當(dāng)按照設(shè)計(jì)要求正確使用恰當(dāng)?shù)牡毒咄繉訒r(shí)，最終用戶就能達(dá)到提高切削參數(shù)、延長刀具壽命的目的，并有可能實(shí)現(xiàn)干式切削加工。

刀具涂層方法

      有兩種主要的刀具涂層方法：CVD（化學(xué)氣相沉積）法和PVD（物理氣相沉積）法。每種方法都有自身的優(yōu)勢和劣勢。

    CVD涂層是最早出現(xiàn)、也是最常見的涂層方法，已經(jīng)沿用多年。CVD法是在一個(gè)化學(xué)反應(yīng)容器內(nèi)加熱基體，并將基體暴露于氣流之中。這些氣體在被加熱的基體表面分解，形成一層涂層。一般而言，CVD涂層需要的溫度約為1,000℃左右。

    一種常見的CVD涂層是采用三種氣體——四氯化鈦（TiCl4）、氫氣（H2）和氮?dú)猓∟2）——來產(chǎn)生氮化鈦（TiN）+氯化氫（HCl）。HCl是該工藝的二次產(chǎn)物，必須按照嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)進(jìn)行處理。

    CVD法的優(yōu)勢包括極佳的涂層粘附性，以及涂層分布的均勻性。CVD法的缺點(diǎn)是：涂層時(shí)的高溫會(huì)對(duì)基體產(chǎn)生不利影響，適用的涂層材料不多（因?yàn)橥繉硬牧鲜且詺鈶B(tài)形式提供的），以及工藝循環(huán)時(shí)間長。

    PVD涂層是一種相對(duì)較新的刀具涂層方法，在刀具行業(yè)正變得日益流行。PVD法是在真空環(huán)境中，將涂層材料從材料源（靶材）經(jīng)過傳送空間轉(zhuǎn)移到基體上。該方法采用加熱或電源供能的方式，將涂層材料氣化，然后使氣化的材料附著在基體上。

      PVD法的優(yōu)勢是適用的涂層材料范圍較廣，工藝溫度相對(duì)較低（450℃左右），允許對(duì)鋒利的切削刃進(jìn)行涂層。該方法的缺點(diǎn)是：內(nèi)表面涂層比較困難（涂層時(shí)，要求從涂層材料到基體必須處在一條直線上），對(duì)基體表面要求較高。

主要的涂層工藝

      PVD法有兩種主要的工藝，可用于在不同的基體上進(jìn)行涂層：一種是電弧法（電弧放電）；另一種是濺射法（陰極濺射）。這兩種方法都有一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)：涂層爐比較容易建造。

      電弧法是通過電源的放電（很像是一道閃電）擊中涂層材料，并將這種材料由固體轉(zhuǎn)換為液體，再轉(zhuǎn)換為氣體狀態(tài)。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是沉積率高（相對(duì)于濺射法而言）。但是，由于涂層材料處于三種形態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)），因此有可能會(huì)產(chǎn)生一些液滴（微小的液體顆粒）。這些液滴不會(huì)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)。

      濺射法是采用一個(gè)加熱源，將固體涂層材料直接轉(zhuǎn)換為氣體狀態(tài)。由于涂層材料跳過了液化階段，因此不會(huì)產(chǎn)生液滴。但是，由于該工藝沉積率較低（相對(duì)于電弧法），因此生產(chǎn)周期較長。

硬質(zhì)材料涂層

      大部分硬質(zhì)材料（涂層也是一種硬質(zhì)材料）都是由一種金屬和一種非金屬構(gòu)成。例如，一些常見的硬質(zhì)涂層包括氮化鈦（TiN）、氮碳化鈦（TiCN）、氮鋁鈦（TiAlN）、氮鈦鋁（AlTiN）和氮鉻鋁（AlCrN）。元素周期表顯示了有可能成為候選涂層材料的金屬和非金屬元素。

      在涂層過程中，體積較小的非金屬元素——涂覆TiN時(shí)為氮（N）——嵌入到金屬鈦（Ti）的晶格空缺中。當(dāng)沉積TiCN時(shí)，則由碳（C）部分取代了一些氮（N）。按照同樣的原理，也可以確定沉積其他涂層所需要的金屬和非金屬元素。

