工具涂层无处不在。变化令人眼花缭乱。而且，我们正处于美国技术的转折点。因此，无论您是工具用户还是工具制造商，现在都是深入探讨这个话题的好时机。
Walter 的新 Tiger·tec Gold 嵌件功能TiAlN CVD 涂层。极其光滑且与硬质合金具有出色的结合力，可将刀具寿命延长 75% 或更多。 （由 Walter 提供）化学气相沉积 (CVD) 是第一种广泛使用的切削刀具涂层技术，至今仍有其应用。正如总部位于纽约州霍斯黑兹的涂层服务提供商和涂层设备制造商 CemeCon 的总裁 Gary Lake 所解释的那样，该工艺在高压和高温下在加热的坩埚中蒸发金属，并与气流结合，沉积该金属材料在切削工具上，分解形成涂层。这种方法会产生相对较厚的工具涂层，并具有出色的附着力，但有几个明显的缺点。
首先，产生必要的化学反应通常需要将工具基材加热到 800°C (1,472°F) 以上，这限制了可以涂层的硬质合金牌号的选择。反过来，这意味着在大多数情况下只能对可转位刀片进行涂层处理，而圆形硬质合金刀具则不能。可以使用 CVD 沉积的材料也仅限于氧化铝 (Al2O3)、碳化钛、氮化钛及其组合（TiC、TiN 和 TiCN）以及（最近才推出的）氮化铝钛 (AlTiN)。这是因为前体气体的可用性有限。 Lake补充说，涂层过程中基材的热膨胀差异会导致涂层在冷却过程中产生一定程度的拉应力，从而导致裂纹
此外，Lake 指出，该过程的副产品是“必须净化的有毒氯气”。仅这一事实就导致许多公司远离 CVD，包括位于田纳西州富兰克林的刀具制造商 Horn USA。另一方面，虽然 Horn 在其产品线中使用的 CVD 非常少，但培训和技术专家 Edwin Tonne 表示它“仍然具有相关性，因为由于其相对于物理气相沉积具有出色的附着力，并且能够在切屑产生大量扩散磨损和大量热量的情况下应用非常厚的层。我认为 CVD 不会很快消失。”然而，他补充说，对于需要锋利切削刃的应用来说，这不是一个好的选择，因为“在 CVD 工艺中，涂层会缠绕在边缘周围，可能会使它变钝。”
CemeCon 的“掺硅”InoxaCon 涂层与之前应用于钛和镍基合金等难切削材料的涂层相比，性能提高了 20-50%。（由 CemeCon 提供）由于所有这些原因，物理气相沉积 (PVD) 已经取代了大多数工具，因此 Lake 估计如今只有 30% 的工具涂有 CVD。他补充说，其中大部分是“α 形式”氧化铝，在大约 800°C [1,472°F] 形成，是一种非常有用的产品，可用于加工许多不同的材料。”
其中主要是钢和铸铁。一个例外是新的威斯康星州沃克夏市 Walter USA 的 Tiger·tec Gold 刀片。Walter 使用它所描述的“创新超低压”CVD 工艺，为 WKP35G 铣削级硬质合金涂上特殊的氮化钛铝 (TiAlN)。产品经理 Sarang Garud 报道这种组合是“a s与通常用于铣削的中温 TiCN 氧化铝 CVD 涂层相比有显着改进。
“该工艺产生了极其光滑的涂层表面，减少了摩擦，并且与保持更高韧性的碳化物基体具有出色的层附着力， “ 他说。 “这大大提高了刀具寿命，有时比现有的优化工艺提高了 75% 以上。”除了这些例子之外，还有另一个 CVD 技术真正大放异彩的领域：金刚石。
航空工程师最好的朋友
事实证明，您可以使用CVD工艺不产生传统金属工艺的毒素。正如 CemeCon 的 Lake 解释的那样，它是 CVD，因为它使用热量来激发化学反应，但你是在“裂解甲烷和氢气以沉积纯金刚石薄膜”。涂覆碳化钨所需的温度通常为低于碳化物的烧结温度，消除了这个问题，“尽管它们高于大多数硬化钢的烧结温度。”这些工具的显微硬度高达 10,000 维氏硬度，非常耐磨。这一点，以及金刚石具有出色导热性的事实，解释了为什么最大的市场是在航空航天市场切割碳纤维增强塑料 (CFRP) 和玻璃纤维增强塑料 (GFRP)。 Lake 说，用于模具制造的切割石墨可能是第二大应用，金刚石涂层工具也可用于切割磨蚀性铝合金和陶瓷。
