一文了解刀具涂层技术与材料

 
 
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金属切削加工必须满足对生产率和加工速度不断提高的要求。加工时产生的摩擦、工件和刀具的磨损是造成生产率损失的主要因素。根据德国摩擦学会的报告，在工业化国家，每年仅由摩擦和磨损造成的损失就占到社会生产总值的大约5%，因此可以改善刀具的摩擦和磨损性能的刀具涂层技术便得到了现代工业的广泛重视。
 
刀具涂层技术可使刀具获得表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等优异性能，且能有效提高刀具寿命和切削速度。目前在工业发达国家涂层刀具已占80%以上，其CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。
 
一、刀具涂层基本介绍
涂层刀具有四种：高速钢涂层刀具，硬质合金涂层刀具，以及在陶瓷和超硬材料（金刚石或立方氮化硼）刀片上的涂层刀具。
 
刀具磨损机理研究表明,在高速切削时，刀刃温度最高可达900℃，此时刀具磨损不仅是机械摩擦磨损，还有粘结磨损、扩散磨损、摩擦氧化磨损和疲劳破损，这5种磨损直接影响刀具的使用寿命。
 
而刀具涂层所起的作用表现为:
 
1. 在刀具与被切削材料之间形成隔离层；
 
2. 通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击；
 
3. 有效减少摩擦力及摩擦热。刀具通过涂层处理,实现固体润滑,减少摩擦和粘结,使刀具吸收热量减少,从而可承受较高的切削温度。
二、刀具涂层方法
目前常用的刀具涂层方法有化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)等，其中以CVD和PVD应用最为广泛。
 
1化学气相沉积法
化学气相沉积法(CVD)是利用金属卤化物的蒸气、氢气和其它化学成分，在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，在加热基体表面形成固态沉积层的一种方法。
 
高温化学气相沉积涂层的优点:
 
（1）涂层源的制备相对容易；
 
（2）可实现TiC、TiN、TiCN等单层及多元复合涂层；
 
（3）涂层与基体之间具有很高的结合强度；
 
（4）涂层具有良好的耐磨性能。
 
缺点:
 
（1）涂层是在1000以上的温度下沉积而成，由于涂覆温度高，使涂层与基体之间容易产生一层脆性的脱碳层，导致刀具脆性破裂，抗弯强度大大下降；
 
（2）涂层内部为拉应力状态，使用时容易产生微裂纹，影响刀具性能；
 
（3）CVD工艺在涂层过程中排放的废气、废液会造成环境污染。
 
化学气相沉积（CVD）工艺图
2物理气相沉积法
物理气相沉积法(PVD)是指在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。
 
物理气相沉积涂层的优点:
 
（1）涂层沉积温度低，一般在600以下，对刀具材料的抗弯强度影响很小；
 
（2）涂层内部的应力状态是压应力，更适应于硬质合金精密复杂刀具的涂层；
 
（3）对环境不造成污染；
 
（4）随着纳米涂层的出现，PVD涂层刀具质量显著提高，不仅具有结合强度高、硬度高和抗氧化性能好等优点，还能有效地控制精密刀具刃口形状及精度。
 
缺点:
 
（1）涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长，使得刀具的成本增加；
 
（2）生产的刀具抗冲击性能、硬度和均匀性比CVD技术生产的刀具差，使用寿命也比CVD技术生产的刀具短；
 
（3）涂层的刀具几何形状单一，使用领域受限；
 
（4）易产生内应力和微裂纹，原因是涂层与基体在冷却时收缩率不同。
 
PVD涂层炉内部一瞥
 
对比：CVD涂层技术和 PVD涂层技术各有优势。PVD 涂层技术工艺温度低，不影响硬质合金刀具自身的强度且刀片刃部可磨得十分锋利，也可进行除Al2O3外的多种涂层； CVD 涂层技术使得涂层与基体具有更好的结合强度，且膜厚易于控制，一般车削刀片的CVD涂层性能要高于 PVD涂层。因此2种涂层技术各显其能，在刀具涂层市场中占有各自的份额。
1等离子体化学气相沉积法
国外采用 CVD 与 PVD 相结合的技术，最新开发出一种低温涂层新工艺，称为等离子体化学气相沉积法(PCVD)，它利用等离子体来促进化学反应，可把温度降低至600 ℃以下。由于涂层温度低，在硬质合金基体与涂层材料之间不会发生扩散或交换反应，因而基本上可保持刀片原有的韧性，且具有更优异的切削性能。
 
