刀具涂層技術的演變

很少有材料能夠像硬質合金鎢粘合劑那樣，給我們的經濟、我們的工業文化帶來如此大的沖擊。兼具硬度和磨損防護，這樣的材料被用在有趣多樣的產品上，比如圓珠筆、魚竿引導環、磨損零件，牙齒鉆孔機、穿甲彈的殼芯和大多數重要的切削刀具。幾乎所有的產品，我們駕駛的、穿的、甚至食用的，都是由硬質合金制造而來，或是經過硬質合金的加工處理。尤其是，生產力的進步可以歸功于硬質合金刀具使得這些產品因為大量生產而讓我們能夠負擔。

歷史概述

刀具超過160 年的發展，以進化的過程為特征，不斷被周期性的革命進步所打斷�；厮菔�九世紀中期，用于金屬加工的刀具由高碳鋼制作而成，切削速度被限制在大約25 sfpm。第一次激動人心的爆發是伴隨著高速鋼（HSS）刀具的傳入，在大約50 年之后到來。這次發展使得切削速度提高到大約100sfpm ——效率方面得到了戲劇性的增長。HSS 刀具在今天仍然存在，并且在世界刀具領域有著很重要的地位。然而，相比較而言，在20、30 年代，當一種更具生產能力的刀具材料——碳化鎢硬質合金或者硬質金屬出現并慢慢開始獲得市場接受的時候，相比較而言，HSS 刀具的重要性有所下降。

WC-Co 合金（或者材質，就像他們通常所稱的那樣）是由小而硬的鎢微粒，經過強度足夠的鈷粘合、接合的復合材料。合金碳的結構有點類似于磚墻，鎢起著磚的作用，鈷就好比涂抹在磚上用來粘合磚塊的水泥。在這個例子中，磚塊隨意放置，而不是像一堵墻，方向統一。研究表明，對于碳化鎢來說，鈷是最有效的粘合劑，因為鈷具有粘合鎢微粒的能力，以及內在的強度。含有的鈷越多，強度等級就越高，磨損率越低。

許多硬質合金的材質，尤其是在那些鐵（鐵合金）方面的應用，以一小部分的碳化鈦、鉭、鈮。這些合金增加了抗變形能力，也使得合金的結構得以控制。更重要的是，他們減少了合金刀具、工件之間的化學反應（縮孔），尤其在工件是鋼或者鑄鐵的時候。

涂層

切削刀具中最令人印象深刻的發展之一（有一個非常明晰的結果：是革命而非進化），發生在1969 年，化學氣相沉積（CVD）涂層第一次被使用在合金刀具上。在借鑒、略加調整這項廣泛用于珠寶行業的技術后，刀具的制造商將鈦合金刀具涂層引入制造業領域。這些涂層使得機器操作者能加倍提高他們的切削速度（達到500sfpm），同時刀具壽命得到了五倍延長。制造業如同一塊海綿吸收技術，全神貫注于這些刀具，永不回頭。

鈦合金涂層出現不久之后，鈦鈮合金涂層也出現了，它擁有富有魅力的金色，同時具有出色的耐腐蝕性。最終，在1973 年，單層鋁氧化物 (Al2O3）涂層出現在眼前，允許更高的切削速度（1000sfpm），同時提高了生產力。

物理氣相沉積（PVD）涂層在80 年代獲得了接受。最初主要用于切削高溫合金和鈦合金，現在也被用于不銹鋼以及傳統鋼。今天，涂層技術意義重大，超過95% 被用于加工鐵（鐵合金）材料的碳化刀具是有涂層的。

每種不同的涂層材料有不同的特殊性能和優勢（詳見表1），把這些材料結合成單一、多層次的涂層（詳見圖示1），從而能夠獲得鈦合金和氧化鋁兩種涂層的優勢。這樣的產品在70 年代后期出現。因此你可以期待，它們可以有更強的多功能性，更高的效率和更長的刀具壽命。

