一把好的切削刀具的三大要素 – 材質、刀型與塗層。
刀具塗層，是影響刀具壽命的關鍵影響因素，也是近年來各大刀具廠商專利部局重點。
但是，行業內對塗層的討論遠不及前面二者，忽略的塗層的價值與影響力。
這篇文章要來告訴你刀具塗層優勢、主流技術以及如何正確選擇刀具塗層。
刀具塗層是什麼？
塗層(Coating)，也稱為鍍層或鍍膜，是在切削刀具鍍上一層保護膜。
切削刀具的塗層，像是幫銑刀穿上盔甲，保護刀具在戰鬥時，降低受傷機率、提升保護力、提升戰鬥力。
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為什麼刀具需要塗層？塗層的 7 大好處
有塗層的切削刀具，具有更強大的防護力與戰鬥力，更耐磨、耐酸、耐高溫，可以大幅提升刀具的壽命、提升切削品質、提升製造效率。
切削刀具加上塗層的目的與7個主要好處：
- 提升硬度
- 提升潤滑性
- 提升排屑能力
- 提供隔熱層
- 提升表面光潔度
- 降低磨損率
- 延長刀具的使用壽命
無塗層 vs. 有塗層 的刀具比較
以銑削加工最常使用的立銑刀來做比較：
同樣刀型的鎢碳鋼的2把立銑刀，有塗層的立銑刀：
- 硬度更高、
- 耐磨更性、
- 化學性能穩定、
- 更耐熱、
- 導熱係數較低
- 切削速度提高20%~70%
- 加工精度提高0.5~1級
- 刀具消耗成本降低20%~50%
| 特性 | 有塗層的立銑刀 | 沒有塗層的立銑刀(白刀) |
| 硬度 | 較高 | 較低 |
| 耐磨性 | 較佳 | 較差 |
| 化學性能穩定性 | 較佳 | 較差 |
| 耐熱性 | 較佳 | 較差 |
| 導熱係數 | 較低 | 較高 |
| 切削速度 | 可提高20%~70% | 較低 |
| 加工精度 | 可提高0.5~1級 | 較低 |
| 刀具消耗成本 | 可降低20%~50% | 較高 |
| 優點 | 耐磨性佳、刀具壽命長、切削速度快、加工精度高、刀具消耗成本低 | 單位成本較低 |
| 缺點 | 價格較高 | 耐磨性差、刀具壽命短、切削速度慢、加工精度低、刀具消耗成本高 |
２種刀具塗層技術路線 – CVD vs. PVD
運用在切削刀具的塗層技術，有兩大類：
以下是2類塗層技術的優缺點比較：
物理氣相沉積(PVD)優點
- 低溫處理：沉積溫度通常在 300-500°C 之間，對於刀具材料沒有熱變形問題。
- 塗層厚度薄：塗層的厚度在 1-5 μm 之間，可以保持刀具的鋒利度，不影響切削性能。
- 塗層成分多樣: PVD 可以使用各種材料，包括氮化鈦 (TiN)、氮化 鈦鋁 (TiAlN)、碳氮化 鈦 (TiCN) 和碳氮化 鈦鋁 (TiAlCN) 等。不同的塗層材料具有不同的性能，可以滿足不同的切削需求。
- 製程符合環保要求，對環境無害。
物理氣相沉積(PVD)缺點
- 附著力比CVD差
- 對刀具的清潔度要求高。
- 加工成本較高。
化學氣相沉積(CVD)優點
- 可以完全附著在刀具表，結合強度高。
- 塗層厚度較厚，使刀具更耐磨、更硬。
- 加工成本較低
化學氣相沉積(CVD)缺點
- 高溫處理，在800-1000°C 之間，會造成刀具材料抗彎強度下降。
- CVD 塗層通常使用氮化 鈦 (TiN) 或碳化鈦 (TiC) 等單一材料。
- 排放的廢氣、廢液會造成較大環境污染。
因為物理氣相沉積(PVD)更適合高精度的加工應用、並符合ESG、綠色製造潮流，因此目前產業中與市場上，PVD是主流的塗層技術路線。
5種常見的塗層材料類型與應用
