刀具涂層材料的分類及研究進(jìn)展

1、6/6刀具涂層材料的分類及研究進(jìn)展摘要:采用涂層技術(shù)可有效提高切削刀具的使用壽命,使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能,從而大幅度提高機(jī)械加工效率。我國(guó)的刀具涂層材料經(jīng)過多年發(fā)展，目前正處于關(guān)鍵時(shí)期,充分了解國(guó)內(nèi)外刀具涂層材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),有計(jì)劃、按步驟地發(fā)展刀具涂層材料，對(duì)提高我國(guó)切削刀具制造水平具有重要意義。關(guān)鍵詞：涂層 刀具 硬度膜Proress n h oti tril rools and their asifictnAbc:Catn tecolgn e sed t ipovthe srie lfeof tin ols effcively and ee th ctg tols to oba

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3、mpornefrimprementoour lel nttn tolauctinKyWords: Caing ,uttng Too,Hardess， Flm 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展離不開高壽命的切削工具-刀具自刀具涂層技術(shù)從問世以來，刀具的性能得到了很大的改善,對(duì)加工技術(shù)的進(jìn)步起著非常重要的作用涂層刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志，西方國(guó)家新型數(shù)控機(jī)床所用切削刀具中有0左右使用涂層刀具，而且隨著1 世紀(jì)科技的發(fā)展，涂層刀具的比例將進(jìn)一步增加。目前在制造業(yè)所用硬質(zhì)合金刀具上采用較多的涂層有N、iC、CN、iAl 以及新出現(xiàn)的Alr、iiN 涂層等等,刀具壽命明顯提高。另外涂層在鉆頭、鉸刀、齒輪滾刀、絲錐上也都

4、獲得很好的應(yīng)用效果。隨著科技的發(fā)展,刀具涂層技術(shù)將不斷提高，刀具涂層材料也日新月異。1 刀具涂層材料的種類 刀具涂層材料有多種分類方法，根據(jù)涂層材料的性質(zhì)，刀具涂層材料可分為兩大類，即: “硬”刀具涂層材料和“軟刀具涂層材料。“硬”涂層刀具追求高的硬度和耐磨性。目前應(yīng)用最多的刀具硬涂層材料有金剛石、類金剛石、氮化碳、立方氮化硼以及iC、N、TiCN、l2O3、Ti及其組合?！败洝钡毒咄繉硬牧献非蟮湍Σ料禂?shù),與工件材料的摩擦系數(shù)很低，可減小粘結(jié)，減輕摩擦，降低切削力和切削溫度?！败洝蓖繉拥毒卟牧现饕蠸2、W2、C、TaS2等及其組合，又稱為“自潤(rùn)滑刀具”涂層材料.另外涂層方式有： 單涂層、多涂

5、層、梯度涂層、軟/硬復(fù)合涂層、納米涂層、超硬薄膜涂層等多種涂層方式，如圖 所示：2 常用“硬”刀具涂層材料的發(fā)展與應(yīng)用 隨著現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中各種新型的、難加工材料的涌現(xiàn)以及工件加工精度的不斷提高,傳統(tǒng)的切削刀具材料在很多領(lǐng)域已不能滿足需要,于是超硬刀具材料的開發(fā)和應(yīng)用越來越得到專業(yè)技術(shù)人員的重視.常用的超硬刀具涂層材料主要有金剛石薄膜、氮化碳涂層、iN、TC基涂層等，尤其是Ti、iC 基涂層應(yīng)用最為廣泛。2。 金剛石薄膜 金剛石薄膜具有優(yōu)異的力、熱、光、電等性能以及高彈性模量和低摩擦系數(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在金剛石涂層刀具領(lǐng)域，被認(rèn)為是金剛石薄膜能夠最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域之一,受到各國(guó)科學(xué)

6、界和有關(guān)公司的關(guān)注,各國(guó)都投入了大量人力物力進(jìn)行研究.自上世紀(jì)80年代開展金剛石薄膜研究熱膜,現(xiàn)在,國(guó)外已有商業(yè)化的金剛石涂層刀具出售，我國(guó)雖有許多科研單位都報(bào)道在實(shí)驗(yàn)室成功制備出高附著力的金剛石薄膜刀具，但離產(chǎn)品的完全市場(chǎng)化還有一段距離。關(guān)鍵問題是要進(jìn)一步提高附著力的前提下,解決批量生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可重復(fù)性問題 另外,金剛石薄膜的應(yīng)用在許多方面取得突破，金剛石涂層工具能加工非鐵合金如S-合金、陶瓷、纖維增強(qiáng)塑料和木材等，具有巨大的前景。金剛石涂層具有一種高度小平面形的組織結(jié)構(gòu)，這使得在刀片的前面呈顯微粗糙的表面.這種粗糙的金剛石小平面的作用可比喻為顯微斷屑器，而在刀片的后面,這種小平

