高速钢涂层刀具

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涂层刀具使用的效果与涂层方法、涂层材料、涂前刀具的处理以及刀具的合理使用等有关。

一、涂层方法

目前生产上涂层有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)、盐浴浸镀、等离子喷涂、热解沉积涂层及化学涂敷等方法，其中以PVD 和CVD应用最为广泛。前者沉积温度500℃左右，涂层厚度为2～5μm；后者沉积温度800～1000℃，涂层厚度可达5～10μm，并且设备简单，涂层均匀。但在高速钢涂层刀具上一般采用PVD法。这是因为CVD法沉积的温度已超过了高速钢本身的回火温度（560℃），因此刀具经过CVD处理后硬度将会降低，必须重新淬硬处理，从而影响刀具的精度；同时经过CVD高温处理后刀具基体易被化学腐蚀，涂层组织晶粒变粗，而使刀具强度下降，抗冲击性能变差；此外，CVD处理过程中还会产生有毒HCl气体，污染周围环境。而PVD法的沉积温度低于高速钢回火温度，可使预先经过热处理的高速钢刀具的机械性能不受影响，同时可避免刀具变形，此外处理过程中一般不产生有毒气体污染环境。据报道，近年来，国外已研制出一种兼有CVD法的低温和PVD法的PCVD法，即物理与化学气相沉积相结合的新方法。我国从1985年起，上海工具刃具厂、哈尔滨工具刃具厂以先后从瑞士、美国和日本引进了涂层设备，为我国全面推广涂层刀具创造了条件。

二、涂层材料

高速钢刀具常用的涂层材料有TiN和TiC。TiC的硬度较高（可达HV3200左右，抗磨损性能好，适用于涂覆产生剧烈磨损的刀具；但它性脆，膜层内部的内聚力相对较低，并且在300℃的低温下就会开始分解。TiN的硬度（可达HV2000，相当于HRC80～85）虽比TiC低，但它的化学稳定性好，与金属的亲和力小，摩擦系数低，性好，在空气中抗氧化性能比TiC好，刃口无倒圆，切削时可大大减少刀具的摩擦和磨损，防止黏结与冷焊，并且涂层呈金黄色、外观好，因而是一种较理想的涂层材料。例如，江苏某机械制造厂在48×39.5×8和60×50.5×10两把高速钢花键滚刀上采用TiN涂层后，其耐用度比未涂前的滚刀提高了5～7倍。上海工具刃具厂使用TiN涂层后的高速钢拉刀耐用度可比未涂层的拉刀提高5～10倍，而且加工出孔的表面粗糙度值也较小。成都工具研究所对高速钢涂层刀具作断续冲击切削实验，结果表明其寿命比未涂层刀具提高3～5倍。因此涂层刀具不但适用于连续切削加工的刀具上，也适用与铣刀、插齿刀等断续切削工作的刀具上。但应指出，TiN涂层刀具一般不适用来加工钛合金材料，否则涂层与工件材料之间会产生化学反应，从而影响使用效果。除上述涂层材料外，还可采用钒、钽、铬、钼和钨等元素。涂层除可采用单涂层外，也可采用双涂层或多涂层。如用W6Mo5Co5高速钢作的直径￠9mm的麻花钻，在切削速度v=14～40m/min和进给量f=0.28mm/r时钻削40Cr钢，实验结果见表1。

由上可知，采用TiN涂层的钻头能比无涂层钻头的耐磨性提高0.5倍，而涂以Cr+TiN和Mo+TiN的钻头可分别比无涂层钻头的耐磨性提高1倍和2.5倍。据报道，国外已有采用10层或更多层的钛、铬及其氮化物构成的复合涂层，每层厚度也越来越薄，效果则越来越好。

三、 影响高速钢涂层刀具使用效果的因素

高速钢涂层刀具的使用效果与涂前刀具的表面特性、涂层设备和涂层工艺、刀具基体材料、被加工工件材料、刀具几何角度和加工时使用的切削用量有关。

1.涂前刀具的表面特性

为使涂层刀具得到符合技术要求的表面质量，刀具的机械加工必须满足涂层工艺的要求。被涂表面应是光亮的磨光面，不应有退火烧伤等缺陷，并应去磁性；要求在刀具的所有工作表面或刃口上无毛刺，因为毛刺的崩落会导致涂层的剥落；刀具基体上的表面粗糙度应达到：成型刀具Ra≤0.4μm，切削刀具Ra≤0.2μm；此外，刀具表面的清洗质量也十分重要，因为TiN涂层不能与铁锈、油污和有磨粒的基体有效结合。如果清洗不干净，使基体表面含有水或微量的油、脂等杂质，将会导致涂层的脱落或虽未脱落却含有较多杂质而破坏涂层膜的力学性能。因此，刀具切削后的脱水非常重要。目前生产上一般用酒精、丙酮等作脱水剂是不够的，应选用高效的，加有脱水剂的有机剂做最后清洗剂，才能保证清洗的效果。

