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                                                                                    刀具涂层材料、涂层技术和发展方向
 

切削加工,刀具性能对切削加工效率、精度、表面质量有着决定性影响。刀具性能两个关键指标——硬度强度(韧性)之间似乎总存着矛盾,硬度高材料往往强度韧性低,而要提高韧性往往以硬度下降为代价。较软刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好金属或非金属化合物薄膜(如TiC、TiN、Al2O3等)组成涂层刀具,较好解决了刀具存强度韧性之间矛盾,切削刀具发展一次革命。

涂层刀具近20年来发展最快新型刀具。目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上,CNC机床上所用切削刀具90%以上涂层刀具。

1涂层刀具、涂层材料及涂层方法

1)涂层刀具特点

涂层刀具结合了基体高强度、高韧性涂层高硬度、高耐磨性优点,提高了刀具耐磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广,加工范围显著扩大,使用涂层刀具可以获得明显经济效益。一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用,因而可以大大减少刀具品种库存量,简化刀具管理,降低刀具设备成本。但刀具现有涂层工艺进行涂层后,因基体材料涂层材料性质差别较大,涂层残留内应力大,涂层基体之间界面结合强度低,涂层易剥落,而且涂层过程还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。

2)常用涂层材料及性质

常用涂层材料

常用涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。根据化学键特征,可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型离子键型。

涂层材料性质

金属键型涂层材料(如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等)熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好,具有良好综合性能,最普通涂层材料。共价键型涂层材料(如B4C、SiC、BN、金刚石等)硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性多层匹配性差。而离子键型材料化学稳定性好、脆性大、热胀系数大、熔点较低、硬度不太高。

这些涂层材料,用最多TiC、TiN、Al2O3、金刚石以及复合涂层。

TiC耐磨性好,能有效地提高刀具抗月牙洼磨损能力,适合于低速切削及磨损严重场合;TiN涂层具有低摩擦系数,润滑性能好,能减少切削热切削力,适合于产生融合磨损切削;Al2O3高温耐磨性、耐热性抗氧化能力比TiCTiN好,月牙洼磨损率低,适合于高速、大切削热切削;金刚石涂层硬度热导性高,摩擦系数很低,适合于有色金属合金高速切削;而复合涂层综合几种涂层材料特点,目前以双涂层三涂层组合居多。

3)常用涂层方法

目前常用涂层方法CVD(化学气相沉积法)PVD(物理气相沉积法),其它方法如等离子喷涂、火焰喷涂、电镀、溶盐电解等还存较大应用局限性。

CVD法利用金属卤化物蒸气、氢气其它化学成分,950~1050℃高温下,进行分解、热合等气、固反应,或利用化学传输作用,加热基体表面形成固态沉积层一种方法。CVD法工艺要求高,而且由于氯侵蚀及氢脆变形可能导致涂层易碎裂、基体断面强度下降,涂层硬质合金时还易产生脱碳现象而形成n相。近年来,、低温CVD法PCVD法开发成功,改善了原有CVD工艺。

PVD法起步晚、发展快、温度低(约300~500℃),优点很多,但涂层均匀性不如CVD法,涂层与基体结合不太牢固,涂层硬度比较低,涂层优越性未得到充分体现。PVD法工艺要求比CVD法高,设备更复杂,涂层循环周期长。目前常用PVD方法有低压电子束蒸发(LVEE)法、阴极电子弧沉积法(CAD)、三极管高压电子束蒸发法(THVEE)、非平衡磁控溅射法(UMS)、离子束协助沉积法(IAD)动力学离子束混合法(DIM),其主要差别于沉积材料气化方法以及产生等离子体方法不同而使得成膜速度膜层质量存差异。

