切削刀具产业之薄膜应用

切削刀具的市场需求与结构

工具机是机械业的关键产业，与制造业有着密不可分的关系，对于基础加工与精密加工而言是不可或缺的机械设备。工具机经过设计、制造、销售，最终目的是切削，在进行切削的时候，刀具即是重要的一环。

全球切削刀具的产值自2016年的331亿美元，2020年增长到370亿美元，预计到2022年将会有390亿美元，切削刀具市场呈稳定的增长。台湾切削刀具产业的主要竞争对手为欧美、日韩。欧美切削刀具企业定位于为客户提供完整的刀具解决方案，透过强大的研发投入、人才培养以及品质管理体系推动其产品体系不断推陈出新，在高端定制化刀具领域始终占据着主导地位。日韩切削刀具企业则定位于为客户提供通用性高、稳定性好和高性价比的产品，在高端制造业的非客制化刀具领域获得许多厂商的青睐。

图、全球切削刀具消费额(亿美元)

切削刀具产品多元化，切削刀具材料主要包括硬质合金、高速钢、金属陶瓷、金刚石、立方氮化硼等，不同的切削刀材料具各自的特点，适用于不同的领域。其中钢加工是最主要的应用领域，不锈钢加工刀片的市场呈现快速增长趋势，尤其铸铁、有色金属等其他工件加工刀片的产值增长明显。

从不同材料所分数的市场结构来看，硬质合金刀具市场率年年提升，占据切削刀具的主要市场，其次是高速钢刀具。全球切削刀市场，硬质合金刀具使用量占63%的比例，高速钢占26%。

图. 全球切削刀具产品市场结构

切削刀具产业链

切削刀具种类多元，因此其所需原材料种类众多，在切削刀具的产业链中，上游主要有工具钢、硬质合金等原材料生产行业，其中在硬质合金的需求市场上，占比最多的即是切削刀具；切削刀具的下游则有工具机、航太、汽机车、模具等行业组成，随着工业技术不断突破、原物料价格上涨等因素，各应用产业对于切削刀具无论在精度、使用寿命或是安全性等要求皆正在逐渐提高。

图. 切削刀具的产业链

切削刀具制程

工具机在进行切削的时候，除了设备机械与刀把的性能之外，刀具亦是影响切削条件的一大要因，包括钢性、切削阻力、耐磨耗性、切削处理等性能。在整个切削刀具制程的工序中，成形后可以透过镀膜为刀具带来增加硬度、耐酸、耐氧化、低摩擦系数、抗磨耗等特性。

图. 切削刀具制造过程

切削刀具涂层

刀具涂层技术通常可分为物理气相沉积(PVD)与化学气相沉积(CVD)两大类，在切削刀工具行业所使用的镀膜种类占比上，PVD占了57%；CVD占36%，使用以下表格分别就物理气象沉积(PVD)与化学气相沉积(CVD)进行比较。

表. 切削刀PVD与CVD镀膜之比较

	物理气相沉积(PVD)	化学气相沉积(CVD)
优点	低温处理，对于刀具材料没有热变形问题。 薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层。 对环境无害。	被镀物可以完全涂层附着。 膜层致密性高。 可实现单成份单层及多成份多层复合涂层的沉积。
缺点	对于素材的清洁度要求高。 由于透过回转机进行覆盖，对于精密性的深孔附着力差。 加工成本较高。	处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降。 涂层内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹。 排放的废气、废液会造成较大环境污染。

不同的涂层种类可以产生不同的功能特性，切削刀工具藉由搭配合适条件与特性之涂层，大幅提升切削刀具的整体品质。

表. 切削刀具的涂层种类介绍

适用膜层	颜色	硬度(HV)	厚度	摩擦系数	制程温度	特性	适用刀具基材	可切削材料
TiAlN	暗紫色	2800	2~5 µm	0.3	450	耐磨耗、耐氧(酸)化	WC高速切削刀具、车刀片、铣刀	碳钢、铸铁、合金钢HRC 50~60
TiCN	紫色~灰色	3000	1~4 µm	0.3	450	耐磨耗	HSS切削刀具铣刀、钻头、丝攻、车刀片	一般硬质材料HRC 40~50
TiN	金色	2400	3 µm	0.4	450	耐磨耗	HSS切削刀具铣刀、钻头、丝攻、车刀片	一般硬质材料HRC 40
CrN	银色	1850	2~5 µm	0.45	300~450	耐氧化、抗腐蚀	HSS切削刀具铣刀、钻头、丝攻、车刀片	一般硬质材料HRC 40
DLC	黑色	4000~6000	1~2 µm	0.1	200	耐磨耗、抗腐蚀	WC高速切削刀具、车刀片、铣刀	石墨、陶瓷、铝铜合金、非金属材料

