切削刀具產業之薄膜應用

切削刀具的市場需求與結構

工具機是機械業的關鍵產業，與製造業有著密不可分的關係，對於基礎加工與精密加工而言是不可或缺的機械設備。工具機經過設計、製造、銷售，最終目的是切削，在進行切削的時候，刀具即是重要的一環。

全球切削刀具的產值自2016年的331億美元，2020年增長到370億美元，預計到2022年將會有390億美元，切削刀具市場呈穩定的增長。台灣切削刀具產業的主要競爭對手為歐美、日韓。歐美切削刀具企業定位於為客戶提供完整的刀具解決方案，透過強大的研發投入、人才培養以及品質管理體系推動其產品體系不斷推陳出新，在高端定制化刀具領域始終佔據著主導地位。日韓切削刀具企業則定位於為客戶提供通用性高、穩定性好和高性價比的產品，在高端製造業的非客制化刀具領域獲得許多廠商的青睞。

圖、全球切削刀具消費額(億美元)

切削刀具產品多元化，切削刀具材料主要包括硬質合金、高速鋼、金屬陶瓷、金剛石、立方氮化硼等，不同的切削刀材料具各自的特點，適用於不同的領域。其中鋼加工是最主要的應用領域，不銹鋼加工刀片的市場呈現快速增長趨勢，尤其鑄鐵、有色金屬等其他工件加工刀片的產值增長明顯。

從不同材料所分數的市場結構來看，硬質合金刀具市場率年年提升，佔據切削刀具的主要市場，其次是高速鋼刀具。全球切削刀市場，硬質合金刀具使用量佔63%的比例，高速鋼佔26%。

圖. 全球切削刀具產品市場結構

切削刀具產業鏈

切削刀具種類多元，因此其所需原材料種類眾多，在切削刀具的產業鏈中，上游主要有工具鋼、硬質合金等原材料生產行業，其中在硬質合金的需求市場上，占比最多的即是切削刀具；切削刀具的下游則有工具機、航太、汽機車、模具等行業組成，隨著工業技術不斷突破、原物料價格上漲等因素，各應用產業對於切削刀具無論在精度、使用壽命或是安全性等要求皆正在逐漸提高。

圖. 切削刀具的產業鏈

切削刀具製程

工具機在進行切削的時候，除了設備機械與刀把的性能之外，刀具亦是影響切削條件的一大要因，包括鋼性、切削阻力、耐磨耗性、切削處理等性能。在整個切削刀具製程的工序中，成形後可以透過鍍膜為刀具帶來增加硬度、耐酸、耐氧化、低摩擦係數、抗磨耗等特性。

圖. 切削刀具製造過程

切削刀具塗層

刀具塗層技術通常可分為物理氣相沉積(PVD)與化學氣相沉積(CVD)兩大類，在切削刀工具行業所使用的鍍膜種類占比上，PVD占了57%；CVD佔36%，使用以下表格分別就物理氣象沉積(PVD)與化學氣相沉積(CVD)進行比較。

表. 切削刀PVD與CVD鍍膜之比較

	物理氣相沉積(PVD)	化學氣相沉積(CVD)
優點	低溫處理，對於刀具材料沒有熱變形問題。 薄膜內部應力狀態為壓應力，更適於對硬質合金精密複雜刀具的塗層。 對環境無害。	被鍍物可以完全塗層附著。 膜層緻密性高。 可實現單成份單層及多成份多層複合塗層的沉積。
缺點	對於素材的清潔度要求高。 由於透過迴轉機進行覆蓋，對於精密性的深孔附著力差。 加工成本較高。	處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強度下降。 塗層內部呈拉應力狀態，易導致刀具使用時產生微裂紋。 排放的廢氣、廢液會造成較大環境污染。

不同的塗層種類可以產生不同的功能特性，切削刀工具藉由搭配合適條件與特性之塗層，大幅提升切削刀具的整體品質。

表. 切削刀具的塗層種類介紹

適用膜層	顏色	硬度(HV)	厚度	摩擦係數	製程溫度	特性	適用刀具基材	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、車刀片、銑刀	碳鋼、鑄鐵、合金鋼HRC 50~60
TiCN	紫色~灰色	3000	1~4 µm	0.3	450	耐磨耗	HSS切削刀具銑刀、鑽頭、絲攻、車刀片	一般硬質材料HRC 40~50
TiN	金色	2400	3 µm	0.4	450	耐磨耗	HSS切削刀具銑刀、鑽頭、絲攻、車刀片	一般硬質材料HRC 40
CrN	銀色	1850	2~5 µm	0.45	300~450	耐氧化、抗腐蝕	HSS切削刀具銑刀、鑽頭、絲攻、車刀片	一般硬質材料HRC 40
DLC	黑色	4000~6000	1~2 µm	0.1	200	耐磨耗、抗腐蝕	WC高速切削刀具、車刀片、銑刀	石墨、陶瓷、鋁銅合金、非金屬材料