2.涂层质量

涂层质量很大程度上取决于涂层设备和涂层工艺。

3.刀具基体材料和被加工工件的材料

用PVD法涂覆TiN涂层，它既可用与W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2通用型高速钢上，也可用于含Co的超硬高速钢和粉末冶金高速钢上。由于粉末冶金基体均匀，使用效果更好。刀具的基体硬度应在HRC65之间，须根据不同的加工要求选用。例如加工钛合金时，可选用含Co高速钢作为刀具的基体材料，加工齿轮时，应选用韧性较好的W6Mo5Cr4V2高速钢作为刀具的基体材料。被加工工件的材料的硬度及其切削加工性，对于涂层刀具的使用效果具有一定的影响。实验证明，被加工工件的材料的硬度越高，则涂层刀具的效果越好。因此高速钢涂层刀具特别适用与加工不锈钢、钛合金和耐磨合金等难加工材料。

4.刀具的几何角度

涂层刀具合理的几何角度，主要取决于刀具的工作条件。实验证明，当与未涂层刀具以相同的切削速度和进给量工作时，涂层刀具切出的切屑形状由于摩擦减少而经常变化，此时必须适当改变刀具的几何角度才能使切屑易于形成；但当以更高的切削速度和进给量工作时，随着切削温度的增加，切出的切屑形状即可恢复到原来的形状。

5.切削用量和切削液

为了充分发挥涂层刀具的性能，必须正确选用切削用量和切削液。涂层刀具由于耐热性好，抗月牙洼磨损能力强，故可采用较大进给量和切削速度工作，但首先应选取较大进给量。通常涂层高速钢刀具采用的进给量比未涂层刀具提高10%～100%，提高20%～30%的切削速度是合适的。为了提高工效，涂层硬质合金刀具也可采用比未涂层刀具高25%～70%的切削速度进行切削。目前，用涂层硬质合金通用刀具加工中碳结构钢时的切削速度，立铣刀可达100～150m/min，钻头可达80～100m/min；丝锥加工铸铁为20～40m/min。 实践证明，使用20号机械油加10%煤油冷却时，可使涂层高速钢镗刀的寿命提高1～2倍。TiN涂层高速钢滚刀加工20CrMnTi(197HBS)钢制斜齿圆柱齿轮(模数m=5)时，使用20号机械油和煤油混合，刀具寿命可提高5倍左右，即使重磨后也可提高2～3倍，干切时寿命仅提高1倍。 涂层刀具使用时还要求机床的精度好、刚性高和振动小，刀具或刀片的夹持也应牢固。

四、涂层刀具的刃磨和重涂

涂层刀具磨损后只要磨去极少量的一层材料，便可获得锋利的刃口。实验证明，在刃磨铰刀和麻花钻等涂层刀具后刀面时，只要在毗邻切削刃的前刀面上或钻头螺旋出屑槽上的涂层未受损伤，刀具耐磨性即可增加。重新刃磨后的涂层刀具，其耐用度通常可达到原来涂层刀具耐用度的70%左右或更长，仍比未涂层刀具的耐用度要高。刃磨高速钢涂层刀具所用的砂轮，采用金刚石砂轮与刚玉砂轮比较，优越性并不明显，因为金刚石砂轮中的碳原子会向钢中扩散，而用立方氮化硼砂轮磨削时则有较好的效果。刃磨时必须十分注意，不能磨退火，刀具的磨损处应全部磨去，涂层不能剥落。

使用涂层刀具的另一个重要问题是重磨后切削性能恢复的问题，即刀具在每次刃磨（开口）后可否再进行重复涂层的问题。表2列出了高速钢涂层齿轮滚刀和插齿刀重磨前刀面后再进行重涂后的刀具耐磨性实验结果见表2。

由表2可知，每把滚刀和插齿刀可加工的齿轮数，重复涂层的比只涂层一次的高400%～900%，比无涂层的高 1500%～2000%。研究表明，这是由于重复涂层后可使刀齿前刀面刃磨掉的涂层重新获得新的涂层膜，而在刀齿后刀面上每次使用后所产生的微量磨损又可得到及时补偿。人们普遍认为刀具经过多次重复涂层后，涂层膜的厚度将会累积增加，而使刀具尺寸超差。然而实验证明，在上述齿轮滚刀和插齿刀的重复镀层面上，膜层厚度没有明显增加，而用多次重涂后的刀具加工出的齿轮仍能达到图样上规定的公差要求。据报道，滚刀经过17次重复涂层后刀齿后刀面涂层膜的累积总厚度也只有5～6μm，而且涂层膜在刀具表面上是均匀的，新涂上去的膜层与原膜层形成冶金结合，两者没有可辨别的界层，也无明显的空穴。此外，用多次重涂后的滚刀和插齿刀切削出的齿轮从传动来看，也证明重复涂层没有什么问题。还应指出，重复涂层对其他刀具如麻花钻、铰刀和立铣刀等也同样有效。

（作者单位：湖南化工职业技术学院）

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