具有标准 PVD 涂层（顶部）与 HiPIMS PVD 涂层（中心）的瓦尔特刀片.较低的液滴形成会在刀片表面产生光滑的光洁度，从而导致较低的 BUE。底部图像比较 HiPIMS PVD c漂浮在人的头发表面。 （由 Walter 提供）金刚石涂层可以通过等离子沉积或热丝法生产，后者是 CemeCon 20 多年前开发的。从那以后，它继续创造具有金刚石单层的产品，其中均匀尺寸的晶体填充整个层，并获得专利的多层技术“交替不同的晶体尺寸以使其更坚固且孔隙更少，就像胶合板一样，”正如 Lake 所说。
CemeCon 还可以调整涂层中晶体的大小以适应应用。例如，其 AeroSpeed 涂层含有大量纳米晶金刚石，使其极其光滑，切割更顺畅，Lake 说。这是因为重点是工件的光洁度，而不是耐磨性。
“但纳米晶体不具有与较大晶体相同的功能耐磨性，”他解释道。所以 CemeCon MultiSpeed 和 FiberSpeed 产品已经具有更大晶体的更厚涂层，以便为重点应用提供更好的耐磨性。不过，根据 CemeCon 的说法，它们都很棒。在一项研究中，涂有
AeroSpeed 的 5.6 毫米/12.55 毫米硬质合金沉头钻在 CFRP 上钻了 980 个孔，而未涂层的埋头钻则钻了 100 个孔。
更多的涂层选项
如上所述，PVD 现在是金属涂层的首选方法，与 CVD 相比，它提供了更广泛的材料和厚度选择，而且化学成分更安全。目前的每一种工艺都使用能源来蒸发目标中的金属，将它们与气体结合，并将它们驱动到切削工具的表面。由于 PVD 通常在 600°C (1,112°F) 以下运行，它可以沉积在所有硬质合金等级上，使该技术适用于整体圆形刀具。在许多情况下，甚至可以在低于 500°C (932°F) 的温度下生产涂层，从而实现高速钢工具的 PVD 涂层。
此外，亚稳态涂层如这种方法可以生产氮化铝铬 (AlCrN) 和氮化钛硅 (TiSiN) 等纳米复合涂层。 PVD 的另一个重要优势是可以在涂层中引入、控制和设计压缩应力，这对许多切削应用都是有益的，尤其是对于断续切削。
具有标准 PVD 涂层的喇叭插入件的高倍放大图像.Lake 和其他人报告说，基于 AlCrN 的涂层可以提高硬度和抗氧化性，从而提高切削性能。另据报道，对于某些特定应用，与钒、铬、硼、碳或氧形成合金可能会提高性能，因为它具有更好的摩擦学和机械性能以及增强的抗氧化性和高温稳定性。最后，PVD al因此可以用陶瓷涂层工具。
根据 Lake 的说法，阴极电弧工艺可能是当今最常见的 PVD 技术。他说：“你实际上是在一个目标的表面上打出一个电弧，它会随机运行，并且在它产生蒸汽和一些熔融颗粒的同时，因为有一个液相与这个过程相关。”阴极电弧的沉积速率为 1.2-1.5 µm/hr，是一种相对较快的方法，但部分液滴可能会到达工具表面。第二种主流方法，也是 CemeCon 的核心技术，是溅射，它利用热能将金属直接转化为气体。正如 Lake 所说，“天气好的时候”沉积速率为 0.8-0.9 µm/hr，但表面质量和涂层控制得到改善。
HiPIMS PVD 涂层。 （临由 Horn 提供）这种区别对于某些应用来说可能至关重要，例如立铣刀等实心圆形工具。 “3 µm 的标称涂层是最常见的，”Lake 说。 “对于保持锋利切削刃有利的材料，1.5-2.5 µm 或标称 2 µm 的涂层厚度是可取的。使用溅射工艺相对容易做到这一点，但电弧工艺会创建一个优先在锋利边缘沉积涂层的区域。”