大永真空切削刀工具膜层解决方案

在切削加工领域中，高精度、高速、高效率加工越来越被重视。随着人们环保意识的加强，干式切削技术有了很大进展，同时对切削刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径，因此刀具涂层技术发展亦非常迅速。耐热性、耐磨性等优异的复合涂层大量出现，TiC、TiN、TiCN、TiAlN等涂层的应用已相当普及。涂层刀具已经成为现代刀具的标志，在刀具中的比例已超过50%。这些涂层切削刀具有强大的防护、耐酸、耐氧化抗磨耗等特性，大幅增加刀具的寿命，使工件表面品质提升，增进制造效率与品质优良率。

• 涂层刀具分类：

1. 硬涂层刀具，如TiN,TIC和Al203等涂层刀具。这类刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC涂层刀具抗后刀面磨损的能力特别强，而TiN涂层刀具则有较高的抗“月牙洼”磨损能力。
2. 软涂层刀具，如:MOS2,WS等涂层刀具。这类涂层刀具也称为“自润滑刀具”，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.01左右，能有效减少切削力和降低切削温度。
   

• 大永切削刀具涂层制程特色：

1. 未涂层刀具与涂层刀具相比，具有更好的切削性质，可大幅延长切削刀具寿命及提升加工速率，并且使加工工件表面具有良好的品质，也可有效地减少刀具及冷却液的消耗，不但降低成本，也友善于于环境保护。
2. 在刀具涂层常使用阴极电弧沉积技术(Arc)，但此技术所镀制出的涂层表面会有微粒，使得表面粗糙且破坏了膜层的均匀性，甚至造成薄膜容易剥落的情况，而高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)改善了薄膜粗糙镀问题，薄膜结构也较为致密性能更好，且减少镀制后进行抛光的时间成本。
   
   

表.涂层制程特色差异

	HiPIMS	Arc
致密性	高	中
平整性	光滑	粗糙

高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)技术在靶材的选择上更加多元，几乎所有元素靶材都可以使用，并且可在低温的制程温度下进行沉积，使基材有更多的选择同时不受温度影响。微小径刀具 (0.2~1.0 mm)经沉积涂层具有良好的刀具寿命，也不会在镀制过程中造成微小径刀具刀刃损伤使之影响切削效果。

表.刀具涂层技术优势

	HiPIMS	Arc
靶材选择	多元	少
微型刀具(0.2 ~ 1.0 mm)	可	否
制程温度	低	高
基材选择	多	少

• 切削刀涂层表面分析

透过高功率脉冲磁控溅镀(HiPIMS)及阴极电弧沉积技术(Arc)分别镀制并观察涂层表面，可观察到使用HiPIMS技术时，表面微粒小、数量少，使用Arc技术，表面微粒大、数量多，因此可明显观察到HiPIMS技术镀制出的薄膜表面品质更佳。

当涂层表面粗糙时，会影响刀具与切削工件之间的摩擦系数，主要导致刀具涂层寿命缩短甚至失效，若降低摩擦系数将可延长刀具使用寿命，因此光滑的涂层表面有助于降低切削工件所带来的热量产生。与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工。

表. 大永切削刀涂层表面分析

	HiPIMS	Arc
OM拍摄
微粒大小/数量	小/少	大/多

• 切削刀涂层性能分析：

涂层带来的高硬度及优良附着力是提高刀具寿命的最佳方式。在涂层硬度方面，越高硬度的刀具使用寿命越好，并可透过不同的涂层材料与涂层设计，使刀具有更佳的抗氧化、磨损性，适用于高速切削、干式切削的刀具，其加工高合金钢、不锈钢、钛合金等。

涂层与基材之间附着性的好坏对刀具使用有很大的影响，涂层附着力分析的常见方法有压痕、刮痕试验等。一般利用洛氏硬度试验机可快速检测并观察压痕边缘薄膜破裂型式，可得知附着性好坏。附着力性能可分HF1~HF6，随着数值增加附着性变差，测试结果呈现HF1及HF2时，表示该涂层附着性良好，若为HF5及HF6即表示该涂层附着性不理想。经由大永涂层技术可获得高硬度及极佳附着力的薄膜，使切削刀具寿命更好并减少加工时间与成本，在加工参数选择上更加灵活。

表. 大永切削刀涂层性能

涂层	硬度(Hv)	洛氏压痕附着力
TiN	2500	HF1
CrN	2200	HF1
AlCrN-based	3000-3500	HF1

图. 附着力测试

• 微型铣刀测试结果

图表中为实际将涂层镀制在微型铣刀上，并切削铜箔基板(PCB板主要材料)。左图为未镀白刀测试切削至6m，铜箔开始产生大量毛边；右图为有涂层刀具，显示可稳定切削至20m以上仍有良好的加工品质，可验证大永刀具涂层技术可有效提升刀具寿命并且获得良好的加工品质。

表. 微型铣刀镀膜前后切削测试

未镀白刀	刀工具涂层
6m	20m