刀具涂技術(shù)的新進(jìn)展

1、刀具涂技術(shù)的新進(jìn)展吳大維 劉傳勝 傅德君 彭友貴 范湘軍（武漢大學(xué)）l現(xiàn)代金屬切削對(duì)刀具的要求    現(xiàn)代化的金屬切削加工，對(duì)刀具的要求是高切削速度、高進(jìn)給速度、高可靠性、長(zhǎng)壽命、高精度和良好的切削控制性。涂層刀具的出現(xiàn)，使刀具切削性能有了重大突破，它將刀具基體與硬質(zhì)薄膜表層相結(jié)合，由于基體保持了良好的韌性和較高的強(qiáng)度，硬質(zhì)薄膜表層又具有高耐磨性和低摩擦系數(shù)，從而使刀具的性能大大提高。    自20世紀(jì)70年代初硬質(zhì)涂層刀具問(wèn)世以來(lái)，化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)和物理氣相沉積(PVD)技術(shù)相繼得到發(fā)展，為刀具性能的提高開(kāi)創(chuàng)了歷史的新篇章

2、。涂層刀具與未涂層刀具相比，具有顯著的優(yōu)越性：它可以提高加工效率，提高加工精度，延長(zhǎng)刀具使用壽命，從而保證加工件的質(zhì)量，降低加工成本。2刀具硬質(zhì)涂層新材料21多元、復(fù)合硬質(zhì)涂層材料的發(fā)展    刀具表面的硬質(zhì)薄膜對(duì)材料有如下要求：硬度高、耐磨性能好；化學(xué)性能穩(wěn)定，不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；耐熱耐氧化，摩擦系數(shù)低，與基體附著牢固等。單一涂層材料很難全部達(dá)到上述技術(shù)要求。涂層材料的發(fā)展，已由最初的單一TiN涂層、TiC涂層，經(jīng)歷了 TiCA12O3一TiN復(fù)合涂層和TiCN、TiAlN等多元復(fù)合涂層的發(fā)展階段，現(xiàn)在最新發(fā)展了TiNNbN、TiNCN，等多元復(fù)合薄膜材料

3、，使刀具涂層的性能有了很大提高。一些涂層新材料的顯微硬度參見(jiàn)文獻(xiàn)1。    硬質(zhì)涂層材料中，工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的是TiN。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家TiN涂層高速鋼刀具的使用率已占高速鋼刀具的50一70，有的不可重磨的復(fù)雜刀具的使用率已超過(guò)90。由于現(xiàn)代金屬切削對(duì)刀具有很高的技術(shù)要求，TiN涂層日益不能適應(yīng)。TiN涂層的耐氧化性較差，使用溫度達(dá)500時(shí)，膜層明顯氧化而被燒蝕，而且它的硬度也滿足不了需要。    TiC有較高的顯微硬度，因而該材料的耐磨性能較好。同時(shí)它與基體的附著牢固，在制備多層耐磨涂層時(shí)，常將TiC作為與基體接觸的底層膜，

4、在涂層刀具中它是十分常用的涂層材料。    TiCN和TiAlN的開(kāi)發(fā)，又使涂層刀具的性能上了一個(gè)臺(tái)階。TiCN可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高涂層的韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴(kuò)散，減少刀具崩刃。將TiCN設(shè)置為涂層刀具的主耐磨層，可顯著提高刀具的壽命。TiAlN化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化磨損，加工高合金鋼、不銹鋼、欽合金、鎳合金時(shí)，比TiN涂層刀具提高壽命34倍。在TiAlN涂層中如果有較高的Al濃度，在切削時(shí)涂層表面會(huì)生成一層很薄的非品態(tài)A12O3，形成一層硬質(zhì)惰性保護(hù)膜，該涂層刀具可更有效地用于高速切削加工。摻氧的氮碳化鈦TiCNO具有很高的顯微硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，可

