10多年以來，涂層刀具一直在不斷的發(fā)展和創(chuàng)新。今天，高切削能力和長刀具壽命已經成為涂層刀具必須“做到的事情”。而恰恰在新材料的加工中，涂層刀具技術也已成為研究和開發(fā)的重要課題。
    涂層刀具已經擁有40多年的歷史，但直到20世紀70年代，陶瓷CVD涂層刀具才出現(xiàn)在模具制造中（圖1）。TiN、TiCN和Al2O3涂層材料則以令人贊嘆的速度占領了市場。隨著Multilayer和PVD涂層的問世，使得可以切削加工的金屬材料又有了新的增加。其結果是刀具生產廠家?guī)缀醪惶峁]有涂層的刀具。今天，幾乎90%以上的刀具都帶有涂層。
        凡是涉及到新的刀具涂層材料的研發(fā)時，總是少不了歐洲刀具生產廠商和涂層專業(yè)廠商的身影。在眾多的歐洲刀具生產企業(yè)中，瓦爾特公司自2001年推出Tigertec牌刀具涂層技術之后就一直處于市場的領先地位。在成功推出Tiger刀具涂層材料之后，Tiger涂層材料的品種也越來越多，也出現(xiàn)了新的Al2O3涂層材料。假如人們對這個領域極高的創(chuàng)新速度略加關注的話，必定會對此感到驚奇。
    可選涂層材料有限
    適合作為強力切削刀具的涂層材料和化合物的選擇范圍是十分有限的。這些材料應該滿足的基本條件條件是：很高的熱硬性、耐磨損、導熱率低、附著力強，以及很高的耐擴散和耐氧化性能。
    總的來講，只有少數(shù)幾種化合物可天生碳化物、硼化物、氮氧化物或它們的混合物。在很多情況下，Al2O3結晶是非常理想的刀具涂層材料（圖2）。Al2O3之所以能夠成為一種理想的刀具涂層材料，不僅是由于它在20℃時擁有高達HV 2600的硬度，而且還由于它在800℃的高溫時始終保持HV 900～1200的硬度。既有很高的熱硬性，也有著很高的化學穩(wěn)定性。
    但是，Al2O3的強大功能只有與MT-TiCN（MT：中等溫度）硬質合金一起使用時才能發(fā)揮作用。這對于避免刀具后刀面的磨損是非常必要的。而終極對刀具的保護如何，還要看起決定性作用的TiCN涂層的微觀結構。在涂層的生產制造過程中獲得的是TiCN硬質合金典型的柱狀細晶結構晶粒時，則能夠非常明顯的改善涂層材料的抗剝離強度（圖2、3）。
    Al2O3還有另一個重要特點，它的導熱性能很差。也就是說，在切削過程中涂層基體材料受到了很好的隔熱保護。這不僅在連續(xù)的螺旋切屑中，而且在斷續(xù)的崩碎切屑中都具有非常重要的決定性意義。在螺旋切屑中，它能進步抵抗彈性變形的阻力；在崩碎的切屑中，它能減小硬質合金基體的溫度波動。從而進步了切削工藝過程的可靠性。
    具有決定性作用的連接層
    原則上，α、κ和γ相的Al2O3晶體都可以用作涂層材料，并根據其不同的特性滿足不同應用的需要。在最常用的CVD領域中使用的是α相Al2O3涂層材料。在這里α相Al2O3有著最佳的耐熱性和化學穩(wěn)定性。
    為了能夠充分發(fā)揮Al2O3的上風，涂層必須在TiCN硬質合金基體上有足夠的附著能力。而這強有力的附著性能是由連接層來實現(xiàn)的，是依靠它與Al2O3涂層機械性的咬合在一起來實現(xiàn)的。然而，這種連接層還有另外一個重要的任務，除了負責連接硬質合金基體與涂層之外，還負責涂層晶體的變化和結構紋理的形成，即負責結晶幾何外形的形成。
    為了天生純α相的Al2O3晶體，必須要有一個同構的結晶結構作為基礎。正確的說，連接層應有一個類似α-Al2O3的結構。因此，一般情況下在高溫的CVD領域中用TiO作為連接層材料。而在瓦爾特公司里，他們則是用TiCN和Al2O3材料的混合體來制造連接層的。這種連接層材料解決方案的優(yōu)點在于，能夠得到非常純的α相的Al2O3晶體，以及非常高的001晶體結構。
    為什么這種連接層起著決定性的作用呢？這是一個很難回答的題目。導熱性能和硬度在結晶體中呈現(xiàn)出與晶格有關的方向性，在所謂的001優(yōu)先方向有著最大的數(shù)值。從而可以在具體的使用情況下，如在鋼材的高速切削時使刀具的耐用度進步30%。
    而Tiger牌刀具涂層材料恰恰在這點上獲得了成功。一種特殊的晶格結構檢測技術保障了極精確的檢測結果，而且提供了進一步改進進步和優(yōu)化的可能性。當其他檢測技術還只能進行涂層材料晶體的一維檢測時，瓦爾特公司研發(fā)成功的檢測技術已經能夠對晶體進行3D檢測了，而且還能得到非常精確的檢測結果。而這種檢測技術是精確調整晶體結構的先決條件。
    除了前面提到的優(yōu)點之外，CVD方法還有一個非常嚴重的缺點。由于很高的切削溫度（800~1050℃）會導致硬質合金基體的韌性下降，以及在涂層內部產生可在刀具材料中產生裂紋的拉伸應力。而Tiger牌涂層材料則很好的克服了這些缺點，原來為鑄鐵加工而研發(fā)的TiN涂層技術的摩擦學缺點，在切削鋼材的刀具前刀面中“消失”的無影無蹤。由于在刀具的后刀面中含有TiN，因此可以看到有磨損的痕跡。而這一過程也得到了另一個有用的好處。
    在向表面涂層材料施加了機械能后，除了能進步涂層的表面硬度外，還可以將有害的拉伸內應力轉換成為壓縮內應力，得到的結果是韌性的大幅度進步。這樣，進步涂層材料高溫耐磨性的措施（如使用含鈷量較低的硬質合金基體，減小涂層厚度等）與損失韌性、降低生產過程可靠性的技術措施都可以省略。
    噴丸處理進步可靠性
    通過Tiger牌刀具涂層的噴丸增強處理，可以降低刀具涂層的韌性損失，進步刀具涂層工作的可靠性。從而實現(xiàn)刀具涂層材料研發(fā)技術職員長期以來在CVD涂層應用中的“夢想”——極好的耐磨損和韌性。這也使得Tiger牌刀具涂層材料可以作為一種適合于鑄鐵和鋼材切削用的涂層材料。
    另外。在PVD涂層領域中同樣也有類似的成功創(chuàng)新。PVD涂層的可換刀片以其很好的韌性而著名于世，但長期以來一直沒有氧化涂層的品種。與CVD涂層刀具相比，其高溫耐磨性受到了限制。2005年，瓦爾特公司推出了PVD-Tiger系列產品。從而提供了在PVD涂層使用高切削速度和高韌性刀具的可能性。而且，在這一領域中使用的Al2O3層仍然是α相的。固然可以使用其他的連接層材料，但是一直沒有能夠投進到大批量的生產中。有一點必須肯定的是，有目的的根據刀具的使用情況調整涂層的內應力，將會帶來具有決定性意義的好處，由于它使CVD涂層的應用領域變得更加廣闊。