近期發展

最近最激動人心的發展來自原子水平的結構控制。性能有了重大增進就是結果。同時也增加了寬泛范圍的切削環境的可靠性。

現代機床有不斷提高速度的能力，有使用最小的潤滑油技術，對于干式切削有著極大的興趣，結果，新的需求在刀具制造商身上發生了。這些需求的最新反饋關乎于涂層結構的細節，尤其是Al2O3涂層。

在敘述這些細節之前，需要提醒一下，Al2O3作為一種材料，會以幾個晶體結構形式存在（好比水的存在形式可以是冰，也可以是液體或者蒸汽）。氧化鋁的涂層一般存在兩種晶體結構，指定為a 和k。由于存在過度單純化的危險，現在用盥洗室里的瓷器和紅寶石來舉例說明兩個形式的差異性。兩者均由氧化鋁產生，僅有的區別在于材料中原子排列方式有所不同。這樣的差別是巨大的，就如在盥洗室的瓷器和紅寶石看起來完全不同。

在涂層領域，在切削應用中我們傾向采用a 的形態。但是很不幸，k 相更容易沉積。因此，通常實踐中，我們用k 相沉積，之后再進行熱處理來形成a 相。雖然并非難以做到，這樣的轉變會引起微量收縮，從而導致涂層出現裂縫（詳見圖示2a）。這會明顯降低強度，降低涂層的附著力。一個獨特并且極富有成效的突破產生了，一個聰明的科學家發現如何直接沉積a 結構。這個新的結構（詳見圖示2b）引領了涂層水平的新時代。

最近的商業發展是涂層質地的改進，僅僅在前幾個月發生。為了闡明這項革命，再次提及我們的紅寶石。剛從緬甸或者其他地方的土地開采出來的時候，紅寶石是一種暗粉紅色的石頭。但是經過寶石學家富有技巧的雙手，這塊黯淡的石頭會根據晶體的方向裂開，露出充滿吸引力的表面，反射、折射光芒，賦予珠寶迷人的外觀。氧化鋁在涂層上的使用與之相似。在特定的方向中，涂層很容易破裂；在其他方向，則非常堅硬，很難裂、碎。近期，我們學會了怎樣“傾斜”氧化鋁涂層的結構以得到一個更堅硬的方向來切削。從技術上來說，這個過程就像“紋理”；商業上我們稱之為“Duratomic”（durable 耐用+atomically 微粒+ modified 改進= Duratomic）過程。紋理增加了抗磨損能力和切削刀的強度。

圖示3 顯示，采用這樣的“紋理”過程后，硬度增加了。如同期待的那樣，這個轉變直接增加了刀具使用壽命。有趣的是，這樣類型的涂層依然能夠快速冷卻。近期的研究，發現以750sfpm 加工4140 鋼的時候，使用傳統多層涂層，切屑和涂層表面的溫度為915 攝氏度。同樣的試驗，但是使用新型涂層，溫度會降低到880 攝氏度。此項描述請見圖示4。

高效率刀具

科學理論應用的最佳例子之一是超硬度材料的發展，包括聚晶金剛石和聚晶立方氮化硼。在加工工件時，他們能達到每分鐘幾千面英尺，提供使用者難以置信的效率提高和成本節省。

PCD 有益于加工真正的研磨材料，比如高硅鋁合金，銅鈹合金，復合材料甚至碳化鎢合金。聚晶金剛石常常被用作昂貴的鋼（硬度在45-75Rc）打磨操作上。聚晶金剛石也被用在許多鐵含量少于10% 的鑄鐵類型中。傳統的應用是鑄鐵制動盤。一個單個的聚晶金剛石的切削刀刃可以以5000sfpm 加工沒有幾千也有幾百個制動器，同時保持出色的尺寸公差，表面精度很高。

總結

這里描述的發展是對涂層、底層、高檔材料和金屬切削過程之類的基礎科學理解的結果。因為我們對于化學、物理、冶金技術的理解的增長，尤其是這些領域之間相互的聯系，我們有能力從更小的層次操縱這些結構進行改進，進一步改進，最終導致生產力的進步。

在此期間，當我們回溯近十年來金屬加工的操作，我們發現了巨大的進步。這些革命的利用一方面意味著現時收益和未來生存之間的差別，另一方面也意味著破產和失業。