5、以產(chǎn)生相當(dāng)于TiC十A12O3復(fù)合涂層的作用。文獻(xiàn)1列出的一些過(guò)渡金屬氮化物、碳化物、硼化物以及它們的多元復(fù)合化合物，有的具有相當(dāng)高的硬度，這些材料都可以開(kāi)發(fā)出來(lái)應(yīng)用于涂層刀具，將會(huì)使涂層刀具的性能有新的突破。22低壓氣相合成金剛石薄膜的應(yīng)用    在上述硬質(zhì)薄膜材料中，顯微硬度 HV能夠超過(guò)50GPa的有3種：金剛石薄膜、立方氮化硼CBN、氮化碳C3N4。這些為數(shù)不多的超高硬度薄膜材料的出現(xiàn)，為涂層刀具硬質(zhì)薄膜的發(fā)展開(kāi)辟了十分稀少而昂貴的天然金剛石遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代工業(yè)的需要。20世紀(jì)50年代中期，美國(guó)通用汽車公司人工合成了金剛石，得到顆粒狀和粉末狀金剛石。由于顆

6、粒狀金剛石加工困難，很難把它涂到刀具表面。機(jī)械行業(yè)常用的聚品金剛石刀片(PCD)也由于幾何形狀單一，無(wú)斷屑槽和合理的幾何參數(shù)，限制了其性能的發(fā)揮。70年代初采用低壓化學(xué)氣相沉積方法合成了金剛石薄膜，經(jīng)過(guò)20多年的技術(shù)攻關(guān)，低壓氣相合成金剛石的技術(shù)終于有了重大突破，研究金剛石成為世界性的熱門課題。    金剛石和石墨是同素異形體，金剛石品體是立方品系，屬Fd3m空間群；而石墨是六角品系，屬R3m空間群。由于原子之間的鍵合方式不同，使其性能差異十分巨大。從熱力學(xué)的理論來(lái)看，石墨比金剛石更穩(wěn)定。低壓氣相生長(zhǎng)金剛石，在碳的相圖中，是在石墨為穩(wěn)態(tài)而金剛石為亞穩(wěn)態(tài)的區(qū)域中進(jìn)行

7、。然而，由于兩相的化學(xué)勢(shì)十分接近，兩相都能生成。低壓氣相合成金剛石的關(guān)鍵技術(shù)是抑制石墨相，促進(jìn)金剛石相生長(zhǎng)。常用的合成方法有熱絲法，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)，包括微波PCVD、電子回旋共振 ECRPCVD、直流和射頻PCVD等方法，直流和高頻電弧放電熱等離子體法等。反應(yīng)過(guò)程中輸入的能量(如射頻功率、微波功率等)、反應(yīng)氣體的激活狀態(tài)和最佳配比、沉積過(guò)程的成核模式等，對(duì)于生成金剛石膜有決定性作用。襯底材料的晶型和點(diǎn)陣常數(shù)對(duì)金剛石膜成核生長(zhǎng)影響很大，當(dāng)金剛石相和石墨相在襯底上同時(shí)成核時(shí)，石墨相就會(huì)迅速生長(zhǎng)。如果存在高濃度的原于氫就會(huì)對(duì)長(zhǎng)出的石墨相起腐蝕作用而將石墨相除去，雖然它也能對(duì)金

8、剛石相起腐蝕作用，但速度卻慢得多，從而達(dá)到抑制石墨相生長(zhǎng)的目的。許多沉積金剛石薄膜的溫度要求為600一900，因此該技術(shù)常用于硬質(zhì)合金刀具表面沉積金剛石薄膜。    金剛石硬質(zhì)合金刀具的商品化，是近幾年涂層技術(shù)的重大成就。23立方氮化硼CBN薄膜技術(shù)尚待突破2，3    與人工合成金剛石薄膜相比，人工合成CBN薄膜的研究工作開(kāi)展得較晚。 BN有3種異構(gòu)體：    CBN立方品系閃鋅礦結(jié)構(gòu)，F(xiàn)43m空間群；hBN六方品系石墨結(jié)構(gòu)，P6mmc空間群；wBN六方品系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，P63mc空間群。3種異構(gòu)體的性能

