HUANG

金属切削加工必须满足对生产率和加工速度不断提高的要求。加工时产生的摩擦、工件和刀具的磨损是造成生产率损失的主要因素。根据德国摩擦学会的报告，在工业化国家，每年仅由摩擦和磨损造成的损失就占到社会生产总值的大约5%。

　　刀具涂层可以改善刀具的摩擦和磨损性能，因此在切削加工中必不可少。多年来，表面处理技术提供商一直在开发定制化的涂层解决方案，以提高刀具的耐磨性、加工效率和使用寿命。独特的挑战来自于对以下四个要素的关注与优化：①刀具表面的涂前和涂后处理；②涂层材料；③涂层结构；④涂层刀具综合加工技术。

图1  切削加工的成功取决于刀具、涂层、材料等各种要素之间相互作用的优化

刀具磨损来源

　　在切削过程中，一些磨损机理发生在刀具与工件材料的接触区。例如，切屑与切削表面之间的粘结磨损、工件材料中的硬质点对刀具的磨料磨损，以及摩擦化学反应（由机械作用和高温引起的材料化学反应）引起的磨损。由于这些摩擦应力会减小刀具的切削力和缩短刀具的使用寿命，因此它们主要影响刀具的加工效率。

　　表面涂层可以减小摩擦力的影响，同时，刀具基体材料可对涂层起到支撑作用，并吸收机械应力。摩擦系统性能的改善除了可以提高生产率以外，还能节省材料和降低能源消耗。

图2  涂层刀具

涂层对降低加工成本的作用

　　在生产周期中，刀具的使用寿命是一个重要的成本因素。除了其他含义以外，可将刀具寿命理解为机床在需要维护之前能够不间断加工的时长。刀具寿命越长，因生产中断而产生的成本就越低，机床的维护工作也越少。

　　即使在切削温度很高的情况下，使用涂层也可以延长刀具的使用寿命，从而大大降低加工成本。此外，刀具涂层还可以减少对润滑液的需求。这不但可以降低物料成本，而且还有助于保护环境。

图3  即使在高速切削淬硬钢时，涂层铣刀的使用寿命也能大幅提高

涂层前和涂层后处理对生产率的影响

　　在现代切削加工中，刀具要承受高压（＞2GPa）、高温和不断循环的热应力。在刀具涂层之前和涂层以后，必须对其进行相应的工艺处理。

　　在刀具涂层之前，可采用各种预处理方法使刀具为随后的涂层工艺做好准备，同时显著提高涂层的附着力。通过与涂层的共同作用，对刀具切削刃的制备也能提高切削速度和进给率，并延长刀具的使用寿命。

　　涂层后处理（刃口制备、表面处理和结构化处理）对刀具的优化也起着决定性作用，尤其可以防止通过形成积屑瘤（工件材料粘结到刀具切削刃上）而可能造成的早期磨损。

图4  PVD涂层炉内部一瞥

涂层考虑因素与选择

　　对涂层性能的要求可能迥然不同。在切削时刃口温度很高的加工条件下，涂层的耐热磨损性能就变得极其重要。人们期望，现代涂层还应具有以下特性：优异的高温性能、抗氧化性能、高硬度（即使在高温条件下），以及通过纳米结构层设计而具有的微观韧性（塑性）。

　　对高效刀具而言，优化的涂层粘附性和合理分布的残余应力是两个决定性因素。首先，需要考虑基体材料与涂层材料的相互作用。其次，涂层材料与被加工材料之间应具有尽可能小的亲和性。通过采用适当的刀具几何形状和对涂层进行抛光的方式，可以显著降低涂层与工件发生粘结的可能性。

　　铝基涂层（如AlTiN）是切削加工行业常用的刀具涂层。在切削高温作用下，这些铝基涂层可以形成薄而致密的氧化铝层，而氧化铝层在加工中可以不断自我更新，并保护涂层和其下的基体材料不被氧化侵蚀。

　　通过改变铝含量和涂层结构，可以调整涂层的硬度和抗氧化性能。例如，通过增加铝含量，采用纳米结构或微合金化（即与低含量元素合金化），就可以改善涂层的抗氧化性能。

　　除了涂层材料的化学成分以外，涂层结构的变化也会显著改变涂层的性能。不同的刀具性能取决于涂层微观结构中各种元素的分布状况。

图5  通过改变各层涂层中不同元素的分布状况，可以调整涂层性能（如各层硬度、材料相的稳定性和摩擦特性）

　　如今，可将几种具有不同化学成分的单一涂层组合成复合涂层，以获得所需的性能。这种趋势今后还将不断发展——尤其是通过新的涂层系统与涂层工艺，如将三种高离子化涂层工艺组合到一起的HI3（High Ionization Triple）电弧蒸发与溅射混合涂层技术。

　　作为一种全能型涂层，钛硅基（TiSi）涂层可以提供优异的加工性能。此类涂层既可用于加工具有不同碳化物含量的高硬度钢（芯部硬度高达HRC65），也能用于加工中等硬度钢（芯部硬度HRC40）。为了适应不同的加工用途，可对涂层结构的设计进行相应调整。因此，钛硅基涂层刀具可用于切削加工从高合金钢、低合金钢到淬硬钢和钛合金的各种工件材料。在平面工件（硬度为HRC44）上进行的高光洁度切削试验表明，涂层刀具可使刀具寿命提高近两倍，加工表面粗糙度减小10倍左右。

　　钛硅基涂层可最大限度地减少后续的表面抛光处理。此类涂层将有望应用于切削速度高、刃口温度高、金属去除率高的加工中。

　　对于其他一些PVD涂层（尤其是微合金化涂层）,涂层公司也与加工企业密切合作，研究开发各种优化的表面处理方案。因此，在加工效率、刀具使用、加工质量，以及材料、涂层与加工之间的相互作用等方面，都可能获得很大的改善，并得到实际应用。通过与专业涂层伙伴合作，用户就可以在刀具的整个生命周期中提高其使用效率。