[科普中国]-涂层高速钢

高速钢刀具的表面涂层是采用物理气相沉积(PVD)方法，在刀具表面涂覆TiN等硬膜，以提高刀具性能的新工艺。涂层的高速钢是一种复合材料，基体是强度、韧性较好的高速钢，而表面层是高硬度、高耐磨性的材料。TiN有较高的热稳定性，与钢的摩擦系数较低，而且与高速钢涂层结合牢固。表面硬度可达2200HV，呈金黄色。

涂层高速钢刀具切削力、切削温度约下降25%，切削速度、进给量约提高一倍左右，刀具寿命显著提高。即使刀具重磨后其性能仍优于普通高速钢。已在钻头、丝锥、成型铣刀、切齿刀具上广泛应用。除TiN涂层外，新开发的TiC、TiAIN涂层在切削不锈钢、铸铁时性能更好。

涂层高速钢性能特点高速钢刀具的硬度为62HRC-70HRC(766HV-1037HV)，采用物理气相沉积法(PVD)涂覆2μm-6μm的TiC或TiN涂层，可使刀具表层硬度提高到2000HV-3200HV(83HRC以上)，超过硬质合金的硬度，使刀具表层的耐热性达到1000℃以上，切削速度可提高50%~100%，刀具耐用度可提高2倍~10倍。如果涂层后再刃磨前刀面或后刀面后，其刀具耐用度还可以提高2倍左右。涂层高速钢刀具的切削力可减小20%~40%，切削热可降低20%，涂层后可减小摩擦和抗磨料磨损与黏结磨损。还可以采用PCVD涂层工艺方法，在高速钢刀具表面涂金刚石或CBN。因为PCVD工艺涂层温度高于PVD，低于CVD，并低于高速钢的回火温度(5500℃)。1

高速钢刀具的选用高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，而且制造工艺较简单，成本低，易于磨出锋利的切削刃，对机床专用性要求不高，因此，在复杂刀具、成形刀具，尤其是孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、齿轮刀具等一些刃形复杂刀具制造中，高速钢仍占据重要地位。高速钢刀具材料的发展主要表现于两个方面：一是高性能高速钢的应用面扩大；从制造复杂刀具扩大到钻头、丝锥、立铣刀等通用刀具；二是粉末冶金高速钢性能进一步提高，性价比提高，使用量也增加，从而使高速钢刀具在应用领域的切削效率也相应提高。新型高性能高速钢制成的各种成形拉刀、高速滚刀、剃齿刀、丝锥、立铣刀及滚压刀具已大量应用于轿车、摩托车、航空发动机、汽轮机等制造行业，用于各种高强度钢和铸铁、合金结构钢、耐热合金钢、不锈钢、整体铝合金等材料的加工。2

选用原则高速钢的牌号很多，且各自具有特点及其应用范围。用它作为刀具材料，应根据加工材料的性能、制造刀具的类型、加工方式和工艺系统刚性等条件合理选择。其选用原则如下：

1)普通高速钢价格较低，主要用于加工普通钢、合金钢和铸件。高性能高速钢主要用于加工不锈钢、高强度钢、耐热钢等难加工材料。

2)通用刀具与复杂刀具相比其制造工艺简单，制造精度也较低。考虑到刀具成本中材料消耗费用所占比例较大，所以常用普通高速钢制造。数控机床和自动线上所使用的刀具，要求稳定可靠地切削，以及拉刀、齿轮刀具等复杂刀具的制造精度和技术要求较高，在刀具成本中加工费用所占比例较大，故应用高硬度、高耐磨的高性能高速钢和粉末冶金高速钢制造。

3)含钴的高性能高速钢有较高的高温硬度，在切削条件平稳的情况下，刀具寿命可显著提高，这类高速钢的韧性较差，因此，它不适于断续切削或在工艺系统刚性不足的条件下使用，否则容易打刀或崩刃。

4)高钒高速钢，因其磨削性能较差，切削刃容易烧伤退火，故不宜用于制造小模数插齿刀、螺纹刀具等复杂刀具。1

高速钢涂层制造刀具优点1)较高的刀具寿命和切削加工生产率。涂层高速钢刀具的寿命一般可比未涂层刀具提高2～3倍。例如，涂层钻头的寿命可提高3～10倍；涂层丝锥可提高5～10倍；涂层齿轮刀具可提高3～6倍；涂层挤压模具可提高6～10倍。当刀具的寿命不变时，切削速度可提高20%～30%，甚至1～2倍。此外，涂层高速钢刀具的进给量可以提高10%～20%，因而切削加工效率一般可提高50%～100%。生产实践表明，TiN涂层齿轮刀具的切削速度可提高30%～50%，进给量提高10%～20%，并且对刀具的寿命并无多少不利影响。

2)较小的切削力和切削扭矩，较少的刀具破损。用涂层钻头和丝锥加工时，由于摩擦因数降低，切屑粘接减少，可使钻头轴向力及钻削或攻螺纹时的转矩降低20%～40%，大大减少刀具的崩刃现象。

3)较高的加工精度和加工表面质量。用涂层钻头钻孔时，由于积屑瘤得以减少或消除，使得孔径的扩大量显著减小，孔的精度得以提高(1～2级)，表面粗糙度可比未涂层钻头加工件大约小50%，钻孔时常常可以省去铰孔和去毛刺等工序。用涂层钻头可加工软钢、耐腐蚀的镍合金、高温合金等难加工材料。

用涂层铰刀加工时，不仅可以显著减小表面粗糙度，而且随着切削速度和进给量的增大，涂层铰刀的表面粗糙度仅略有增加，而未涂层刀具在加工的过程中，表面粗糙度却急剧增大。涂层铰刀在加工像铝、软钢、不锈钢、灰铸铁及容易产生积屑瘤的高合金工具钢时效果很好。用涂层丝锥攻螺纹时，螺纹表面粗糙度值大约可减小50%，同时，由于积屑瘤的减少，使得螺纹表面擦伤的可能性降低，可延长丝锥加工标准螺孔的寿命。2

本词条内容贡献者为:

黄伦先 - 副教授 - 西南大学