9、差別很大，hBN具有與石墨極為相似的結(jié)構(gòu)，質(zhì)地很軟。而wBN和CBN中， B、N原子都要被此形成四配位結(jié)構(gòu)，它們都是超硬材料。用高溫高壓方法得到的CBN是顆粒狀晶體，最高顯微硬度可達(dá)843GPa，CBN薄膜的最高顯微硬度為618GPa，其綜合性能并不亞于金剛石薄膜。CBN在硬度和導(dǎo)熱率方面僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性極好，在大氣中加熱至1000也不發(fā)生氧化。CBN對(duì)于鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能，與金剛石不宜加工鋼材不同，它可以廣泛用于鋼鐵制品的精加工、研磨等。CBN涂層除具有優(yōu)良的耐磨損性能外，還可以在相當(dāng)高的切削速度下加工耐熱鋼、鈦合金、淬火鋼，能切削高硬度的冷硬軋輥、摻碳淬火材料和對(duì)刀具磨損

10、非常嚴(yán)重的SiAl合金等。低壓氣相合成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。 CVD包括化學(xué)輸運(yùn)PCVD，熱絲輔助加熱PCVD、ECRCVD等；PVD則有反應(yīng)離子束鍍、活性反應(yīng)蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。    CBN的合成技術(shù)，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)方面都還有不少工作要做，包括反應(yīng)機(jī)制和成膜過(guò)程、等離子體診斷和質(zhì)譜分析、最佳工藝條件的確定、高效率設(shè)備的開(kāi)發(fā)等。24有可能超過(guò)金剛石硬度的氮化碳    20世紀(jì)80年代末，美國(guó)科學(xué)家IIU和CohenE4設(shè)計(jì)了類似pSi3N4的新型化合物pC3N4，采用固體物理和量子化學(xué)理論，計(jì)算

11、了它的體模量、能帶和品格常數(shù)，發(fā)現(xiàn)氮化碳的體模量達(dá)到金剛石的數(shù)值范圍。由于物質(zhì)的硬度與體模量成正比，這樣序C3N4的硬度有可能達(dá)到金剛石的硬度，這引起世界各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注。1994年，IIU公布了他的研究新成果E53，他采用了可變品格模型分子動(dòng)力學(xué)(VCSMD)從頭計(jì)算法，擴(kuò)展了低能量C3N4固體的理論研究，指出C3N4可能具有3種結(jié)構(gòu)：六角品系的p相、立方品系的閃鋅礦結(jié)構(gòu)和三角品系的類石墨結(jié)構(gòu)。1996年，美國(guó)的丁eter和Hemley6仍然采用第一性原理從頭計(jì)算法，但改變了計(jì)算過(guò)程。使用初始條件時(shí)，采用共扼梯度法使電子自由度達(dá)到最?。皇褂眠吔鐥l件時(shí)采用周期函數(shù)，將電子的波函數(shù)以平面波展開(kāi)；

12、使用了擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)守恒和強(qiáng)度守恒(ENHC)陽(yáng)勢(shì)。得到了5種結(jié)構(gòu)的C3N4，它們分別是n相、p相、立方相缺陷閃鋅礦結(jié)構(gòu)、立方相硅鋅礦E結(jié)構(gòu)和類石墨相。除類石墨相以外，其它4種都是超硬材料。其中立方相硅鋅礦E結(jié)構(gòu)cC3N4的體模量超過(guò)了金剛石。因此，氮化碳有可能具有達(dá)到或超過(guò)金剛石的硬度。    合成氮化碳的成功，是分子工程學(xué)十分杰出的范例。作為超硬材料的氮化碳，預(yù)期還有其它許多寶貴的物理化學(xué)性質(zhì)，研究氯化碳成為世界材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門課題。合成氮化碳的主要方法有直流和射頻反應(yīng)濺射法、激光蒸發(fā)和離子束輔助沉積法、ECRCVD法、雙離子束沉積法等。日本岡山大學(xué)采用電子束蒸發(fā)

