硬质合金涂层刀具设计与制造研究

杜建福

宁波兴伟刀具科技有限公司  315600

摘要：硬质合金涂层刀具在现代生活中的应用较为广泛，且涂层能够有效提高的刀具的使用性能，提高刀具表面的断裂韧度，减少刀片的破损。本文首先概述硬质合金涂层刀具设计要点，从刀具制造流程、刀具的处理与修磨等内容研究硬质合金涂层刀具制作要点，通过列举相关数据，明确刀具涂层的各项要求。

关键词：硬质合金涂层刀具；刀具设计；刀具制造

引言：硬质合金涂层刀具的硬度高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、强度和韧性，在高温下不容易出现变形。刀具的设计与制作考虑到刀具应用领域的不同，采用现代科学方法进行刀具涂层制作，增加涂层的稳定性，延长刀具施工用寿命，让刀具在应用过程中提高切割精度，满足各个领域对刀具高精度切割的要求。

1硬质合金涂层刀具设计

刀具设计从两方面出发，分别为刀具的基体以及刀具的硬质合金涂层，这一过程包括的刀具的材料设计、结构设计以及涂层设计。在刀具的基体材料选择上，需要考虑到高材料的与工件材料的匹配性，加强对二者的化学相容性的以及刀具一体件的摩擦匹配性。硬质合金的性能与其微观结构密切相关，需要建设二者之间的关系模型，分析其关联规律，对硬质合金的性能进行设计，为刀具材料的选择提供参考。模型建设过程中需要考虑到原材料、成形、处理以及机加工，在模型中需要考虑到刀具的锻造、挤压、轧制、切削等加工手段，分析刀具原材料以及硬质合金的形成过程，便于后期的刀具制作[1]。

常用的硬质合金涂层是在刀具韧性、强度较好的基体上，采用CVD法或PVD法在刀具表面涂覆一层极薄硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物。如果该刀具需要满足高速钢滚刀、插刀性能及切削技术要求，硬质合金涂层需要选择纳米复合涂层工艺，涂层材料主要为氮铝化钛、氮化钛等，让刀具具有11000℃的抗氧化温度纳米涂层结构，其表面硬度接近于陶瓷，光滑且具有低摩擦因数，此外，刀具还有良好的韧性，适合干湿切削[2]。

2硬质合金涂层刀具制造

2.1刀具制造流程

硬质合金涂层制造流程为：刀具检验、脱模、去毛刺、钝化、清洗、装载、涂层、刀具出厂检验。在刀具检验阶段，检查刀具表面是否存在缺陷，如裂痕凹凸不平等，避免对硬质合金的涂层效果带来影响；在脱模阶段，去除刀具表面的残留涂层以及其他附着层，确保刀具表面的干净光滑；在刀具去毛刺阶段，针对刀具修磨过程中出现的毛刺进行去除，利用玻璃珠喷射的方式进行，保障涂层质量；在钝化阶段，利用金钢珠喷砂钝化刀具刃口，有助于提高涂层质量，延长刀具使用寿命；在清洗阶段，去除刀具表面污渍，之后利用烘干的方式对刀具进行清洗，确保刀具整体没有杂质；在刀具装载阶段，也就是将刀具装入涂层工装中，开展涂层作业，这一过程在封闭专用设备中进行，利用自动化控制系统开展施工操作，合理控制设备运行时间等相关参数；刀具涂层结束后，对刀具进行检验，检查涂层的均匀度以及厚度，开展相关耐腐蚀性试验，确保刀具质量符合相关规定，满足客户要求。

刀具制作过程中控制各个设备参数的合理，保障每一环节的质量，发挥创新精神，逐步提高刀具涂层的稳定性与硬度，满足当今社会对各项设施使用的高效、环保要求。

2.2刀具的处理与修磨

在涂层刀具的处理与修磨阶段，硬质合金的涂层质量受到的刀具毛刺的影响，因此，在刀具去毛刺阶段，针对表面较为容易去除的毛刺采用喷砂处理方式，对于刀具上的顽固毛刺，需要采用有效技术进行去除，如采用化学方法、高温方法以及滚磨方法，其中化学方法是利用化学离子附着在刀具表面，在刀具表面形成电阻大、电导率小的膜层，保护刀具不受到腐蚀，之后针对高出膜层的毛刺可以利用化学方式进行解决；高温去毛刺是将刀具放进密封室内，将有一定压力的氢氧混合气体送入密封室内，点火让混合气体爆炸，利用热量刀具的毛刺烧掉；滚磨去毛刺是将刀具与磨料一同放入放到封闭的滚筒中，利用滚筒转动让刀具与磨料产生摩擦，去除刀具表面的顽固毛刺。

