷自我更新，并保護(hù)涂層和其下的基體材料不被氧化侵蝕。
通過改變鋁含量和涂層結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整涂層的硬度和抗氧化性能。例如，通過增加鋁含量，采用納米結(jié)構(gòu)或微合金化（即與低含量元素合金化），就可以改善涂層的抗氧化性能。
除了涂層材料的化學(xué)成分以外，涂層結(jié)構(gòu)的變化也會顯著改變涂層的性能。不同的刀具性能取決于涂層微觀結(jié)構(gòu)中各種元素的分布狀況。
圖5 通過改變各層涂層中不同元素的分布狀況，可以調(diào)整涂層性能（如各層硬度、材料相的穩(wěn)定性和摩擦特性）
如今，可將幾種具有不同化學(xué)成分的單一涂層組合成復(fù)合涂層，以獲得所需的性能。這種趨勢今后還將不斷發(fā)展——尤其是通過新的涂層系統(tǒng)與涂層工藝，如將三種高離子化涂層工藝組合到一起的HI3（High Ionization Triple）電弧蒸發(fā)與濺射混合涂層技術(shù)。
作為一種全能型涂層，鈦硅基（TiSi）涂層可以提供優(yōu)異的加工性能。此類涂層既可用于加工具有不同碳化物含量的高硬度鋼（芯部硬度高達(dá)HRC65），也能用于加工中等硬度鋼（芯部硬度HRC40）。為了適應(yīng)不同的加工用途，可對涂層結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。因此，鈦硅基涂層刀具可用于切削加工從高合金鋼、低合金鋼到淬硬鋼和鈦合金的各種工件材料。在平面工件（硬度為HRC44）上進(jìn)行的高光潔度切削試驗表明，涂層刀具可使刀具壽命提高近兩倍，加工表面粗糙度減小10倍左右。
鈦硅基涂層可最大限度地減少后續(xù)的表面拋光處理。此類涂層將有望應(yīng)用于切削速度高、刃口溫度高、金屬去除率高的加工中。
對于其他一些PVD涂層（尤其是微合金化涂層），涂層公司也與加工企業(yè)密切合作，研究開發(fā)各種優(yōu)化的表面處理方案。因此，在加工效率、刀具使用、加工質(zhì)量，以及材料、涂層與加工之間的相互作用等方面，都可能獲得很大的改善，并得到實際應(yīng)用。通過與專業(yè)涂層伙伴合作，用戶就可以在刀具的整個生命周期中提高其使用效率。
(來源：松德刀具)
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