刀具表面處理淺談

1、.切削刀具表面涂層技術(shù)淺談王朋朋摘要：隨著材料科學(xué)的發(fā)展和機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步，我們對切削金屬時(shí)的刀具的要求也日益提高。切削刀具向著高切削速度、高可靠性、長壽命和高精度的方向發(fā)展。因此，刀具表面的涂層技術(shù)就顯得愈加重要。關(guān)鍵詞：刀具表面處理；刀具表面涂層；物理氣相沉積Abstract: With the development of Materials Science and Mechanical technology advances, we are metal cutting tool requirement also is increasing day by day. Cutting to

2、ol in high cutting speed, high reliability, long life and high precision in the direction of development. As a result, coating on the surface of the cutting tool technology becomes more and more important.Keywords: Tools Surface ; Tools Surface Coating; PVD隨著科學(xué)技術(shù)，工藝生產(chǎn)的進(jìn)步，對材料的要求愈來愈高，同時(shí)對切削材料的刀具的要求愈加復(fù)雜

3、，要求切削的速度不斷提高，傳統(tǒng)的普通刀具往往不能夠滿足現(xiàn)在的新的要求。雖然可以采取各種手段，提高刀具材料的硬度和耐磨性，但同時(shí)也會使刀具的強(qiáng)度和韌性下降，從而影響切削加工零件的使用性能。刀具的耐磨性在于表面質(zhì)量，提高表面質(zhì)量的主要手段是對刀具表面進(jìn)行表面處理。一.刀具表面涂層技術(shù)介紹與特點(diǎn)表面涂層技術(shù)，就是再刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜，一般采用TiC、TiAlN等，由于刀具表面涂層具有很高的硬度和耐磨性，同普通刀具相比，在原來的刀具強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，又可以很好的提高刀具的表面的硬度、耐磨性和刀具的切削性能，因而可以顯著的延長刀具的使用壽命。二.刀具涂層方法的種

4、類與介紹目前工業(yè)生產(chǎn)中刀具表面涂層技術(shù)主要方法有化學(xué)熱處理，熱噴涂法、溶膠-凝膠法、氣相沉積法（化學(xué)氣相沉積CVD、物理氣相沉積PVD）、等離子體化學(xué)氣相沉積，鹽浴浸鍍法等?；瘜W(xué)熱處理是將刀具置于特定的活性介質(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入刀具的表層，以改變其化學(xué)成分，組織和性能的熱處理工藝，通常主要滲入的元素有：C、N、B、Si等。熱噴涂法是將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，使用高壓氣流使其霧化并噴于刀具表面，從而形成一定厚度的涂層，這種方法工藝簡單，生產(chǎn)率高，但涂層與集體材料的結(jié)合差，涂層硬度也不是很理想。溶膠-凝膠法就是用含有高化學(xué)組分的化合物作前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并

5、進(jìn)行水解、縮合化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)格間充滿了失去流動(dòng)性的的溶劑，形成凝膠，凝膠經(jīng)過干燥，燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料，過程易控制。氣相沉積分為化學(xué)氣相沉積CVD和物理氣相沉積PVD?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）屬于原子沉積類，是利用氣態(tài)的先驅(qū)反應(yīng)物通過原子分子間化學(xué)反應(yīng)的方法生成固態(tài)涂層技術(shù)。CVD過程大多是在相對較高的壓力和沉積溫度的環(huán)境下進(jìn)行的；因?yàn)檩^高的壓力有利于提高涂層的沉積速度，較高的沉積溫度才能使化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行。常用硬質(zhì)合金刀的CVD涂層材料有TiC、TiN、TiCN、Al2O3，以及它們的復(fù)合

6、材料，多用于普通鋼材的普通半精及精加工；TiC/Al2O3和TiC/Al2O3/TiN復(fù)合材料還可以用于高速及重負(fù)荷切削。CVD涂層工藝的溫度大約為1000，涂層和基體間的結(jié)合力很強(qiáng)，但是也會產(chǎn)生一些缺點(diǎn)：刀具切削刃一般需要鈍化預(yù)處理，刀具表面易出現(xiàn)參與拉應(yīng)力，高速鋼刀具表面涂層性能較差；此外CVD技術(shù)的沉積溫度過高，超過了大多常用材料的熱處理溫度，在這樣的高溫下，鍍層與基體都會產(chǎn)生晶粒長大和失碳，因而產(chǎn)生一種或幾種復(fù)式碳化物，會使硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度降低，同時(shí)也增大刃口的脆性，造成刀刃的過早的損壞。物理氣相沉積PVD是利用一些物理過程，如物質(zhì)的蒸發(fā)或受到粒子的轟擊時(shí)物質(zhì)表面原子的濺射現(xiàn)象，從而