13、離子束輔助沉積法獲得的氮化碳薄膜，達(dá)到目前氮化碳的最高顯微硬度：638GPa。我國(guó)清華大學(xué)也獲得608GPa的高硬度氮化碳。武漢大學(xué)合成的氮化碳硬度達(dá)到50OGPa，并沉積到高速鋼麻花鉆上，獲得非常好的鉆孔性能。制備氮化碳超硬涂層的關(guān)鍵技術(shù)是避免石墨相的析出。3怎樣提高涂層刀具的使用效果    刀具材料的選用決定于切削條件，也決定于哪個(gè)面將被重磨。例如，如果刀具的前刀面被重磨，使用含鉆的高速鋼會(huì)更有利，因?yàn)樵诘毒咔暗睹鏌o(wú)涂層之后，這種鋼更耐月牙洼磨損。刀具材料的進(jìn)步，出現(xiàn)了高速鋼、硬質(zhì)合金、各種增韌陶瓷、銑基金屬陶瓷、聚品金剛石和cBN等材質(zhì)刀具的使用，大大提高了

14、金屬切削的加工效率。每種材料的刀具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因而有特定的用途。    涂層刀具對(duì)刀具幾何形狀提出了新的要求。一般認(rèn)為，刀具幾何形狀的改進(jìn)，如前角、排屑空間等，應(yīng)集中在排屑能力上，以適應(yīng)在更高的進(jìn)給量和更高的速度下切削量的增加。涂層刀具有較高的加工效率，它允許有較高的進(jìn)給量和切削速度(可增至原切削速度的23倍)。對(duì)于難加工材料，涂層對(duì)刀具性能改善較大。    具有超硬涂層的刀具之所以磨損量小，是由于膜層超硬化合物的硬度高、熔點(diǎn)高、熱化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良所致。超硬化合物多為過(guò)渡金屬的氮化物、碳化物和硼化物所組成。它們以強(qiáng)大的共價(jià)鍵結(jié)合，具

15、有很低的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能，構(gòu)成了十分穩(wěn)定的體系，在高溫下硬度也不顯著降低。這些膜層較之硬質(zhì)合金和高速鋼等刀具材料顯示出更高的耐機(jī)械磨損和耐熱磨損等方面的能力。    鍍膜條件、工藝參數(shù)、鍍前基體預(yù)處理等對(duì)于優(yōu)質(zhì)涂層的制取是非常重要的。刀具表面的狀態(tài)對(duì)涂層的附著力至關(guān)重要，被鍍工件表面必須沒(méi)有其它膜層、燒斑、銹斑、油污或其它沾污。工件要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的噴砂和去油清洗，在真空中生長(zhǎng)硬質(zhì)膜前還要進(jìn)行離子轟擊清洗。    不同涂層材料的刀具，使用效果是不一樣的。低速切削，TiC涂層占有優(yōu)勢(shì)；高速切削，TiN較合適；HfN的熱化學(xué)穩(wěn)定性比TiN更高，適

16、合于在更高的切削速度下工作。TiN和 A1203涂層相比，高速切削時(shí)A1203涂層占有明顯優(yōu)勢(shì)，而低速切削時(shí)TiN涂層刀具的使用壽命更長(zhǎng)。    刀具壽命與膜厚也有一定的關(guān)系。若以后刀面磨損為基準(zhǔn)，隨膜厚增加刀具壽命也會(huì)增加，但膜厚為5m時(shí)達(dá)到飽和，即壽命不再明顯增加；但如果以前刀面月牙洼深度為刀具壽命的基準(zhǔn)，刀具壽命與膜厚成正比，未發(fā)現(xiàn)飽和現(xiàn)象。膜層太厚時(shí)易引起剝離，現(xiàn)在車刀的涂層厚度多為5m一10m。    對(duì)于銑刀的硬質(zhì)涂層，膜厚的影響卻不相同。對(duì)鋼制工件進(jìn)行銑削加工時(shí)，無(wú)論采用哪種膜層，膜厚大約2m時(shí)刀具壽命最長(zhǎng)，膜厚再增加時(shí)壽命反而下降。但是對(duì)沖擊作用較小的鑄鐵等進(jìn)行加工時(shí)，最佳膜厚向更厚的方向變化。在銑削中，TiC涂層具有最好的效果，而A12O3涂層卻顯示不出在車削加工中的優(yōu)勢(shì)。