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涂层刀具的涂层材料、方法及发展方向
2006年8月15日 8:53  来源:中国数控机床网
    在切削加工中,刀具性能对切削加工的效率、精度、面质量有着决定性的影响。刀具性能的两个关键指标——硬度和强度(韧性)之间似乎总是存在着矛盾,硬度高的材料往往强度和韧性低,而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。在较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜(如TiC、TiN、Al2O3,等)组成的涂层刀具,较好的解决了刀具存在的强度和韧性之间的矛盾,是切削刀具发展的一次命。

    涂层刀具是近20年来发展最快的新型刀具。目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上,CNC机上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。

    1 涂层刀具、涂层材料及涂层方法

    涂层刀具的特点

    涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点,提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广,加工范围显著扩大,使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用,因而可以大大减少刀具的品种和库存量,简化刀具管理,降低刀具和设备成本。但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后,因基体材料和涂层材料性质差别较大,涂层残留内应力大,涂层和基体之间的界面结合强度低,涂层易剥落,而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。

    常用的涂层材料及性质

    常用的涂层材料

    常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。根据化学键的特征,可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。

    涂层材料的性质

    金属键型涂层材料(如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等)熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好,具有良好的综合性能,是最普通的涂层材料。共价键型涂层材料(如B4C、SiC、BN、金刚石等)硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。而离子键型材料化学稳定性好、脆性大、热胀系数大、熔点较低、硬度不太高。

    在这些涂层材料中,用的最多的是TiC、TiN、Al2O3、金刚石以及复合涂层。

    TiC耐磨性好,能有效地提高刀具的抗月牙洼磨损能力,适合于低速切削及磨损严重的场合;TiN涂层具有低的摩擦系数,润滑性能好,能减少切削热和切削力,适合于产生融合和磨损的切削;Al2O3的高温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比TiC和TiN好,月牙洼磨损率低,适合于高速、大切削热切削;金刚石涂层硬度和热导性高,摩擦系数很低,适合于有色金属合金的高速切削;而复合涂层综合几种涂层材料的特点,目前以双涂层和三涂层组合居多。

    常用涂层方法

    目前常用的涂层方法是CVD(化学气相沉积法)和PVD(物理气相沉积法),其它方法如等离子喷涂、火焰喷涂、电镀、溶盐电解等还存在较大的应用局限性。

    CVD法是利用金属卤化物的蒸气、氢气和其它化学成分,在950~1050℃的高温下,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。CVD法工艺要求高,而且由于氯的侵蚀及氢脆变形可能导致涂层易碎裂、基体断面强度下降,涂层硬质合金时还易产生脱碳现象而形成n相。近年来,中、低温CVD法和PCVD法开发成功,改善了原有CVD工艺。

    PVD法起步晚、发展快、温度低( 约300~500℃),优点很多,但涂层的均匀性不如CVD法,涂层与基体结合不太牢固,涂层硬度比较低,涂层优越性未得到充分体现。PVD 法工艺要求比CVD 法高,设备更复杂,涂层循环周期长。目前常用的PVD方法有低压电子束蒸发(LVEE)法、阴极电子弧沉积法(CAD)、三极管高压电子束蒸发法(THVEE)、非平衡磁控溅射法(UMS)、离子束协助沉积法(IAD)和动力学离子束混合法(DIM),其主要差别在于沉积材料的气化方法以及产生等离子体的方法不同而使得成膜速度和膜层质量存在差异。

    2 涂层刀具的发展方向

    新型的涂层材料

    刀具涂层材料出现了很多新种类:TiCN基新涂层兼有TiC和TiN涂层良好的韧性和硬度,比常用的TiN刀具耐用度高2~4倍。此外,以TiCN为基的多元成分新涂层材料如(Ti,Zr)CN、( Ti,Al)CN、(Ti,Si)CN等纷纷出现。AlON涂层刀具产生的月牙洼磨损极小。TiAlN有很高的高温硬度和优良的抗氧化能力,涂层硬度高,抗氧化性能好,切削性能优于TiN涂层,用于加工航天合金材料时的刀具寿命可提高1~4倍。CrC和CrN涂层是无钛涂层,可有效地切削钛和钛合金以及合金等其它软材料。另外,Hf、Zr、Ta的碳化物与氮化物,Hf、Zr、Ti、N、Ta的硼化物,Hf、Zr、Ti、Be的氧化物等涂层材料均成功采用。

