刀具涂技術(shù)的新進(jìn)展-武漢理工大學(xué)

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。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2．1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：①硬度高、耐磨性能好；②化學(xué)性能穩(wěn)定，不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；⑧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TiC—A12O3一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TiN／NbN、TiN／CN，等多元復(fù)合薄膜材料，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，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3—4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。2．2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β—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。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ECR—PCVD、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。2．3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：