淺析刀具涂層的特點(diǎn)及發(fā)展方向
發(fā)表時(shí)間：2010-01-14 文章來源：
涂層技術(shù)與材料、切削加工工藝一起并稱為切削刀具制造領(lǐng)域三大關(guān)鍵技術(shù)。從1970年最先采用CVDTiN/TiC/TiCN到1980年開始PVD涂層技術(shù)，現(xiàn)代涂層技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到刀具、模具、零部件裝飾產(chǎn)品上。采用涂層技術(shù)可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良綜合機(jī)械性能，從而大幅度提高機(jī)械加工效率。
涂層刀具近幾十年來發(fā)展最快新型刀具。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國家涂層刀具已占80%以上，CNC機(jī)床上所用切削刀具90%以上涂層刀具。由于認(rèn)識(shí)問題、價(jià)格等因素，國刀具涂層技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比尚有很大差距，涂層刀具數(shù)量也差得很遠(yuǎn)，大致只占全部刀具20%.其數(shù)控機(jī)床加工心上使用得多一些，普通非數(shù)控機(jī)床上則少得可憐。
涂層刀具特點(diǎn)
涂層刀具結(jié)合了基體高強(qiáng)度、高韌性涂層高硬度、高耐磨性優(yōu)點(diǎn)，提高了刀具耐磨性而不降低其韌性。涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴(kuò)大，使用涂層刀具可以獲得明顯經(jīng)濟(jì)效益。一種涂層刀具可以代替數(shù)種非涂層刀具使用，因而可以大大減少刀具品種庫存量，簡化刀具管理，降低刀具設(shè)備成本。但刀具現(xiàn)有涂層工藝進(jìn)行涂層后，因基體材料涂層材料性質(zhì)差別較大，涂層殘留內(nèi)應(yīng)力大，涂層基體之間界面結(jié)合強(qiáng)度低，涂層易剝落，而且涂層過程還造成基體強(qiáng)度下降、涂層刀片重磨性差、涂層設(shè)備復(fù)雜、昂貴、工藝要求高、涂層時(shí)間長、刀具成本上升等缺點(diǎn)。
常用涂層材料及性質(zhì)
常用涂層材料
常用涂層材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金剛石及復(fù)合涂層八大類數(shù)十個(gè)品種。根據(jù)化學(xué)鍵特征，可將這些涂層材料分成金屬鍵型、共價(jià)鍵型離子鍵型。
涂層材料性質(zhì)
金屬鍵型涂層材料（如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等）熔點(diǎn)高、脆性低、界面結(jié)合強(qiáng)度高、交互作用趨勢(shì)強(qiáng)、多層匹配性好，具有良好綜合性能，最普通涂層材料。共價(jià)鍵型涂層材料（如B4C、SiC、BN、金剛石等）硬度高、熱脹系數(shù)低、與基體界面結(jié)合強(qiáng)度差、穩(wěn)定性多層匹配性差。而離子鍵型材料化學(xué)穩(wěn)定性好、脆性大、熱脹系數(shù)大、熔點(diǎn)較低、硬度不太高。
這些涂層材料，用最多TiC、TiN、Al2O3、金剛石以及復(fù)合涂層。
TiC耐磨性好，能有效地提高刀具抗月牙洼磨損能力，適合于低速切削及磨損嚴(yán)重場(chǎng)合；TiN涂層具有低摩擦系數(shù)，潤滑性能好，能減少切削熱切削力，適合于產(chǎn)生融合磨損切削；Al2O3高溫耐磨性、耐熱性抗氧化能力比TiCTiN好，月牙洼磨損率低，適合于高速、大切削熱切削；金剛石涂層硬度熱導(dǎo)性高，摩擦系數(shù)很低，適合于有色金屬合金高速切削；而復(fù)合涂層綜合幾種涂層材料特點(diǎn)，目前以雙涂層三涂層組合居多。
常用涂層方法
目前常用涂層方法CVD（化學(xué)氣相沉積法）PVD（物理氣相沉積法），其它方法如等離子噴涂、火焰噴涂、電鍍、溶鹽電解等還存較大應(yīng)用局限性。
CVD法利用金屬鹵化物蒸氣、氫氣其它化學(xué)成分，950~1050℃高溫下，進(jìn)行分解、熱合等氣、固反應(yīng)，或利用化學(xué)傳輸作用，加熱基體表面形成固態(tài)沉積層一種方法。CVD法工藝要求高，而且由于氯侵蝕及氫脆變形可能導(dǎo)致涂層易碎裂、基體斷面強(qiáng)度下降，涂層硬質(zhì)合金時(shí)還易產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象而形成n相。近年來，、低溫CVD法PCVD法開發(fā)成功，改善了原有CVD工藝。
PVD法起步晚、發(fā)展快、溫度低（約300~500℃），優(yōu)點(diǎn)很多，但涂層均勻性不如CVD法，涂層與基體結(jié)合不太牢固，涂層硬度比較低，涂層優(yōu)越性未得到充分體現(xiàn)。PVD法工藝要求比CVD法高，設(shè)備更復(fù)雜，涂層循環(huán)周期長。