    值得一提的是美国Multi-Scientific Coating公司的类金刚石的碳涂层,使用热阴极蒸发技术把碳沉积到刀具表面后,类金刚石碳涂层和基体结合良好,有很多金刚石相似的性能,有高的耐磨性和低的摩擦系数。其它ZrN,TiZrN类金刚石膜涂层(DLC)的应用范围也不断拓展,主要用于加工有色合金。

    氮化铝钛涂层也由原先常使用的Ti0.75Al0.25N转化为优先使用Ti0.5Al0.5N,Ti0.5Al0.5N涂层抗氧化温度为700℃,在空气中加热会在表面产生一层非晶态Al2O3薄膜,可以对涂层起保护作用。

    日本不二越公司开发出一种称为SG的新型涂层,它由TiN、TiCN及Ti系膜三层组成,耐磨性优于TiN涂层,且涂层与基体的结合强度高,表层为Ti系特殊膜层,具有极好的耐热性。

    瑞士还开发出一种称为“MOVIC”软涂层的新工艺,即在刀具表面涂复一层固体润滑膜二硫化钼,刀具切削寿命数倍增加,且能获得优良的加工表面。其它硫族元素如WS2等软涂层也取得了一定进展。这些软涂层在加工高强度铝合金和贵重金属方面有良好的应用前景。

    近年来,高硬度的涂层开始出现。括立方氮化硼(CBN)涂层、氮化碳(CNX)、多晶氮化物超点阵涂层等。CBN涂层硬度达5200kgf/mm2,仅次于金刚石,可有效的切削淬火钢和其它难加工合金。如果氮化碳(CNX)涂层能够形成b-C3N4,理论上可以计算出其硬度将超过金刚石。已经有氮化碳合成的报道。多晶氮化物超点阵涂层是一种很有希望的新型刀具涂层,多晶TiN/NbN和TiN/VN超点阵涂层的硬度分别为5200kgf/mm2和5600kgf/mm2,超点阵涂层由于层内或层间位错困难导致其硬度很高。

    新的涂层工艺方法

    随着涂层技术的发展,出现了综合PVD和CVD的PACVD法,另外,还有离子束溅射方法,中能离子束辅助沉积技术(IBAD)也可用于涂层,离子束辅助沉积兼有气相沉积与离子注入的优点。等离子辅助化学气相沉积(PCVD)利用等离子体来促进化学反应,可使沉积温度降低到200~500℃。Sol-Gel法由于其自身的优点也越来越受到人们的重视。

    MT-CVD(中温化学气相沉积)则在一定程度上克服了一般HD-CVD(高温化学气相沉积)的缺点,其沉积温度低(700~900℃),沉积速度快,涂层厚,工艺环镀性好,对于形体复杂的工件涂层均匀,而且涂层附着力高,涂层内部残余应力小,是一种优于HT-CVD的涂层工艺方法。

    涂层所用的基体范围也在扩大,包括高速钢、硬质合金和陶瓷都可以进行涂层。近几年来陶瓷涂层硬质合金刀具发展迅速,特别是Al2O3陶瓷由于其高化学稳定性和耐氧化性特别适用于高速切削,在陶瓷涂层中所占比例较大。

    虽然刀具涂层工艺上获得了长足的发展,特别是梯度涂层工艺,但总体说来涂层技术有待进一步提高。

    3 结论

    涂层刀具较好的解决了刀具强度和韧性之间的矛盾,大大提高了刀具的耐用度和切削速度。但存在涂层易剥落,工艺复杂昂贵等缺点。刀具涂层材料中用的最多的是TiC、TiN、Al2O3、金刚石以及复合涂层。常用涂层方法是CVD法和PVD法。

    新型的涂层材料和新的涂层工艺方法不断出现,特别是新型高硬涂层以及软涂层材料将会使涂层刀具的应用将越来越广。
 
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