7、實(shí)現(xiàn)原子從源物質(zhì)到沉積涂層的可控轉(zhuǎn)移的過程，是在分子、原子的尺度上沉積涂層。按照涂層薄膜的結(jié)構(gòu)形式，PVD涂層大致可分為單層涂層、多元涂層、梯度涂層、多層涂層和納米涂層超硬材料涂層等。與CVD相比較而言，PVD技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：PVD技術(shù)的沉積溫度低，可以在200600以下沉積TiN等超硬涂層，并且不會降低基體材料的原有抗彎強(qiáng)度。涂層具有微細(xì)結(jié)構(gòu)，在涂層的內(nèi)部會產(chǎn)生壓應(yīng)力，所以抵抗裂紋擴(kuò)展的能力強(qiáng)。涂層表面光滑，可降低摩擦系數(shù)，比CVD涂層能更有效地阻止前刀面的橫裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展?？梢允褂萌锌阡h利的刀具作基體。三.刀具涂層技術(shù)的發(fā)展自上世紀(jì)90年代初，工業(yè)發(fā)達(dá)國家就開始致力于刀具CVD涂層技術(shù)，現(xiàn)

8、已普遍應(yīng)用于各類刀具。我國PVD涂層技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)90年代中期，由于對刀具涂層市場的看好，國內(nèi)一些大型的工廠最先開始引進(jìn)了PVD刀具涂層技術(shù)和設(shè)備，引發(fā)了國內(nèi)刀具PVD刀具的研發(fā)熱潮。目前國內(nèi)刀具涂層行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的方向是PVD技術(shù)，已經(jīng)呈現(xiàn)多元化發(fā)展的趨勢，歸納起來主要有以下幾種類型：陰極電弧法；熱陰極法；磁控濺射法；磁控濺射附加陰極電弧法；空心陰極附加磁控濺射及陰極電弧法。由于傳統(tǒng)的單一涂層難以滿足提高刀具綜合機(jī)械性能的要求，而多元涂層具有加工效率高，可提高加工精度，延長刀具使用壽命降低加工成本等優(yōu)勢；涂層技術(shù)已有單層薄膜向梯度、多層、納米及納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜涂層發(fā)展。結(jié)語 涂層技術(shù)

9、在不斷的進(jìn)步，日趨復(fù)雜化和多樣化，從最初的高溫化學(xué)氣相沉積涂層發(fā)展為等離子化學(xué)氣相沉積涂層、中溫化學(xué)氣相沉積涂層等；涂層的種類也在不斷地更新，從單一的化合物涂層朝著多元復(fù)雜化合物涂層發(fā)展；涂層刀具后處理技術(shù)對刀具性能有重要的影響，目前涂層刀具處理技術(shù)包括熱處理、磁化處理、深冷處理，不難想象，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，也將會出現(xiàn)更多新型的后處理方法；涂層刀具在切削加工中的應(yīng)用的效果十分明顯，不僅減少了刀具的消耗，延長了刀具使用壽命，增大了機(jī)械加工的切削用量，提高了被加工的零件的表面質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1李曉光.刀具表面涂層技術(shù)及發(fā)展J.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2009,(16):120-1222韓敏建.刀具表面涂

10、層技術(shù)的研究進(jìn)展J.蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校報(bào),2010,(17):48-513 趙海波，周彤，梁紅櫻，李波.刀具涂層的分類與應(yīng)用J.工具技術(shù)，2005，（39）:14-17.4趙海波.我國刀具涂層技術(shù)現(xiàn)狀及展望J.表面工程資訊,2006,6(2):5-8.5于亞非.高速鋼刀具表面處理技術(shù)現(xiàn)狀J. 機(jī)械設(shè)計(jì),1987,12:82-87.6徐濱士,馬世寧,劉世參,張振學(xué),張偉.表面工程技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用J.物理學(xué)和經(jīng)濟(jì)建設(shè),1999,(8):494-499.7陳曉華.現(xiàn)代表面工程技術(shù)研究及應(yīng)用J.國防技術(shù)基礎(chǔ),2012,(5):35-39.8于啟勛.涂層刀具的新進(jìn)展J.機(jī)械工人,2007,(9):34-36.9劉世參,史佩京，徐濱士，邢忠,謝建軍.Benefit analysis and contribution prediction of enginere manufacturing to cycle economyJ. Journal of Central South Universi