    這是PVD工藝的優(yōu)勢之一。由于金屬材料在PVD涂層爐中為固態(tài)（而CVD工藝則需要引入氣態(tài)金屬），因此，幾乎任何金屬都可以用于PVD涂層。當(dāng)然，并不是所有金屬都對(duì)改善刀具性能有益，但它們都能用于涂層。

涂層的結(jié)構(gòu)

      經(jīng)過多年的發(fā)展，涂層的結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了許多變化，有了很大的改進(jìn)。在涂層技術(shù)中，通常有以下五種不同的結(jié)構(gòu)：

    （1）單層結(jié)構(gòu)

    顧名思義，這種結(jié)構(gòu)只有一層涂層。當(dāng)我們在顯微鏡下觀察這種結(jié)構(gòu)時(shí)，可以看見一些長柱形涂層結(jié)構(gòu)。這種涂層很容易涂覆，但也很容易產(chǎn)生裂紋和破損。想象一下，當(dāng)一個(gè)球擊中一束柱體時(shí)，這些柱體就會(huì)開始倒下，而裂紋輕易就能貫穿涂層，到達(dá)基體。

    （2）多層結(jié)構(gòu)

    多層結(jié)構(gòu)是由許多不同的單層結(jié)構(gòu)彼此重疊在一起構(gòu)成的。表面花紋鋼就是歷史上此類結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。多層結(jié)構(gòu)涂層可將幾種涂層材料的特性結(jié)合在一起，形成韌性與硬度俱佳的表面。

    （3）納米多層結(jié)構(gòu)

    納米多層結(jié)構(gòu)與多層結(jié)構(gòu)本質(zhì)上相同，但其層厚卻要薄得多：涂層厚度僅為原子級(jí)水平。

    （4）納米復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)

    納米復(fù)合涂層采用了與硬質(zhì)合金刀具類似的技術(shù)。這種納米結(jié)構(gòu)將粘結(jié)相（例如硬質(zhì)合金中的鈷）的韌性與納米復(fù)合涂層的硬度結(jié)合在一起。

  （5）梯度結(jié)構(gòu)

    該結(jié)構(gòu)的涂層性能具有漸變性：涂層中心部分較軟而富有彈性，而在靠近表層時(shí)則變得堅(jiān)硬而耐磨。

涂層的質(zhì)量控制與檢驗(yàn)

    在對(duì)刀具進(jìn)行涂層后，制造商需要對(duì)涂層本身進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。通常，這種質(zhì)量檢驗(yàn)過程和程序包括以下四個(gè)方面：

    （1）涂層厚度檢測

    檢測涂層厚度主要有兩種方法：球頭砂輪磨削檢測法和X射線熒光輻射檢測法。

    球頭砂輪磨削檢測是用一個(gè)很小的金剛石砂輪（球）磨除涂層，直至露出下面的基體。然后，通過用顯微鏡觀測磨除區(qū)域，就可以利用公式(X×Y)/球頭直徑測算出涂層厚度（式中，X為從上向下觀測到的涂層寬度，Y為基體+涂層寬度）。目標(biāo)是將測得的涂層厚度值范圍控制在制造商的技術(shù)規(guī)定以內(nèi)。

    X射線熒光輻射檢測可能是一種更準(zhǔn)確的檢測方法。測量原理是：涂層和基體材料都能產(chǎn)生X射線熒光輻射，但涂層會(huì)使基體的輻射強(qiáng)度減弱。通過二次輻射量測出基體輻射減弱的程度，即可確定涂層厚度。檢測涂層厚度的首選方法是球頭砂輪磨削檢測法，因?yàn)樗容^直觀，而且更容易實(shí)施。

    （2）涂層粘附性檢測

    一旦涂層厚度合格，下一步就需要檢查涂層的粘附性，這可能是一項(xiàng)主觀性最強(qiáng)的質(zhì)量控制檢測。檢測方法主要包括洛氏壓痕法和劃痕試驗(yàn)法兩種。