来自伊利诺伊州霍夫曼庄园的 BIG Kaiser Precision Tooling Inc. 的 Sphinx 微型工具是另一个很好的例子。产品经理 Cory Cetkovic 说，在其目录中的大约 6,000 个零件中，90% 的直径小于 3 毫米，它们为直径小至 0.2 毫米的标准工具和甚至更小的特殊工具涂上涂层。因此，只有精密的 PVD 涂层才能“保持锋利的切削刃，降低切削力，并做好断屑工作，”他说。
Cetkovic 补充说，BIG Kaiser 正在使用一种有趣的双层概念，它结合了两种不同涂层的性能优势。 “例如，在微型立铣刀中，我们在铝铬硅纳米复合材料的基础层上取得了很大的成功，它具有极强的耐热性和耐刮擦性，涂层温度低，摩擦系数相对较低(0.3-0.4)，显微硬度高，在 4,000 维氏范围内。一旦我们有了这种坚硬、坚韧的涂层，我们就会涂上一层摩擦系数小于 0.1 的低温钼基涂层。这改善了切屑流动和所得孔的表面光洁度，还减少了刀具磨损。我们采用了两种本质上完全相反的涂层，并将它们分层以获得两者的好处。”
Sphinx 微钻中的一个类似示例使用氮化铝钛铬 (AlTiCrN) 基层，一种高韧性高硬度现代涂层套装能够加工不锈钢、硬化钢和高温合金。在这两个示例中，两层的总厚度为 3-7 µm（每层 1-4 µm），具体取决于工具直径和应用。总厚度的公差为 2-3 µm。
应用多层还可以抑制微裂纹的形成和扩展，否则在某些应用中可能会发生这种情况。与多层金刚石涂层的情况一样，PVD 涂层层之间的界面可以帮助偏转裂纹。 CemeCon 的 Lake 说，这减少了裂纹的穿透深度并显着延长了刀具寿命。甚至像 TiAlN 和 AlCrN 这样成熟的涂层也得到了改进，趋势是增加涂层中的铝含量以提高耐磨性。
PVD 技术中的高能量
高功率脉冲磁控溅射 (HiPIMS) 被广泛认为是近年来最令人兴奋的镀膜进步。你可以说这是 ju这是在 PVD 中产生气相的另一种方法。但 Lake 将 HiPIMS 称为“可能是我从业 30 年来看到的行业中唯一的创新变革。”它不仅使用与阴极电弧和传统溅射不同的能源，而且提供比原始溅射技术高得多的能量。结果是蒸汽的金属部分几乎 100% 电离，Lake 解释说，而“阴极电弧电离约 70%，传统溅射电离约 5% 至 10%。高水平的电离提供了改进的结构和使用极性来提高涂层附着力的方法。”由此产生的好处是涂层更坚固、更光滑。在 CemeCon 的专利方法中，HiPIMS 还提供 2 µm/hr 的沉积速率，比阴极电弧工艺快大约 33%。
CemeCon 的 MultiSpeed 涂层放大 5,000 倍，显示金刚石晶体和纳米晶体层。它强度高，孔隙率低，深度仅为 5 µm （因此该工具保持锋利），使其成为 CFRP 应用的理想选择。（由 CemeCon 提供）那么缺点是什么？为什么 HiPIMS 没有接管？一个原因是工艺复杂性。正如 Horn 的 Tonne 解释的那样，“在一个标准的 PVD 涂层工艺，您可能需要管理 20 个参数。使用 HiPIMS，您可能有超过 100 个参数。但如果您正确地管理这些参数，它可以让您对工艺进行非常高水平的控制，从而获得更一致的全面涂层...一致的涂层。成本不是主要因素。CemeCon prices HiPIMS技术比传统PVD设备高出10-15%。因此，根据您的工作流程和计算成本的方式，HiPIMS 实际上可能会更便宜，因为它具有更高的沉积率。 Lake 观察到，亚洲和欧洲主要工具制造商对 HiPIMS 的采用率远远领先于美国。
“美国。公司出于各种原因被锁定在电弧过程中。但采用的风险非常低，因为如果需要，您可以使用这项技术来生产您的遗留产品，并且仍然有机会推出新产品，”Lake 说。 “与过去 20 年相比，我们在过去两年中购买此设备以纳入其产品开发阶段的大公司数量更多。”
