刀具塗層的作用 材料與方法

    慧聰表面處理網訊：刀具塗層的作用：

    1.加耐磨性；

    2.提高抗氧化性能；

    3.減小摩擦；

    4.提高抗金屬疲勞性能；

    5.增加抗熱衝擊性。

    當按照設計要求正確使用恰當的刀具塗層時，最終用戶就能達到提高切削參數、延長使用刀具壽命的目的，並有可能實現乾式切削加工。

    刀具塗層方法

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

    CVD塗層是早期出現、也是常見的塗層方法，已經沿用多年。CVD法是在一個化學反應容器內加熱基體，並將基體暴露於氣流之中。這些氣體在被加熱的基體表面分解，形成一層塗層。一般而言，CVD塗層需要的溫度約為1，000℃左右。

    一種常見的CVD塗層是採用三種氣體——(TiCl4)、氫氣(H2)和氮氣(N2)——來產生氮化鈦(TiN)+氯化氫(HCl)。HCl是該工藝的二次產物，必須按照嚴格的環保法規進行處理。

    CVD法的優勢包括良好的塗層粘附性，以及塗層分布的均勻性。CVD法的缺點是：塗層時的高溫會對基體產生不利影響，適用的塗層材料不多(因為塗層材料是以氣態形式提供的)，以及工藝循環時間長。

    PVD塗層是一種相對較新的刀具塗層方法，在刀具行業正變得日益流行。PVD法是在真空環境中，將塗層材料從材料源(靶材)經過傳送空間轉移到基體上。該方法採用加熱或電源供能的方式，將塗層材料氣化，然後使氣化的材料附著在基體上。

    PVD法的優勢是適用的塗層材料範圍較廣，工藝溫度相對較低(450℃左右)，允許對鋒利的切削刃進行塗層。該方法的缺點是：內表面塗層比較困難(塗層時，要求從塗層材料到基體必須處在一條直線上)，對基體表面要求較高。

    主要的塗層工藝

    PVD法有兩種主要的工藝，可用於在不同的基體上進行塗層：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額外的優點：塗層爐比較容易建造。

    電弧法是通過電源的放電(很像是一道閃電)擊中塗層材料，並將這種材料由固體轉換為液體，再轉換為氣體狀態。該工藝的優點是沉積率高(相對於濺射法而言)。但是，由於塗層材料處於三種形態(固態、液態和氣態)，因此有可能會產生一些液滴(微小的液體顆粒)。這些液滴不會轉換為氣態。

    濺射法是採用一個加熱源，將固體塗層材料直接轉換為氣體狀態。由於塗層材料跳過了液化階段，因此不會產生液滴。但是，由於該工藝沉積率較低(相對於電弧法)，因此生產周期較長。

    硬質材料塗層

    大部分硬質材料(塗層也是一種硬質材料)都是由一種金屬和一種非金屬構成。例如，一些常見的硬質塗層包括氮化鈦(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塗層材料的金屬和非金屬元素。

    在塗層過程中，體積較小的非金屬元素——塗覆TiN時為氮(N)——嵌入到金屬鈦(Ti)的晶格空缺中。當沉積TiCN時，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塗層所需要的金屬和非金屬元素。

    這是PVD工藝的優勢之一。由於金屬材料在PVD塗層爐中為固態(而CVD工藝則需要引入氣態金屬)，因此，幾乎任何金屬都可以用於PVD塗層。當然，並不是所有金屬都對改善刀具性能有益，但它們都能用於塗層。

    塗層的結構

    經過多年的發展，塗層的結構已經發生了許多變化，有了很大的改進。在塗層技術中，通常有以下五種不同的結構：

    (1)單層結構

    顧名思義，這種結構只有一層塗層。當我們在顯微鏡下觀察這種結構時，可以看見一些長柱形塗層結構。這種塗層很容易塗覆，但也很容易產生裂紋和破損。想像一下，當一個球擊中一束柱體時，這些柱體就會開始倒下，而裂紋輕易就能貫穿塗層，到達基體。

    (2)多層結構

    多層結構是由許多不同的單層結構彼此重疊在一起構成的。表面花紋鋼就是歷史上此類結構的一個例子。多層結構塗層可將幾種塗層材料的特性結合在一起，形成韌性與硬度俱佳的表面。