2涂层刀具发展方向

1)新型涂层材料

刀具涂层材料出现了很多新种类:TiCN基新涂层兼有TiCTiN涂层良好韧性硬度,比常用TiN刀具耐用度高2~4倍。此外,以TiCN为基多元成分新涂层材料如(Ti,Zr)CN、(Ti,Al)CN、(Ti,Si)CN等纷纷出现。AlON涂层刀具产生月牙洼磨损极小。TiAlN有很高高温硬度优良抗氧化能力,涂层硬度高,抗氧化性能好,切削性能优于TiN涂层,用于加工航天合金材料时刀具寿命可提高1~4倍。CrCCrN涂层无钛涂层,可有效地切削钛钛合金以及铝合金等其它软材料。另外,Hf、Zr、Ta碳化物与氮化物,Hf、Zr、Ti、N、Ta硼化物,Hf、Zr、Ti、Be氧化物等涂层材料均成功采用。

值得一提美国Multi-ScientificCoating公司类金刚石碳涂层,使用热阴极蒸发技术把碳沉积到刀具表面后,类金刚石碳涂层基体结合良好,有很多金刚石相似性能,有高耐磨性低摩擦系数。其它ZrN,TiZrN类金刚石膜涂层(DLC)应用范围也不断拓展,主要用于加工有色合金。

氮化铝钛涂层也由原先常使用Ti0.75Al0.25N转化为优先使用Ti0.5Al0.5N,Ti0.5Al0.5N涂层抗氧化温度为700℃,空气加热会表面产生一层非晶态Al2O3薄膜,可以对涂层起保护作用。

日本不二越公司开发出一种称为SG新型涂层,它由TiN、TiCN及Ti系膜三层组成,耐磨性优于TiN涂层,且涂层与基体结合强度高,表层为Ti系特殊膜层,具有极好耐热性。

瑞士还开发出一种称为“MOVIC”软涂层新工艺,即刀具表面涂复一层固体润滑膜二硫化钼,刀具切削寿命数倍增加,且能获得优良加工表面。其它硫族元素如WS2等软涂层也取得了一定进展。这些软涂层加工高强度铝合金贵重金属方面有良好应用前景。

近年来,高硬度涂层开始出现。包括立方氮化硼(CBN)涂层、氮化碳(CNX)、多晶氮化物超点阵涂层等。CBN涂层硬度达5200kgf/mm2,仅次于金刚石,可有效切削淬火钢其它难加工合金。如果氮化碳(CNX)涂层能够形成b-C3N4,理论上可以计算出其硬度将超过金刚石。已经有氮化碳合成报道。多晶氮化物超点阵涂层一种很有希望新型刀具涂层,多晶TiN/NbNTiN/VN超点阵涂层硬度分别为5200kgf/mm25600kgf/mm2,超点阵涂层由于层内或层间位错困难导致其硬度很高。

2)涂层工艺方法

随着涂层技术发展,出现了综合PVDCVDPACVD法,另外,还有离子束溅射方法,能离子束辅助沉积技术(IBAD)也可用于涂层,离子束辅助沉积兼有气相沉积与离子注入优点。等离子辅助化学气相沉积(PCVD)利用等离子体来促进化学反应,可使沉积温度降低到200~500℃。Sol-Gel法由于其自身优点也越来越受到人们重视。

MT-CVD(温化学气相沉积)则一定程度上克服了一般HD-CVD(高温化学气相沉积)缺点,其沉积温度低(700~900℃),沉积速度快,涂层厚,工艺环镀性好,对于形体复杂工件涂层均匀,而且涂层附着力高,涂层内部残余应力小,一种优于HT-CVD涂层工艺方法。

涂层所用基体范围也扩大,包括高速钢、硬质合金陶瓷都可以进行涂层。近几年来陶瓷涂层硬质合金刀具发展迅速,特别Al2O3陶瓷由于其高化学稳定性耐氧化性特别适用于高速切削,陶瓷涂层所占比例较大。

虽然刀具涂层工艺上获得了长足发展,特别梯度涂层工艺,但总体说来涂层技术有待进一步提高。

3结论

涂层刀具较好解决了刀具强度韧性之间矛盾,大大提高了刀具耐用度切削速度。但存涂层易剥落,工艺复杂昂贵等缺点。刀具涂层材料用最多TiC、TiN、Al2O3、金刚石以及复合涂层。常用涂层方法CVD法PVD法。

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