刀具的修磨阶段较为重要，第一次修磨的厚度大于0.01mm，将涂层全部磨掉，之后采用正常的修磨方法，在不断修磨过程中将修磨转化为精磨，如果是人工修磨，可以逐步更换为粒度更细的砂轮，避免修磨过程中刀具刃口出现剥落问题。刀具修磨的修磨量根据刀具本身的磨损情况进行调控，将刀具磨顿部分全部磨掉，形成完整的涂层面。在刀具涂层厚度检验过程中，可以添加金刚石悬浮液，利用直径为20mm的转动钢球修磨涂层，直到漏出刀具基体，利用显微镜观察修磨位置，计算涂层厚度，确保涂层厚度在合理范围内。刀具涂层的检查需要根据刀具类型的不同进行检查，具体厚度标准如表1所示，在涂层的外观检查上，需要保障涂层表面平整且均匀，没有发黑以及异物问题。

刀具类型	规格/mm	厚度/μm
滚刀	D≤130	5±1
插齿刀	D≤130	5±1
滚刀	130≤D≤165	6±1
插齿刀	130≤D≤165	6±1

表 1 刀具涂层厚度标准

此外，刀具涂层相关数据的检测需要考虑到刀具应用领域的不同，对刀具涂层的硬度、抗氧化温度、膜厚、摩擦系数等要求存在不同，如表2所示，表中列举几类应用领域不同的刀具，根据其涂层的不同，相关参数也存在不同。

涂层	涂层说明	硬度（HV）	膜厚（μm）	抗氧化温度（℃）	摩擦系数	外观颜色	应用领域
TN	TiN	2000	1.0-3.0	600	0.25	金黄色	丝锥的普通钢料加工
TiCN	TiCN	3800	1.0-3.0	400	0.2	灰色	丝锥的额不锈钢以及普通的额不锈钢加工
TiAIN	TiAIN	3000	1.0-3.0	800	0.4	紫黑色	普通模具钢切割加工
AM	AITi基	3300	1.5-3.0	900	0.4	灰黑色	HRC≤40模具钢、不锈钢切割加工

表 2 不同类型刀具对涂层的要求

2.3刀具涂层附着力检测

对涂层进行附着力检测可以利用添加金刚石悬浮液，对刀具涂层进行修磨直到露出刀具基体，观察刀具与涂层过渡部分的质量，检查刀具涂层附着力质量。可以利用压痕法进行检测，利用相关设备在刀具表面施加负荷，设备的检测头能够破坏压痕范围内的刀具涂层，之后根据涂层产生的裂痕或者裂纹以及裂纹范围判断涂层的附着力质量。如果裂纹较为混乱或者范围较大，该涂层质量不合格。此外，利用规格法进行刀具涂层附着力检测，这时需要考虑不同的涂层决定了不同的划格间距，底材的软硬程度也对其有影响。如表3所示，检查涂层与刀具基材之间的划格间距，判断刀具涂层的附着力，

0-60μm	1mm间距	硬质基材
0-60μm	2mm间距	软质基材
61-120μm	2mm间距	硬质或者软质基材
121-250μm	2mm间距	硬质或者软质基材

表 3 不同漆膜厚度与底材相对应的划格间距

结论：硬质合金涂层刀具设计与制造需要根据刀具应用领域的不同选择不同的基础材料以及涂层材料，采用现代科学技术进行刀具涂层作业，加强机械自动化方式的应用，保障刀具处理质量。完善制作流程，确保每一个施工阶段的施工质量，保障刀具质量符合该领域对刀具质量的相关要求。

参考文献：

[1]周云. 复合织构化CrAlN涂层刀具的研制及其性能研究[D]. 江苏:江苏大学,2022.

[2]丁娅. 铣削508Ⅲ钢硬质合金刀具磨损特性分析与研究[D]. 黑龙江:哈尔滨理工大学,2022.