模具、刀具涂層的作用：

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.增加抗熱沖擊性。

當按照設計要求正確使用恰當的刀具涂層時(shí)，最終用戶(hù)就能達到提高切削參數、延長(cháng)刀具壽命的目的，并有可能實(shí)現干式切削加工。

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、也是最常見(jiàn)的涂層方法，已經(jīng)沿用多年。CVD法是在一個(gè)化學(xué)反應容器內加熱基體，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(jiàn)的CVD涂層是采用三種氣體——四氯化鈦（TiCl4）、氫氣（H2）和氮氣（N2）——來(lái)產(chǎn)生氮化鈦（TiN）+氯化氫（HCl）。HCl是該工藝的二次產(chǎn)物，必須按照嚴格的環(huán)保法規進(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 )對基體產(chǎn)生不利影響，適用的涂層材料不多（因為涂層材料是以氣態(tài)形式提供的），以及工藝循環(huán)時(shí)間長(cháng)。

PVD涂層是一種相對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(guò)傳送空間轉移到基體上。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(zhù)在基體上。

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

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成。例如，一些常見(jiàn)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(guò)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。當然，并不是所有金屬都對改善刀具性能有益，但它們都能用于涂層。

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(guò)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換為液體，再轉換為氣體狀態(tài)。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是沉積率高（相對于濺射法而言）。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換為氣體狀態(tài)。由于涂層材料跳過(guò)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（相對于電弧法），因此生產(chǎn)周期較長(cháng)。

涂層的結構

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，涂層的結構已經(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構：

（1）單層結構

顧名思義，這種結構只有一層涂層。當我們在顯微鏡下觀(guān)察這種結構時(shí)，可以看見(jiàn)一些長(cháng)柱形涂層結構。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，當一個(gè)球擊中一束柱體時(shí)，這些柱體就會(huì )開(kāi)始倒下，而裂紋輕易就能貫穿涂層，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(lèi)結構的一個(gè)例子。多層結構涂層可將幾種涂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(zhì)上相同，但其層厚卻要薄得多：涂層厚度僅為原子級水平。

（4）納米復合涂層結構

納米復合涂層采用了與硬質(zhì)合金刀具類(lèi)似的技術(shù)。這種納米結構將粘結相（例如硬質(zhì)合金中的鈷）的韌性與納米復合涂層的硬度結合在一起。

（5）梯度結構

該結構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)則變得堅硬而耐磨。

涂層的質(zhì)量控制與檢驗

在對刀具進(jìn)行涂層后，制造商需要對涂層本身進(jìn)行質(zhì)量檢驗。通常，這種質(zhì)量檢驗過(guò)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(xiàn)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(guò)用顯微鏡觀(guān)測磨除區域，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(guān)測到的涂層寬度，Y為基體+涂層寬度）。目標是將測得的涂層厚度值范圍控制在制造商的技術(shù)規定以?xún)取?/p>

X射線(xiàn)熒光輻射檢測可能是一種更準確的檢測方法。測量原理是：涂層和基體材料都能產(chǎn)生X射線(xiàn)熒光輻射，但涂層會(huì )使基體的輻射強度減弱。通過(guò)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，因為它比較直觀(guān)，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，這可能是一項主觀(guān)性最強的質(zhì)量控制檢測。檢測方法主要包括洛氏壓痕法和劃痕試驗法兩種。

顧名思義，洛氏壓痕法就是用一個(gè)硬質(zhì)球，以設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(guò)一臺顯微鏡，對壓痕點(diǎn)的裂紋進(jìn)行觀(guān)測，并評估裂紋的數量和開(kāi)裂程度。根據制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范圍內。盡管這種檢測方法看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但涂層厚度也會(huì )影響裂紋的數量和開(kāi)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。

劃痕試驗法要更直接一些。在劃痕試驗中，檢測人員對一個(gè)在涂層刀具上移動(dòng)的壓頭施加逐漸加大的載荷。當達到臨界載荷Lc時(shí)，涂層開(kāi)始出現裂紋。在該點(diǎn)測量壓頭移動(dòng)的距離，如果該距離足夠長(cháng)，則表明該涂層的粘附性合格。

（3）涂層結構檢測

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構，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(guān)測，就可以看到并確認前面提到的不同涂層結構。

（4）涂層成分與分布檢測

最后一項質(zhì)量控制檢測是涂層的成分與分布。這項檢測需要采用掃描電子顯微鏡（SEM）和能量色散X射線(xiàn)技術(shù)（EDX）。SEM具有極高的圖像放大率（高達20萬(wàn)倍）和高分辨率，與EDX分析相結合，就能確定涂層材料成分以及在一個(gè)很?。尚≈?納米）截面上材料的分布量。