以下是5種常見的切刀具塗層種類介紹：切削刀工具可藉由搭配合適條件與特性的塗層，來提升切削刀具的整體品質。
氮化鈦（TiN）
顏色為金色，最早應用的刀具塗層材料。主要優點包括：
- 高硬度、高耐磨性延長刀具壽命。
- 適用於低至中切削速度
- 適合切削較軟的材料，例如鋁、黃銅、塑料等
碳氮化鈦（TiCN）
TiCN 外觀呈藍灰色，加了碳元素，因此比TiN更硬、更耐磨，並具有：
- 增強耐磨性
- 比TiN更好的潤滑性
- 能夠處理比 TiN 更高的切削速度。
- 耐磨損和黏著磨損
- 適合切削鋼、鑄鐵等。
氮化鋁鈦（TiAlN）
在氮化鈦的基礎上添加了鋁元素，顏色為深紫色。其好處是：
- 卓越的耐熱性。適合高速切削。
- 可以處理乾式加工工藝，減少對冷卻液的需求。
- 提高刀具壽命和生產率。
- 適用於高速、高溫加工和切削難加工材料，例如不銹鋼、鈦合金等。
AlCrN（氮化鋁鉻）
這種塗層採用鉻而不是鈦，性能優於氮化鈦鋁 (TiAlN)，呈現銀色：
- 非常適合高溫切割環境。
- 抗熱裂。
- 適用於銑削高合金和硬質合金材料。
DLC鑽石塗層(Diamond)
雖然價格更高，但鑽石塗層具有最高的硬度和耐磨性。可以提供：
- 極高的硬度，確保更長的刀具壽命。
- 耐磨損，特別適用於切割磨料。
- 減少摩擦，從而減少熱量產生。
- 適用於加工非鐵金屬、石墨、陶瓷等難加工材料。
| 塗層材料 | 顏色 | 特色 | 適合工件材質 |
| 氮化鈦 (TiN) | 金色 | 高硬度、高耐磨性 | 鋁、黃銅、塑料等 |
| 碳氮化鈦 (TiCN) | 藍灰色 | 更高硬度、耐磨性、潤滑性 | 鋼、鑄鐵等 |
| 氮化鋁鈦 (TiAlN) | 深紫色 | 卓越耐熱性、適合高速切削、乾式加工 | 不銹鋼、鈦合金等 |
| 氮化鋁鉻 (AlCrN) | 銀色 | 高溫切割、抗熱裂 | 高合金、硬質合金 |
| DLC鑽石塗層 (Diamond) | – | 最高硬度、耐磨性、減少摩擦 | 非鐵金屬、石墨、陶瓷等 |
如何選擇刀具塗層種類？
塗層材料的選擇
切刀具塗層的選擇，要切削應用、被加工的材料、與加工環境來綜合考慮。以下是一些具體的建議：
- 對於高速加工和切削較軟的材料，可以使用氮化鈦或氮碳化鈦塗層。
- 對於重負荷加工和切削堅硬的材料，可以使用氮鋁鈦或碳氮化鈦鋁塗層。
- 對於需要高精度加工的應用，可以使用氮化鈦或氮碳化鈦塗層。
- 對於需要高性價比的應用，可以使用氮化鈦塗層。
- 對於加工非鐵金屬、石墨、陶瓷等難加工材料，可以使用鑽石塗層。
塗層材料注意事項
- 塗層的厚度和硬度會影響切刀具的切削性能。一般來說，塗層越厚，硬度越高，切刀具的耐磨性越好，但切削速度越低。
- 塗層與切刀具基體的結合強度必須足夠高，否則塗層容易剝落。
- 塗層的選擇應與切刀具的材料、幾何形狀和加工參數相匹配。
塗層的缺點：有那些應用不適合有塗層切削刀具？
塗層為刀具帶來許多好處，但是塗層也可一些限局性與缺點：
- 有限的材料相容性
有些塗層的刀具，可能不適合切削特定材料的工作，會使應用會受到限制。例如：鋁（或其他有色金屬），會黏附在某些塗層上，導致黏性切屑的堆積，反而會導致刀具加速磨損或工件損壞。對於軟性材質，就建議使用專用的鋁用銑刀。
- 不適合低速切削
塗層銑刀在低速切削時，容易崩刃或剝落，因此可能不適合。
- 成本更高
有塗層的刀具，通常比沒有塗層的刀具更昂貴。如果考慮預算與使用頻率，並且不需要性能/刀具壽命，則可以選擇無塗層刀具