    (3)納米多層結構

    納米多層結構與多層結構本質上相同，但其層厚卻要薄得多：塗層厚度僅為原子級水平。

    (4)納米複合塗層結構

    納米複合塗層採用了與硬質合金刀具類似的技術。這種納米結構將粘結相(例如硬質合金中的鈷)的韌性與納米複合塗層的硬度結合在一起。

    (5)梯度結構

    該結構的塗層性能具有漸變性：塗層中心部分較軟而富有彈性，而在靠近表層時則變得堅硬而耐磨。

    塗層的質量控制與檢驗

    在對刀具進行塗層後，製造商需要對塗層本身進行質量檢驗。通常，這種質量檢驗過程和程序包括以下四個方面：

    (1)塗層厚度檢測

    檢測塗層厚度主要有兩種方法：球頭砂輪磨削檢測法和X射線螢光輻射檢測法。

    球頭砂輪磨削檢測是用一個很小的金剛石砂輪(球)磨除塗層，直至露出下面的基體。然後，通過用顯微鏡觀測磨除區域，就可以利用公式(X×Y)/球頭直徑測算出塗層厚度(式中，X為從上向下觀測到的塗層寬度，Y為基體+塗層寬度)。目標是將測得的塗層厚度值範圍控制在製造商的技術規定以內。

    X射線螢光輻射檢測可能是一種更準確的檢測方法。測量原理是：塗層和基體材料都能產生X射線螢光輻射，但塗層會使基體的輻射強度減弱。通過二次輻射量測出基體輻射減弱的程度，即可確定塗層厚度。檢測塗層厚度的方法是球頭砂輪磨削檢測法，因為它比較直觀，而且更容易實施。

    (2)塗層粘附性檢測

    一旦塗層厚度合格，下一步就需要檢查塗層的粘附性，這可能是一項主觀性較強的質量控制檢測。檢測方法主要包括洛氏壓痕法和劃痕試驗法兩種。

    顧名思義，洛氏壓痕法就是用一個硬質球，以設定的力在塗層基體表面上向下施壓。塗層基體受壓後產生裂紋，檢測人員通過一臺顯微鏡，對壓痕點的裂紋進行觀測，並評估裂紋的數量和開裂程度。根據製造商提出的具體標準，檢測人員可以確定這些裂紋是否在可接受的合格範圍內。儘管這種檢測方法看起來很簡單，但塗層厚度也會影響裂紋的數量和開裂程度，因此，允許較厚的塗層比較薄的塗層產生更多的裂紋。

    劃痕試驗法要更直接一些。在劃痕試驗中，檢測人員對一個在塗層刀具上移動的壓頭施加逐漸加大的載荷。當達到臨界載荷Lc時，塗層開始出現裂紋。在該點測量壓頭移動的距離，如果該距離足夠長，則表明該塗層的粘附性合格。

    (3)塗層結構檢測

    如果塗層的厚度符合要求，粘附性也合格，下一步就需要檢測塗層的結構，其檢測方法與確定塗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塗層，並在顯微鏡下進行觀測，就可以看到並確認前面提到的不同塗層結構。

    (4)塗層成分與分布檢測

    最後一項質量控制檢測是塗層的成分與分布。這項檢測需要採用掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線技術(EDX)。SEM具有極高的圖像放大率(高達20萬倍)和高解析度，與EDX分析相結合，就能確定塗層材料成分以及在一個很小(可小至2納米)截面上材料的分布量。

    自行塗層與外包塗層

    生產刀具塗層還有一個需要仔細權衡的問題：在哪裡塗層?與將塗層工作外包相比，在廠內自行塗層具有很大優勢；但是，這樣做需要投入大量資金購置塗層設備。

    自行塗層在物流、加工時間和產品質量上都更具優勢。在物流上，刀具製造商不必對需要塗層的產品進行包裝，也不需要發貨運輸，通常，這樣至少可以節約2個工作日的時間。不僅可以縮短加工時間，而且還有一個額外的好處——能夠對生產中遇到的瓶頸問題及時做出反應，並提供24小時以內的上門服務。

    另一個優勢是可以確保塗層質量。在廠內自行塗層的刀具製造商有能力對被塗產品進行特定的裝架配置和塗前預處理。他們無需將多種產品混合塗層，有能力確保塗層批次的一致性。因此，廠內自行塗層時，產品公差範圍可以進一步縮小。

    外部塗層服務商可能會在一個塗層爐內同時塗覆多種類型的產品，他們生產的塗層厚度總的公差帶可能為2-4μm。批次一致性更好的廠內塗層的公差帶則可以達到名義厚度的±20%。如果塗層的名義厚度為2μm，塗層總的公差則為0.8μm。塗層厚度的分布規律類似於鐘形曲線，因此，有81%的產品其總的厚度公差為0.4μm。

    為了發展刀具塗層，人們投入了許多時間、精力、科學知識和創新思維。刀具製造商的目標是提供優質刀具，幫助用戶更快速、更精確的生產自己的零部件。我們希望，提供的這些有關刀具塗層生產工藝的基本知識能夠提醒人們，在這些漂亮的金色刀片背後，隱藏著一些複雜而精密的技術。

責任編輯：李翔1