大永真空切削刀工具膜層解決方案

在切削加工領域中，高精度、高速、高效率加工越來越被重視。隨著人們環保意識的加強，乾式切削技術有了很大進展，同時對切削刀具進行塗層處理，是提高刀具性能的重要途徑，因此刀具塗層技術發展亦非常迅速。耐熱性、耐磨性等優異的複合塗層大量出現，TiC、TiN、TiCN、TiAlN等塗層的應用已相當普及。塗層刀具已經成為現代刀具的標誌，在刀具中的比例已超過50%。這些塗層切削刀具有強大的防護、耐酸、耐氧化抗磨耗等特性，大幅增加刀具的壽命，使工件表面品質提昇，增進製造效率與品質優良率。

• 塗層刀具分類：

1. 硬塗層刀具，如TiN,TIC和Al203等塗層刀具。這類刀具表面硬度高，耐磨性好。其中TIC塗層刀具抗後刀面磨損的能力特彆強，而TiN塗層刀具則有較高的抗“月牙窪”磨損能力。
2. 軟塗層刀具，如:MOS2,WS等塗層刀具。這類塗層刀具也稱為“自潤滑刀具”，它與工件材料的摩擦係數很低，只有0.01左右，能有效減少切削力和降低切削溫度。

• 大永切削刀具塗層製程特色：

1. 未塗層刀具與塗層刀具相比，具有更好的切削性質，可大幅延長切削刀具壽命及提升加工速率，並且使加工工件表面具有良好的品質，也可有效地減少刀具及冷卻液的消耗，不但降低成本，也友善於於環境保護。
2. 在刀具塗層常使用陰極電弧沉積技術(Arc)，但此技術所鍍製出的塗層表面會有微粒，使得表面粗糙且破壞了膜層的均勻性，甚至造成薄膜容易剝落的情況，而高功率脈衝磁控濺鍍(HiPIMS)改善了薄膜粗糙鍍問題，薄膜結構也較為緻密性能更好，且減少鍍製後進行拋光的時間成本。

表.塗層製程特色差異

	HiPIMS	Arc
緻密性	高	中
平整性	光滑	粗糙

高功率脈衝磁控濺鍍(HiPIMS)技術在靶材的選擇上更加多元，幾乎所有元素靶材都可以使用，並且可在低溫的製程溫度下進行沉積，使基材有更多的選擇同時不受溫度影響。微小徑刀具 (0.2~1.0 mm)經沉積塗層具有良好的刀具壽命，也不會在鍍製過程中造成微小徑刀具刀刃損傷使之影響切削效果。

表.刀具塗層技術優勢

	HiPIMS	Arc
靶材選擇	多元	少
微型刀具(0.2 ~ 1.0 mm)	可	否
製程溫度	低	高
基材選擇	多	少

• 切削刀塗層表面分析

透過高功率脈衝磁控濺鍍(HiPIMS)及陰極電弧沉積技術(Arc)分別鍍製並觀察塗層表面，可觀察到使用HiPIMS技術時，表面微粒小、數量少，使用Arc技術，表面微粒大、數量多，因此可明顯觀察到HiPIMS技術鍍製出的薄膜表面品質更佳。

當塗層表面粗糙時，會影響刀具與切削工件之間的摩擦係數，主要導致刀具塗層壽命縮短甚至失效，若降低摩擦係數將可延長刀具使用壽命，因此光滑的塗層表面有助於降低切削工件所帶來的熱量產生。與未塗層刀具相比，表面潤滑性更好的塗層刀具還能以更高的切削速度進行加工。

表. 大永切削刀塗層表面分析

	HiPIMS	Arc
OM拍攝
微粒大小/數量	小/少	大/多

• 切削刀塗層性能分析：

塗層帶來的高硬度及優良附著力是提高刀具壽命的最佳方式。在塗層硬度方面，越高硬度的刀具使用壽命越好，並可透過不同的塗層材料與塗層設計，使刀具有更佳的抗氧化、磨損性，適用於高速切削、乾式切削的刀具，其加工高合金鋼、不鏽鋼、鈦合金等。

塗層與基材之間附著性的好壞對刀具使用有很大的影響，塗層附著力分析的常見方法有壓痕、刮痕試驗等。一般利用洛氏硬度試驗機可快速檢測並觀察壓痕邊緣薄膜破裂型式，可得知附著性好壞。附著力性能可分HF1~HF6，隨著數值增加附著性變差，測試結果呈現HF1及HF2時，表示該塗層附著性良好，若為HF5及HF6即表示該塗層附著性不理想。經由大永塗層技術可獲得高硬度及極佳附著力的薄膜，使切削刀具壽命更好並減少加工時間與成本，在加工參數選擇上更加靈活。

表. 大永切削刀塗層性能

塗層	硬度(Hv)	洛氏壓痕附著力
TiN	2500	HF1
CrN	2200	HF1
AlCrN-based	3000-3500	HF1

圖. 附著力測試

• 微型銑刀測試結果

圖表中為實際將塗層鍍製在微型銑刀上，並切削銅箔基板(PCB板主要材料)。左圖為未鍍白刀測試切削至6m，銅箔開始產生大量毛邊；右圖為有塗層刀具，顯示可穩定切削至20m以上仍有良好的加工品質，可驗證大永刀具塗層技術可有效提升刀具壽命並且獲得良好的加工品質。

表. 微型銑刀鍍膜前後切削測試

未鍍白刀	刀工具塗層
6m	20m