如何选择合适的刀具涂层?
刀具涂层是提高刀具寿命的关键。选择合适的刀具涂层来匹配不同的切削条件和方法，有助于延长刀具寿命，优化生产工艺。
发布日期:2022年4月26日
什么是工具涂层?
刀具涂层是提高刀具耐磨性的一种方法。通过气相沉积方法，在硬质合金或高速钢(HSS)基板表面涂覆一层极硬、耐磨蚀的金属或非金属化合物薄层。
硬质合金刀具涂层方法:该涂层为刀具提供了强大的保护，耐酸、抗氧化、耐磨。该涂层可以提高刀具的表面硬度和热稳定性，并减少切削过程中的摩擦，允许提高切削速度，从而提高刀具的寿命和加工效率。
- 化学气相沉积(CVD):
CVD是一种广泛应用于硬质合金刀具表面处理的化学工艺。在CVD工艺中，源材料以气体的形式被引入反应室，并进行化学反应，通过内部扩散将源材料沉积在基底表面。在反应过程中，也可能产生不同的副产物，但大多数副产物会随着气流被带走，不会留在反应室内。
CVD技术主要用于车削刀具上涂层。这些工具更适合在中型和重型切削期间进行高速加工。CVD设备相对简单，工艺成熟，工艺易于控制，且沉积材料对基材有较高的渗透程度。多层涂层可以制成均匀的厚度。其生产工艺成本低，适合大批量生产。 - 物理气相沉积(PVD):
PVD在真空下通过物理反应在材料上沉积薄膜。真空有助于涂层过程中添加的材料的蒸发。PVD工艺主要用于刀具和各种模具的表面处理，以及半导体器件的生产。PVD和CVD的区别在于，PVD的吸附和解吸是物理的，而CVD是化学的。PVD也有更广泛的应用。PVD可用于应用各种材料的薄膜，但需要克服可能影响薄膜厚度均匀性的生产条件。
PVD技术非常适用于固体硬质合金工具和高速钢工具，广泛应用于硬质合金钻头、铣刀、丝锥、焊接工具的涂层处理。PVD的涂层温度低于高速工具钢的回火温度，因此不会损害刀具的硬度和尺寸精度。涂层后，不需要热处理。涂层的厚度只有几微米，因此不会影响原始工件的精度。
刀具涂层有哪些类型?
通常单独的一种涂层无法满足工具的机械性能要求，可能需要应用多种涂层。复合涂层形式多样，组分涂层的厚度也越来越薄，甚至达到了纳米的深度。
以下是一些常见的涂料:- 氮化钛涂层(TiN):
TTiN是一种通用PVD涂层，可提高工具硬度，并具有较高的氧化温度。对高速钢刀具或成型刀具均可获得良好的加工效果。 - 氮化铬涂层(CrN):
TCrN涂层广泛应用于刀具，因为它具有很高的抗粘附性，减少了切削过程中的摩擦。几乎看不见的涂层将提高高速钢或硬质合金刀具和成型刀具的加工性能。 - 金刚石涂层(金刚石):
CVD金刚石涂层为有色金属加工工具提供了最佳性能，适用于加工石墨、金属基复合材料(MMC)、高硅铝合金和许多其他高磨蚀性材料。 - 碳化钛涂层(TiCN):
TiCN涂层的碳元素可以提高工具的硬度，减少粘连，从而提供更好的表面润滑性。TiCN涂层非常适用于高速钢工具。 - 氮铝钛或氮钛铝涂层(TiAlN/AlTiN):
TiAlN/AlTiN涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。主要用于干式或半干式加工，适用于硬质合金刀具涂层。根据涂层中所含铝和钛的比例，AlTiN涂层可以提供比TiAlN涂层更高的表面硬度，适用于高速加工。 - 涂装设备:
用于硬铣削、攻丝和钻孔的涂料是不同的，每一种都适用于其特定的应用。此外，还可以使用多层涂层，在表面层和刀具底座之间嵌入其他涂层，从而增加了刀具的使用寿命。
刀具涂层工艺的优点是什么?
涂层刀具比未涂层刀具具有更高的表面硬度、更好的耐磨性、更稳定的化学性能、更高的耐热性和更好的抗氧化性。涂层工具的使用寿命可以比未涂层的工具长3到5倍。它们可以在更高的切割速度下使用，并提供更好的精度，从而提高生产效率和降低成本。
涂层工具的特点:
- 硬度:
由于TiCN涂层中添加了碳含量，因此其硬度高于TiN涂层。TiCN涂层的硬度比TiN高33%。其硬度在Hv3000 ~ 4000左右。CVD金刚石涂层的工具可比未涂层的工具高2至3倍，使用寿命约为未涂层工具的10至20倍。高硬度允许更高的切割速度，它们是切割有色金属材料的合适选择。 - 氧化温度:
氧化温度是指涂层开始分解的温度。氧化温度值越高，越有利于高温条件下的加工。TiAlN涂层之所以能在高温下保持硬度，是因为在刀具和芯片之间可以形成一层氧化铝，氧化铝层可以将刀具的热量传递到工件或芯片上。 - 耐磨性:
耐磨性是指涂层抗磨损的能力。由于一些刀具材料可能没有切削所需的最佳硬度，可以在生产过程中添加涂层以减少切削刃的磨损。 - 表面润滑:
高摩擦系数会增加切削热，这可能导致涂层寿命缩短甚至失效。降低摩擦系数可以延长刀具寿命。光滑或规则纹理的涂层表面有助于减少切割的热量，因为光滑的表面通过允许芯片快速从耙面上滑动来减少热量的产生。具有更好表面润滑性的涂层工具也可以以比未涂层工具更高的切削速度进行加工，进一步避免与工件材料的高温熔焊。 - 防粘:
涂层的防粘性能可以防止或减轻刀具和被加工材料之间的化学反应，防止工件材料沉积在刀具上。在加工有色金属(如铝、黄铜等)时，刀具上经常出现堆积边缘，导致刀具切屑或工件尺寸超出公差。一旦被加工的材料开始粘附在工具上，粘附将继续扩大。具有良好抗粘附性能的涂料即使在冷却剂性能较差的应用中也能很好地工作。
刀具涂层的应用:
好的涂层的应用取决于很多因素，因此针对不同的特定加工应用选择合适的涂层可能是一个反复试验的问题。正确选择涂层及其性能对于增强或改善加工性能至关重要。切削深度、切削速度和冷却剂都会对所涂刀具涂层的性能产生影响。由于工件材料的加工有许多变量，确定使用哪种涂层的最佳方法之一是通过试切。涂料供应商正在不断开发新的涂料，以进一步提高涂料的高温、摩擦和耐磨性。
刀具的涂层是影响刀具寿命的关键因素之一。延长了刀具的使用寿命，降低了成本。可根据切削方法和工件材料选择不同但合适的刀具涂层，以改进工装工艺，优化生产效率。