7、面會(huì)導(dǎo)致工件加工表面光潔度變差。當(dāng)今，汽車工業(yè)在加工硅鋁合金(特別是系列） 零件時(shí)，主要是使用金剛石涂層刀具。金剛石涂層刀具還有望在加工金屬基復(fù)合材料（C） 、碳碳復(fù)合材料和木材加工業(yè)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用.2。2 氮化碳涂層 近年來，氮化碳（CN4） 作為一種新型的超硬材料,已成為有實(shí)用價(jià)值的刀具涂層材料.對(duì)于高速鋼刀具，經(jīng)過34涂層,對(duì)刀具耐磨性的提高極為顯著，其效果超過了TN 涂層； 高速鋼麻花鉆，經(jīng)過N涂層,能使其耐用度大為提高，可取代常用的Ti 涂層麻花鉆; 硬質(zhì)合金刀片( 刀具） ，經(jīng)過C34涂層，亦能提高刀片（ 刀具） 的耐用度,但提高幅度不如高速鋼刀具那樣大.美國(guó)物理學(xué)家A。Lu和M。

8、L。Con首先用分子工程理論,設(shè)計(jì)出超硬無機(jī)化合物氮化碳，根據(jù)體彈性模量的計(jì)算,可能達(dá)到金剛石的硬度。氮化碳作為一種超硬薄膜材料,除了具有高硬度外,還有低摩擦系數(shù)、高導(dǎo)熱性能、很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性能,能切削加工鐵族元素,作為刀具涂層材料具有廣闊的應(yīng)用前景。3TiN、TiC 基涂層 TiC 是一種高硬度的耐磨化合物,有良好的抗后刀面磨損和抗月牙洼磨損能力. iN涂層材料是目前應(yīng)用最廣的一種薄膜材料，它的硬度稍低，但它與金屬的親和力和潤(rùn)濕性能好，在空氣中抗氧化能力比iC 好,但由于它的耐高溫抗氧化性能不高限制了它的更廣泛的應(yīng)用為改善單層薄膜的性能，涂層的多元化（加入其它合金元素) 和多層化成

9、為了研究的熱點(diǎn)。 多元化薄膜如iCN 具有了T 和TiN 的綜合能力,其硬度高于Ti和TC,因此是一種較為理想的刀具涂層材料iAlN是含有抗氧化能力良好的l的一種涂層，通常采用PV（ 物理氣相沉積）方法來制備，在切削過程中 氧化而形成2O3，從而起到抗氧化和抗擴(kuò)散磨損的作用，在高速切削時(shí)，iAlN涂層刀具的切削效果優(yōu)于iN 和TiC 涂層刀具,主要原因是TiAN 涂層刀具的硬度、抗氧化和抗粘結(jié)能力高，尤其是由于TiAlN 涂層刀具具有很高的高溫硬度。多層化薄膜如TiAlN Al2多層PVD 涂層等目前研究也較多,其涂層硬度達(dá)4000 HV,涂層數(shù)為40層（總厚度5 ) 。最近又開發(fā)了納米涂層（

10、 Nano sald coting) 技術(shù),這種方法可采用多種涂層材料的不同組合滿足不同功能和性能要求,特別適合于高速干切削。硬質(zhì)合金刀具的多層納米涂層可分為5大類：氀化物氮化物:iN/VN，56GPa； N/NN,GP;2 ） 氮化物/碳化物： N/CNX, 455G; rN/CX，40 45P； 3)碳化物/碳化物: TiC /VC，Pa;TC/bC，5 -55GPa； ）氮化物或碳化物/金屬: TiN/N，52Ga;TAlN/Mo，1P； 5)氮化物/氧化物： TiAl/2O3,此外還有加入TiB2、 的體系等. 這些復(fù)合涂層每調(diào)制周期由兩種材料組合而成，厚度僅為幾納米，根據(jù)切削需要，可