    顧名思義，洛氏壓痕法就是用一個(gè)硬質(zhì)球，以設(shè)定的力在涂層基體表面上向下施壓。涂層基體受壓后產(chǎn)生裂紋，檢測人員通過一臺(tái)顯微鏡，對(duì)壓痕點(diǎn)的裂紋進(jìn)行觀測，并評(píng)估裂紋的數(shù)量和開裂程度。根據(jù)制造商提出的具體標(biāo)準(zhǔn)，檢測人員可以確定這些裂紋是否在可接受的合格范圍內(nèi)。盡管這種檢測方法看起來很簡單，但涂層厚度也會(huì)影響裂紋的數(shù)量和開裂程度，因此，允許較厚的涂層比較薄的涂層產(chǎn)生更多的裂紋。

    劃痕試驗(yàn)法要更直接一些。在劃痕試驗(yàn)中，檢測人員對(duì)一個(gè)在涂層刀具上移動(dòng)的壓頭施加逐漸加大的載荷。當(dāng)達(dá)到臨界載荷Lc時(shí)，涂層開始出現(xiàn)裂紋。在該點(diǎn)測量壓頭移動(dòng)的距離，如果該距離足夠長，則表明該涂層的粘附性合格。

    （3）涂層結(jié)構(gòu)檢測

    如果涂層的厚度符合要求，粘附性也合格，下一步就需要檢測涂層的結(jié)構(gòu)，其檢測方法與確定涂層厚度的球頭砂輪磨削法基本相同：用相同的球頭砂輪磨除涂層，并在顯微鏡下進(jìn)行觀測，就可以看到并確認(rèn)前面提到的不同涂層結(jié)構(gòu)。

    （4）涂層成分與分布檢測

    最后一項(xiàng)質(zhì)量控制檢測是涂層的成分與分布。這項(xiàng)檢測需要采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線技術(shù)（EDX）。SEM具有極高的圖像放大率（高達(dá)20萬倍）和高分辨率，與EDX分析相結(jié)合，就能確定涂層材料成分以及在一個(gè)很小（可小至2納米）截面上材料的分布量。

自行涂層與外包涂層

    生產(chǎn)刀具產(chǎn)品涂層還有一個(gè)需要仔細(xì)權(quán)衡的問題：在哪里涂層？與將涂層工作外包相比，在廠內(nèi)自行涂層具有很大優(yōu)勢；但是，這樣做需要投入大量資金購置涂層設(shè)備。

    自行涂層在物流、加工時(shí)間和產(chǎn)品質(zhì)量上都更具優(yōu)勢。在物流上，刀具制造商不必對(duì)需要涂層的產(chǎn)品進(jìn)行包裝，也不需要發(fā)貨運(yùn)輸，通常，這樣至少可以節(jié)約2個(gè)工作日的時(shí)間。不僅可以縮短加工時(shí)間，而且還有一個(gè)額外的好處——能夠?qū)ιa(chǎn)中遇到的瓶頸問題及時(shí)做出反應(yīng)，并提供24小時(shí)以內(nèi)的上門服務(wù)。

    另一個(gè)優(yōu)勢是可以確保涂層質(zhì)量。在廠內(nèi)自行涂層的刀具制造商有能力對(duì)被涂產(chǎn)品進(jìn)行特定的裝架配置和涂前預(yù)處理。他們無需將多種產(chǎn)品混合涂層，有能力確保涂層批次的一致性。因此，廠內(nèi)自行涂層時(shí)，產(chǎn)品公差范圍可以進(jìn)一步縮小。

    外部涂層服務(wù)商可能會(huì)在一個(gè)涂層爐內(nèi)同時(shí)涂覆多種類型的產(chǎn)品，他們生產(chǎn)的涂層厚度總的公差帶可能為2－4μm。批次一致性更好的廠內(nèi)涂層的公差帶則可以達(dá)到名義厚度的±20％。如果涂層的名義厚度為2μm，涂層總的公差則為0.8μm。涂層厚度的分布規(guī)律類似于鐘形曲線，因此，有81％的產(chǎn)品其總的厚度公差為0.4μm。

    為了發(fā)展刀具涂層，人們投入了許多時(shí)間、精力、科學(xué)知識(shí)和創(chuàng)新思維。刀具制造商的目標(biāo)是提供優(yōu)質(zhì)刀具，幫助用戶更快速、更精確的生產(chǎn)自己的零部件。我們希望，提供的這些有關(guān)刀具涂層生產(chǎn)工藝的基本知識(shí)能夠提醒人們，在這些漂亮的金色刀片背后，隱藏著一些復(fù)雜而精密的技術(shù)。