4离子束辅助沉积技术
离子束辅助沉积技术(IBAD)是一种新兴的PVD 涂层技术。离子辅助气相沉积技术是指在冷相沉积涂层的同时，用具有一定能量的离子束轰击不断沉积的物质，使沉积原子与基体原子不断混合，界面处原子相互渗透溶为一体，从而大大改善涂层与基体的结合强度。它能使沉积温度降低到200℃－500℃，因而可以在较低温度下制备 C、N、B 化合物、立方氮化硼和金刚石超硬涂层，可用于因结合力欠佳而难以涂层的硬质合金。
 
三、刀具涂层材料
1硬涂层
硬涂层包括了单层薄膜和复合薄膜。涂层材料以TiC、TiN、TiCN、（Ti，Al）N、金刚石涂层等为代表。近年来，随着涂层技术的发展，新的涂层材料不断出现，简述如下：
 
（1）碳化钛（TiC）
 
TiC是最早被开发出来涂层材料之一，有着广泛的应用。TiC的硬度较高（可达3200HV左右），抗磨损性能好，适用于涂覆产生剧烈磨损的刀具。但它性脆，膜层内部的内聚力相对较低，并且在300℃的低温下就会开始分解。
 
（2）氮化钛（TiN）
 
TiN的硬度(可达2000HV，相当于80－85HＲC)虽比TiC低，但其化学稳定性好，与金属的亲和力小，摩擦系数低，润滑性好，在空气中抗氧化性能比TiC好，刃口无倒圆，切削时可大大减少刀具的摩擦和磨损，防止黏结与冷焊，并且涂层呈金黄色、外观好，因而是一种较理想的涂层材料。
 
（3）碳氮化钛（TiCN）
 
TiCN涂层是通过向TiN涂层中加入C元素得到的。C元素在涂层中可以使涂层具有更高的硬度和抗氧化温度。TiCN层兼具了TiC和TiN涂层的综合性能，可有效降低涂层总内应力，继而阻止涂层裂纹扩散，并且提高涂层的韧性，显著提高刀具使用寿命。且在低温条件下，TiCN涂层相比于TiAlN及TiN涂层具有更高的硬度以及更小的摩擦系数和更低的表面粗糙度。
 
（4）（Ti，Al）N
 
（Ti，Al）N涂层在高速切削中性能优异，它比TiN更能有效地用于连续高速车削，也适合于加工钛合金、镍合金不锈钢等工件。这种涂层因固溶硬化而有较好的硬度保持性，其抗氧化性能也比TiN和TiCN好。（Ti，A1）N在切削时会在刀屑界面上形成一层由一种非晶体的氧化铝组成的硬的惰性的保护膜，此膜的导热性差，可使切屑带走更多的切削热
 
（5）氮铬化铝（AlCrN）
 
AlCrN涂层是一种无钛涂层，与TiAlN相比，它具有更高的红硬性及抗氧化性能，使用温度可以达到1000℃，适合于硬质合金及高速钢材料涂层，用于铣削和车削加工，切削速度可以达到400 m/min以上。
 
（6）氧化铝（Al2O3）
 
相比于TiC和TiN涂层刀具，Al2O3涂层刀具具有更高的切削性能。在进行钢件高速切削时，Al2O3具有更好的化学稳定性和高温抗氧化能力，在高温下硬度的降低较TiC涂层小，因此具有更好的抗磨损和热塑性变形的能力，具有较高的耐用度。
 
（7）金刚石涂层
 
金刚石涂层的显微硬度可达10000 HV，热导性高，摩擦因数很低，适合于有色金属合金的高速切削。目前，许多沉积金刚石薄膜的温度要求为600～900℃，因此该技术常用于硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜。
 
（8）立方氮化硼（CBN）
 
CBN涂层的硬度和导热率方面仅次于金刚石，具有优良的耐磨损性能，热稳定性极好，在大气中加热至1000℃也不发生氧化。CBN对于铁族金属具有极为稳定的化学性能，与金刚石不宜加工钢材不同，它可以广泛用于钢铁制品的精加工、研磨等。
 
2软涂层
目前使用较多的硬涂层刀具追求的是高硬度和耐磨性，然而硬涂层并不适用于在航空航天工业中使用的许多高强度铝合金、钛合金或贵金属材料，于是“软”涂层便应运而生了。
 
刀具“软”涂层的主要成分为具有低摩擦系数的固体润滑材料，如：MoS2、WS2、CaS2、TaS2等。在特殊条件下使用时具有优良的摩擦学特性，如:摩擦系数低、承载极限高、高温下化学稳定性好、物性变化小、能适应1200℃以上的工作温度范围和很宽的摩擦副运动速度范围。
 
目前“软”涂层刀具技术在国内研究较少，但“软”涂层刀具可应用于干切削，对阻止粘结、减小摩擦、提高刀具寿命、降低加工成本等具有重大的理论和实际意义，具有广阔的应用前景。