11、相互疊加涂覆上百層，總厚度可達(dá)2 5。設(shè)計(jì)合理的納米涂層可使刀具的硬度和韌性顯著增加，使其具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤(rùn)滑性能，十分適合于干切削。 涂層的多層化及其相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使涂層既可提高與基體的結(jié)合強(qiáng)度又能提高其耐腐蝕性能、抗氧化性能等綜合性能，是最有發(fā)展前景材料。3“軟”刀具涂層材料的發(fā)展與應(yīng)用 “硬涂層刀具技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟金色的TiN涂層的應(yīng)用最為廣泛。 然而，諸如航空航天工業(yè)使用的許多高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金或貴金屬材料等都不適合用“硬”涂層刀具加工,仍主要使用無涂層的高速鋼或硬質(zhì)合金刀具?！败洝蓖繉拥毒叩拈_發(fā)則可較好地解決此類材料的加工問題。刀具“軟”涂層的主要成分為具有低摩擦系數(shù)的固

12、體潤(rùn)滑材料，如：MoS2、WS2、CaS2、TaS2等，在特殊使用條件下具有優(yōu)良的摩擦學(xué)特性，如:摩擦系數(shù)低、承載極限高、高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好、物性變化小、能適應(yīng)12以上的工作溫度范圍和很寬的摩擦副運(yùn)動(dòng)速度范圍,適于在高溫、高速和大載荷等特殊環(huán)境條件下使用。該類涂層可在刀具表面形成固體潤(rùn)滑膜，從而使刀具材料具有很低的摩擦系數(shù)。由于具有層狀結(jié)構(gòu)的固體潤(rùn)滑劑與摩擦表面具有較強(qiáng)的粘結(jié)能力，并且各層之間有較低的剪切強(qiáng)度，在切削過程中，存在于刀具表面的固體潤(rùn)滑膜會(huì)轉(zhuǎn)移到工件材料表面,形成轉(zhuǎn)移膜，使切削過程中摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤(rùn)滑膜之間,在固體潤(rùn)滑膜內(nèi)部，從而可達(dá)到減小摩擦、阻止粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、

13、減小刀具磨損的目的.目前“軟”涂層刀具技術(shù)在國(guó)內(nèi)研究較少,但“軟”涂層刀具可應(yīng)用與干切削,對(duì)阻止粘結(jié)、減小摩擦、提高刀具壽命、降低加工成本等具有重大的理論和實(shí)際意義,具有廣闊的應(yīng)用前景。超硬材料涂層4。1金剛石、類金剛石（DLC） 涂層 金剛石涂層是新型刀具涂層材料之一。它利用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上生長(zhǎng)出一層由多晶組成的金剛石膜,用其加工硅鋁合金和銅合金等有色金屬、玻璃纖維等工程材料及硬質(zhì)合金等材料， 刀具壽命是普通硬質(zhì)合金刀具的500倍.金剛石涂層采用了許多金剛石合成技術(shù),最普通的是熱絲法、微波等離子法和C 等離子噴射法。通過改進(jìn)涂層方法和涂層的粘結(jié)， 已生產(chǎn)出金剛石涂層刀具,

14、 并在工業(yè)上得到了應(yīng)用近年來， 美國(guó)、日本和瑞典等國(guó)家都已相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉸刀、銑刀以及用于加工印刷線路板上的小孔金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭及各種可轉(zhuǎn)位刀片, 如瑞典Sandvk 公司的D和美國(guó)nnmetal公司的KC2 等牌號(hào)產(chǎn)品。美國(guó)Trcan 公司開發(fā)的一種激光等離子體沉積金剛石的新工藝， 用此法沉積金剛石，由于等離子場(chǎng)包圍整個(gè)刀具, 刀具上的涂層均勻， 其沉積速度比常規(guī)CVD法快10倍。此法所成的金剛石涂層與基體之間產(chǎn)生真正的冶金結(jié)合，涂層強(qiáng)度高,可防止涂層脫落、龜裂和裂紋等缺陷。Cemeon 公司具有特色的V金剛石涂層技術(shù)， 200年建立生產(chǎn)線， 使金剛石涂層技術(shù)達(dá)到工業(yè)化生

15、產(chǎn)水平,其技術(shù)含量高,可以批量生產(chǎn)金剛石涂層.類金剛石涂層在對(duì)某些材料(Al、Ti 及其復(fù)合材料) 的機(jī)械加工方面具有明顯優(yōu)勢(shì).通過低壓氣相沉積的類金剛石涂層， 其微觀結(jié)構(gòu)與天然金剛石相比仍有較大差異。九十年代, 常采用激活氫存在下的低壓氣相沉積D，涂層中含有大量氫含氫過多將降低涂層的結(jié)合力和硬度， 增大內(nèi)應(yīng)力。DC中的氫在較高的溫度下會(huì)慢慢釋放出來， 引起涂層工作不穩(wěn)定.不含氫的DLC硬度比含氫的D高，具有組織均勻、可大面積沉積、成本低、表面平整等優(yōu)點(diǎn)，已成為近年來D 涂層研究的熱點(diǎn)。美國(guó)科學(xué)家A。A.oin 提出沉積超硬DC 涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為Ti2iC2LC梯度轉(zhuǎn)變涂層,使硬度由較軟的鋼基