為什麼塗層會是切削刀具廠商的差異化重點？
近年來，塗層技術已經各家刀具廠商的差異化與競爭力來源。
刀具的基材，各家刀具廠只要有量、願付價格，可以拿到一樣的材料與品質。刀具的刀型種類也可輕易製作出一樣的刀型。而塗層成為差界化重點，主要有3點：
- 塗層技術具有較高的技術壁壘
塗層技術涉及材料科學、表面工程、化學工程等多門學科，需要較高的技術水平和研發投入。因此，較強研發能力的切削刀具廠商在塗層技術取得領先優勢，申請專利、作為差異化競爭戰略。
- 塗層技術可以顯著提高切削刀具的性能
塗層可以使切削刀具的硬度、耐磨性、耐熱性、導熱性、潤滑性等性能得到顯著提升，從而延長刀具壽命、提高加工效率、降低加工成本、改善加工質量。因此，塗層技術已成為切削刀具性能提升的重要手段之一。
- 塗層技術可以滿足不同客戶的個性化需求
不同客戶對切削刀具的性能要求各不相同。塗層技術可以通過調整塗層材料、塗層厚度、塗層結構等參數來滿足不同客戶的個性化需求。因此，塗層技術已成為切削刀具廠商提供個性化產品和服務的重要手段之一。
有塗層的切削刀具比較貴，值得投資嗎？
有塗層的刀具貴多少？
早期有塗層的刀具，可以比沒有塗層的刀貴上一、二倍的價格。
但是，由於塗層技術進步，同樣的一把刀具，塗層刀的價格，只比白刀(沒有塗層刀)的價格大約在10%~30%左右。
例如：常用的TiN塗層來說，報價只比白刀多5% ~10%。如果採購量大，幾乎是同價了。
有塗層的刀具貴，值得嗎？
當然，具體價格差異，會因為塗層種類、塗層厚度、刀具尺寸、刀具材質、品牌等有所不同。像鑽石塗層可以提供卓越的性能，但成本就是太高，可能不符合成本效益。
總的來說，雖然塗層刀具的價格雖然較高，但其使用壽命也比較長，使用塗層刀具反而可以降低整體加工成本。
綜合考慮，塗層刀具更適合以下情況：
- 需要延長刀具壽命，降低刀具更換頻率的場合。
- 需要提高加工效率，縮短加工時間的場合。
- 需要加工難加工材料或進行高負荷加工的場合。
而無塗層刀具則更適合以下情況：
- 對刀具成本要求較高的場合。
- 加工要求不高的場合。
- 使用頻率較低的場合。
選擇正確的塗層刀具會幫你節省大量時間和成本，並提升製造效率。
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刀具塗層的關鍵總結
- 有塗層的刀具，可以大幅提升刀具的壽命、提升切削品質、提升製造效率。
- 2種塗層技術，PVD是主流技術，符合環保與綠色製造潮流
- 不同塗層材料類，有不同優勢與適合加工的工件材質。
- 選擇塗層時需要考量切削應用、被加工的材料、與加工環境來作選擇。
- 有塗層與沒有塗層刀具的成本價差並不大，選擇塗層刀可以降低整體加工成本。
參考資料
- Carbide end mill Coated: A comprehensive Guide
- How to choose the coating of the milling tools?
- What do End Mills coatings do
- Coated vs Uncoated Milling Cutters
- Tool Coatings For Ferrous and Non-Ferrous Materials
- 刀具需要塗層嗎？鍍層種類這麼多如何選擇？
- 刀具鍍層-超硬薄膜被覆材
- 切削刀具產業之薄膜應用
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