目前常用PVD方法有低壓電子束蒸發(fā)（LVEE）法、陰極電子弧沉積法（CAD）、三極管高壓電子束蒸發(fā)法（THVEE）、非平衡磁控濺射法（UMS）、離子束協(xié)助沉積法（IAD）動(dòng)力學(xué)離子束混合法（DIM），其主要差別于沉積材料氣化方法以及產(chǎn)生等離子體方法不同而使得成膜速度膜層質(zhì)量存差異。
涂層刀具發(fā)展方向
1新型涂層材料
刀具涂層材料出現(xiàn)了很多新種類：TiCN基新涂層兼有TiCTiN涂層良好韌性硬度，比常用TiN刀具耐用度高2~4倍。此外，以TiCN為基多元成分新涂層材料如（Ti,Zr）CN、（Ti,Al）CN、（Ti,Si）CN等紛紛出現(xiàn)。AlON涂層刀具產(chǎn)生月牙洼磨損極小。TiAlN有很高高溫硬度優(yōu)良抗氧化能力，涂層硬度高，抗氧化性能好，切削性能優(yōu)于TiN涂層，用于加工航天合金材料時(shí)刀具壽命可提高1~4倍。CrCCrN涂層無鈦涂層，可有效地切削鈦鈦合金以及鋁合金等其它軟材料。另外，Hf、Zr、Ta碳化物與氮化物，Hf、Zr、Ti、N、Ta硼化物，Hf、Zr、Ti、Be氧化物等涂層材料均成功采用。
氮化鋁鈦涂層也由原先常使用Ti0.75Al0.25N轉(zhuǎn)化為優(yōu)先使用Ti0.5Al0.5N,Ti0.5Al0.5N涂層抗氧化溫度為700℃，空氣加熱會(huì)表面產(chǎn)生一層非晶態(tài)Al2O3薄膜，可以對(duì)涂層起保護(hù)作用。
日本一公司開發(fā)出一種稱為SG新型涂層，它由TiN、TiCN及Ti系膜三層組成，耐磨性優(yōu)于TiN涂層，且涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，表層為Ti系特殊膜層，具有極好耐熱性。
瑞士還開發(fā)出一種稱為“MOVIC”軟涂層新工藝，即刀具表面涂復(fù)一層固體潤滑膜二硫化鉬，刀具切削壽命數(shù)倍增加，且能獲得優(yōu)良加工表面。其它硫族元素如WS2等軟涂層也取得了一定進(jìn)展。這些軟涂層加工高強(qiáng)度鋁合金貴重金屬方面有良好應(yīng)用前景。
近年來，高硬度涂層開始出現(xiàn)。包括立方氮化硼（CBN）涂層、氮化碳（CNX）、多晶氮化物超點(diǎn)陣涂層等。CBN涂層硬度達(dá)5200kgf/mm2,僅次于金剛石，可有效切削淬火鋼其它難加工合金。如果氮化碳（CNX）涂層能夠形成b-C3N4,理論上可以計(jì)算出其硬度將超過金剛石。已經(jīng)有氮化碳合成報(bào)道。多晶氮化物超點(diǎn)陣涂層一種很有希望新型刀具涂層，多晶TiN/NbNTiN/VN超點(diǎn)陣涂層硬度分別為5200kgf/mm25600kgf/mm2,超點(diǎn)陣涂層由于層內(nèi)或?qū)娱g位錯(cuò)困難導(dǎo)致其硬度很高。
涂層工藝方法
隨著涂層技術(shù)發(fā)展，出現(xiàn)了綜合PVDCVDPACVD法，另外，還有離子束濺射方法，能離子束輔助沉積技術(shù)（IBAD）也可用于涂層，離子束輔助沉積兼有氣相沉積與離子注入優(yōu)點(diǎn)。等離子輔助化學(xué)氣相沉積（PCVD）利用等離子體來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，可使沉積溫度降低到200~500℃。Sol-Gel法由于其自身優(yōu)點(diǎn)也越來越受到人們重視。
MT-CVD（溫化學(xué)氣相沉積）則一定程度上克服了一般HD-CVD（高溫化學(xué)氣相沉積）缺點(diǎn)，其沉積溫度低（700~900℃），沉積速度快，涂層厚，工藝環(huán)鍍性好，對(duì)于形體復(fù)雜工件涂層均勻，而且涂層附著力高，涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力小，一種優(yōu)于HT-CVD涂層工藝方法。
涂層所用基體范圍也擴(kuò)大，包括高速鋼、硬質(zhì)合金陶瓷都可以進(jìn)行涂層。近幾年來陶瓷涂層硬質(zhì)合金刀具發(fā)展迅速，特別Al2O3陶瓷由于其高化學(xué)穩(wěn)定性耐氧化性特別適用于高速切削，陶瓷涂層所占比例較大。
雖然刀具涂層工藝上獲得了長足發(fā)展，特別梯度涂層工藝，但總體說來涂層技術(shù)有待進(jìn)一步提高。
涂層刀具較好解決了刀具強(qiáng)度韌性之間矛盾，大大提高了刀具耐用度切削速度。但存涂層易剝落，工藝復(fù)雜昂貴等缺點(diǎn)。刀具涂層材料用最多TiC、TiN、Al2O3、金剛石以及復(fù)合涂層。常用涂層方法CVD法PVD法。新型涂層材料新涂層工藝方法不斷出現(xiàn)，特別新型高硬涂層以及軟涂層材料將會(huì)使涂層刀具應(yīng)用將越來越廣。
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