HiPIMS 应用程序比比皆是
我们为本文采访过的所有工具制造商都在很大程度上参与其中。 Horn USA 的应用和销售工程师 Shane Schirmer 对 “由 HiPIMS 创建的“更光滑、更均匀的表面”，“这也创建了更锐利的边缘。”
他还指出了 HiPIMS 构建更精确层的能力。这与 Horn 的口头禅非常吻合，即在其所做的每件事中实现一致性，验证流程并使其自动化。
其最新的 HiPIMS 涂层产品包括 HP35（指的是 Horn 专有的 3 µm 厚涂层“5” 基材）和 HP36，适用于硬度高达 70 洛氏硬度的材料。
CBN 镶刃刀片。这些新的硬质合金刀片更具成本效益，而且工作同样出色，”Schirmer 报告说。 “它们也适用于对 CBN 来说太软但对标准硬质合金选项来说太硬的感应淬火材料。”他还提到了一种新的 HiPIMS 涂层 (EG35) 翻倍甚至三倍在不改变速度和进给的情况下延长刀具寿命。 Horn 现在在其整个插入线中提供 EG 涂层。
Walter USA 的 Garud 指出汽车行业的趋势是使用更多的铝，并且在所有行业中整体增加不锈钢、钛合金和铬镍铁合金，特别是在医疗器械和航空航天部件中。 “现在对具有极其光滑的表面光洁度和坚硬基体的 ISO 车削刀片的需求非常高，”他说。 “对于此类应用，尤其是在需要低积屑瘤 (BUE)、低加工硬化和高精度的精加工操作中，瓦尔特使用 HiPIMS 涂层工艺。”
这款来自 BIG 的 Sphinx 微型立铣刀Kaiser 在极其坚硬的铝铬硅纳米复合材料基层上涂上一层光滑的钼基涂层e，产生两者的好处。 （由 BIG Kaiser 提供）他补充说，PVD 工艺本质上可以实现“锐利”的工具几何形状（即非珩磨边缘），但是“由于 HiPIMS 工艺，边缘具有非常高的涂层完整性具有非常低的剥落倾向。结合可防止积屑瘤的光滑、近乎镜面的光洁度，整体刀具寿命得以延长。” Walter 提供用于铝合金、Inconel（包括 55+ Rc 应用，如 Inconel 718）、钛和不锈钢合金的特定 HiPIMS 涂层产品。
另一个很好的例子是 CemeCon 的“掺硅”InoxaCon 产品，一种 TiAlSiN涂层沉积在 1.5 或 3 µm 的层中。最高工作温度为 1,100ºC (2,012ºF)，Lake 将其描述为“真正卓越的产品，采用不锈钢、钛和 Renés 等镍基合金等难以切割的材料，并提高性能比以前应用的涂层高出 20-50% 的元素。”在一种情况下（直径 8 毫米的硬质合金立铣刀切削 1.4301 不锈钢），InoxaCon 涂层刀具在同一时间范围内表现出 26 µm 的磨损，而 AlCrN 涂层刀具的磨损为 97 µm。
最后是二硼化钛 (TiB2)，这是 CemeCon 独有的。该公司在 90 年代后期将其开发为铝压铸件的衬里（因为铝不会粘在上面），并意识到它在切削工具方面具有潜力。正如 Lake 解释的那样，“即使是硬质合金刀具在加工铝时也会出现故障，原因是工件基体中的铝会转移到刀具上，而刀具会磨损、粘合和断裂。二硼化钛薄膜可抵抗转移并在有色金属材料中提供更长的使用寿命。我们甚至看到了钛的一些好处。”
Lake 说，标准的溅射系统将产生硬度约为 4,000 维氏和 t 的 TiB2 涂层涂层中的应力会相当高（这会导致涂层从工具基材上拉开）。使用相同靶材的 HiPIMS 系统可提供 5,000 维氏硬度（硬度增加 25%）和更小的应力。如果需要，较低的应力允许使用更厚的涂层，但对于有色金属应用，CemeCon 建议仅使用 1.5 至 2 µm 的涂层以保持非常锋利的边缘。 “你最终会获得更好的附着力、不同的硬度测量结构和更小的应力，这让你可以选择更广泛的厚度。这就是标准溅射和 HiPIMS 给市场带来的区别。”
