硬質合金刀具塗層及種類

自從20世紀60年代以來，經過近半個世紀的的發展，刀具表面塗層技術已經成為提升刀具性能的主要方法。刀具表面塗層，主要通過提高刀具表面硬度，熱穩定性，降低摩擦係數等方法來提升切削速度，提高進給速度，從而提高切削效率，並大幅提升刀具壽命。

圖一 PVD塗層刀具

一、塗層工藝

刀具塗層技術通常可分為化學氣相沉積（CVD）和（PVD）兩大類。

1．CVD技術被廣泛應用於硬質合金可轉位刀具的表面處理。CVD可實現單成份單層及多成份多層複合塗層的沉積，塗層與基體結合強度較高，薄膜厚度較厚，可達7～9μm，具有很好的耐磨性。但CVD工藝溫度高，易造成刀具材料抗彎強度下降；塗層內部呈拉應力狀態，易導致刀具使用時產生微裂紋；同時，CVD工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環境污染。為解決CVD工藝溫度高的問題，低溫化學氣相沉積（PCVD），中溫化學氣相沉積（MT-CVD）技術相繼開發並投入實用。目前，CVD（包括MT-CVD）技術主要用於硬質合金可轉位刀片的表面塗層，塗層刀具適用於中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。

2．PVD技術主要應用於整體硬質合金刀具和高速鋼刀具的表面處理。與CVD工藝相比，PVD工藝溫度低（最低可低至80℃），在600℃以下時對刀具材料的抗彎強度基本無影響；薄膜內部應力狀態為壓應力，更適於對硬質合金精密複雜刀具的塗層；PVD工藝對環境無不利影響。PVD塗層技術已普遍應用於硬質合金鑽頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的塗層處理。

圖二 PVD塗層原理

物理氣相沉積（PVD）在工藝上主要有（1）真空陰極弧物理蒸發（2）真空磁控離子濺射兩種方式。

（1）陰極弧物理蒸發（ARC） 真空陰極弧物理蒸發過程包括將高電流，低電壓的電弧激發於靶材之上，併產生持續的金屬離子。被離化的金屬離子以60～100eV平均能量蒸發出來形成高度激發的離子束，在含有惰性氣體或反應氣體的真空環境下沉積在被鍍工件表面。真空陰極弧物理蒸發靶材的離化率在90%左右，所以與真空磁控離子濺射相比，沉積薄膜具有更高的硬度和更好的結合力。但由於金屬離化過程非常激烈，會產生較多的有害雜質顆粒，塗層表面較為粗糙。

（2）磁控離子濺射（SPUTTERING） 真空磁控離子濺射過程中，氬離子被被加速打在加有負電壓的陰極（靶材）上。離子與陰極的碰撞使得靶材被濺射出帶有平均能量4～6eV的金屬離子。這些金屬離子沉積在放於靶前方的被鍍工件上，形成塗層薄膜。由於金屬離子能量較低，塗層的結合力與硬度也相應較真空陰極弧物理蒸發方式差一些，但由於其表面質量優異被廣泛應用於有表面功能性和裝飾性的塗層領域中。

圖三 PVD塗層刀具

二、塗層種類

由於單一塗層材料難以滿足提高刀具綜合機械性能的要求，因此塗層成分將趨於多元化、複合化；為滿足不同的切削加工要求，塗層成分將更為複雜、更具針對性；在複合塗層中，各單一成分塗層的厚度將越來越薄，並逐步趨於納米化；塗層工藝溫度將越來越低，刀具塗層工藝將向更合理的方向發展。