16、體逐漸提高到表層超硬的LC 涂層.這類復(fù)合涂層既保持了高硬度和低摩擦系數(shù),又降低了脆性, 提高了承載力、結(jié)合力及磨損抗力。日本住友公司推出了在硬質(zhì)合金刀片上涂覆金剛石 的D10 涂層, 用于切削鋁合金和非鐵金屬，抗粘結(jié),能有效降低已加工表面的粗糙度. 經(jīng)過多年的研究表明： 由于類金剛石涂層的內(nèi)應(yīng)力高、熱穩(wěn)定性差及與黑色金屬間的觸媒效應(yīng)使SP結(jié)構(gòu)向S2 轉(zhuǎn)變等缺點(diǎn),決定了它目前只能應(yīng)用于加工有色金屬， 因而限制了它在機(jī)加工方面的進(jìn)一步應(yīng)用.但是近年來的研究表明，以SP2結(jié)構(gòu)為主的類金剛石涂層（也稱為類石墨涂層）硬度也可達(dá)到0GP,卻不存在與黑色金屬起觸媒效應(yīng)的問題,其摩擦系數(shù)很低又有很好的抗?jié)裥?/p>

17、，切削時(shí)可以用冷卻劑也可用于干切削，其壽命比無涂層刀具成倍提高, 可以加工鋼鐵材料, 因而引起了涂層公司、刀具廠家的極大興趣。假以時(shí)日, 這種新型的類金剛石涂層將會(huì)在切削領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。4.2 立方氮化硼（CBN） 涂層 CBN 是繼人工合成金剛石之后出現(xiàn)的另一種超硬材料, 它除了具有許多與金剛石類似的優(yōu)異物理、化學(xué)特性（ 如超高硬度， 僅次于金剛石, 高耐磨性，低摩擦系數(shù)， 低熱膨脹系數(shù)等外， 同時(shí)還具有一些優(yōu)于金剛石的特性。CBN 對(duì)于鐵、鋼和氧化環(huán)境具有化學(xué)惰性，在氧化時(shí)形成一薄層氧化硼,此氧化物為涂層提供了化學(xué)穩(wěn)定性, 因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時(shí)耐熱性也極為優(yōu)良,在相當(dāng)高的切削

18、溫度下也能切削耐熱鋼、淬火鋼、鈦合金等， 并能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對(duì)刀具磨損非常嚴(yán)重的硅鋁合金等難加工材料。自1 年Ia2gawa等成功地制備了出純的CBN涂層以來， 在國(guó)際上掀起了CN硬質(zhì)涂層的研究熱潮。低壓氣相合成CBN 涂層的方法主要有D 和PVD 法。CVD包括化學(xué)輸運(yùn)C， 熱絲輔助加熱PCV, CRCD等； 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。研究結(jié)果表明： 在合成CBN 相、對(duì)硬質(zhì)合金基體的良好粘結(jié)和合適的硬度等方面已取得了進(jìn)展，目前沉積在硬質(zhì)合金上的立方氮化硼最大僅為0201m，若想達(dá)到商品化, 則必須采用可靠的技術(shù)來沉積高純的經(jīng)濟(jì)的CBN 涂層, 其厚度應(yīng)在, 并在實(shí)際金屬切削加工中證實(shí)其效果.4。3 CNx 涂層 二十世代八十年代，美國(guó)科學(xué)家iu和C2hen設(shè)計(jì)了類似Si34的新型化合物B2C3N, 并采用固體物理和量子化學(xué)理論計(jì)算出它的硬度可能達(dá)到金剛石， 這引起了世界各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注。合成氮化碳成為世界材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門課題。日本Okayama 大學(xué)的ujimoto采用電子束蒸發(fā)離子束輔助沉積法獲得的氮化碳涂層達(dá)到631Pa， 武漢大學(xué)合成的氮化碳硬度分別達(dá)到5G，并沉積到高速鋼麻花鉆上, 獲得非常好的鉆孔性能.合成氮化碳的主要方法有真流