刀具的涂層方法及特點有哪些？

通過氣相沉積或其他方法，在硬質合金（或高速工具鋼刀具）基體上涂覆一薄層（一般只有幾微米）耐磨性高的難熔金屬（或非金屬）化合物，是提高刀具材料耐磨性而不降低其韌度的有效途徑之一。也是解決刀具材料發展中的一對矛盾（材料硬度和耐磨性越高，強度及韌度就越低）的很好方法。

目前，常用的刀具涂層方法有化學氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)兩種。近年來出現一些新的涂層工藝，具有良好的應用前景。

CVD法屬于原子沉積類，是利用金屬鹵化物的蒸氣、氫氣和其他化學成分，在950~1050℃的高溫下，進行分解、熱合等氣、固反應沉積物以原子、離子、分子等原子尺度的形態在加熱基體表面形成固態沉積層的一種方法，其過程包括三個階段：物料汽化、運輸到基體附近和在基體上形成覆蓋層。

在各種CVD法中，用得最多的是真空離子轟擊法和磁控離子反應噴涂法。


CVD技術主要用于硬質合金車削類刀具的表面涂層，其涂層刀具適合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。

CVD法與其他涂層方法比較，不僅設備簡單，工藝成熟，還有以下優點：

• 沉積物種類多，能涂金屬、合金、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物氫碳氮化物等。
• 有高度的滲透性和均勻性，可獲得不同組織的多層涂層，涂層厚薄均勻。
• 沉積速率高，而且容易控制。
• 涂層純度高，晶粒細而致密。
• 黏附力較強，可獲得較厚的涂層。
• 工藝成本低，適合大量生產。

在700~900℃下的中溫化學氣相沉積(MTCVD)可獲得致密纖維狀結晶形態的TCN涂層，涂層厚度可達8~10μm，并可通過CVD工藝技術在表層沉積上A2O3、TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料。

MT-CVD涂層刀片適合于高速、高溫、大負荷、干式切削條件下使用，其壽命可比普通涂層刀片提高1倍左右。CVD法的主要缺點在于沉積溫度較高，在對高速工具鋼刀具進行涂層時，會使刀具退火及變形。所以沉積后的刀具還要進行淬火處理。

PVD法是利用蒸發或濺射等物理形式把材料從靶源移走，然后通過真空或半真空空間使這些攜帶能量的蒸氣離子沉積到基片或零件表面以形成膜層，通過氣相反應過程，使蒸發或濺射出的金屬原子發生氣相反應，從而在刀具表面沉積出所要求的化合物。PVD涂層能涂氮化鈦、碳氮化鈦、鋁鈦氮化合物，以及各種難熔金屬的碳化物和氮化物。

目前，常用的PvD方法有低壓電子束蒸發(LVEE)法、陰極電子弧沉積法(CAD)、晶體管高壓電子束蒸發法( THVEE)、非平衡磁控濺射法(UMS)、離子束協助沉積法(IAD)和動力學離子束混合法(DIM)。其主要差別在于，沉積材料的汽化方法以及產生等離子體的方法不同，而使得成膜速度和膜層質量存在差異。

PVD技術主要應用于整體硬質合金刀具和高速工具鋼刀具的表面處理，已普遍應用于硬質合金鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。

和CVD法比較，PVD法有以下優點：

• 涂層溫度(300~500℃C)低于高速工具鋼回火溫度，故不會損害高速工具鋼刀具的硬度和尺寸精度，涂層后不再需要熱處理。
• 涂層有效厚度只有幾微米，故可保證刀具原有的精度，適于涂覆高精度刀具。
• 涂層的純度高，致密性好，涂層和基體的結合牢固，涂層性能不受基體材質影響。
• 涂層均勻，切削刃和圓弧處無增厚或倒圓現象，故復雜刀具也能獲得均勻涂層。
• 不會產生脫碳相，也無CVD法因氯的浸蝕和氫脆變形所引起的涂層易脆裂的情況，涂層刀片強度較高。
• 工作過程干凈，無污染，無公害。

目前，PVD技術不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結合強度，涂層成分也由單一涂層發展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、 TIAIN、 TiAICN、TiN-AIN、CN等多種多元復合涂層，且由于納米級涂層的出現，使得PVD涂層刀具質量又有了新的突破，這種薄膜涂層不僅結合強度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好,并可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度，在進行高精度加工時，其加工精度毫不遜色于未涂層刀具。

其他涂層方法：等離子體化學氣相沉積法（PVCD）、離子束輔助沉積技術（IBAD）、激光強化處理等，不一而足。

• 采用涂層技術可在不降低刀具強度的條件下，大幅度地提高刀具表面硬度，目前所能達到的硬度已接近100GPa；
• 隨著涂層技術的飛速發展，薄膜的化學穩定性及高溫抗氧化性更加突出，從而使高速切削加工成為可能；
• 潤滑薄膜具有良好的固相潤滑性能，可有效地改善加工質量，也適合于干式切削加工；
• 涂層技術作為刀具制造的最終工序，對刀具精度幾乎沒有影響，并可進行重復涂層工藝。