刀具涂层.pdf

涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物（也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而制备的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了基体的磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具寿命提高 35 倍以上，提高切削速度 20%70%，提高加工精度 0.51 级，降低刀具消耗费用 20%50%。现状涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过 50%。切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。类别涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，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。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度（可提高 10%以上），可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。新型涂层技术Ti-Al-X-N 新型涂层技术是利用气相沉积方法在高强度工具基体表面涂覆几微米高硬度、高耐磨性难熔 Ti-Al-X-N 涂层，从而达到减少刀具磨损，延长寿命，提高切削速度的目的。它是高档数控机床与基础制造装备国家重大专项课题取得的重要成果。涂层方法生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积（PVD)法和化学气相沉积（CVD)法。前者沉积温度为 500，涂层厚度为 25m；后者的沉积温度为 9001100，涂层厚度可达 510m，并且设备简单，涂层均匀。因 PVD 法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用 PVD 法，硬质合金大多采用 CVD 法。硬质合金用 CVD 法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层（相），导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用 PVD 法。国外还用 PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为 PACVD 法（等离子体化学气相沉积法）。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至 400以下（涂覆温度已可降至180200），使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼（CBN）超硬涂层特别有效。涂层材料涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的 TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的 TiCN、TiAlN、TiAlN 多元、超薄、超多层涂层与 TiC、TiN、Al2O3 等涂层的复合，加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是 TiN，但 TiN 与基体结合强度不及 TiC 涂层，涂层易剥落，且硬度也不如 TiC 高，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC 涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。TiCN 兼有 TiC 和 TiN 两种材料的优点，它在涂覆过程中可通过连续改变 C、N 的成份控制 TiCN 性质，并形成不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩刃。所以，生产的一些刀片，如瑞典 Sandvik 公司推荐用于加工钢料的 GC4000 系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的 CN 系列刀片、日本东芝公司的 T715X 和 T725X 涂层刀片中均有 TiCN 涂层成份。TiCN 基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可提高 23 倍。硬质涂层TiAlN、CrN、TiAlCrN 是开发的硬质涂层新材料。TiAlN 涂层刀片已商品化。它的化学稳定性和抗氧化磨损性能好，用其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和镍合金时的刀具寿命可比TiN 涂层高 34 倍。此外，TiAlN 涂层中如果有合适的铝浓度，切削时在刀具前刀面和切屑的界面上还会产生一层硬质的惰性保护膜，该膜有较好的隔热性，可更有效地用于高速切削。例如，美国 Kennametal 公司推出的 H7 刀片，系 TiAlN 涂层，是专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而设计的。CrN 是一种无钛涂层，适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其它软材料，化学稳定性好，不产生粘屑。TiAlCrN 是一种梯度结构涂层，不仅具有高的韧性和硬度，而且摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优于TiN。氮化钛涂层德国某公司开发了 Supernitride 涂层系列，其中超级氮化钛涂层有很高的含铝量，可形成稳定的氧化层（氧化温度达 1000），它比一般的 TiAlN 涂层更硬、更致密、更耐高温，适用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高达 58HRC 以上的淬火钢。纳米涂层此外，纳米超薄膜涂层工艺已日趋成熟。据报道，日本某公司推出了一种高速强力型钻头，它是在韧性好的 K 类（WC+Co）硬质合金基体上交互涂覆了 1,000 层 TiN 和 AlN 超薄膜涂层，涂层厚度约 2.5 微米。使用表明，该钻头的抗弯强度与断裂韧性可大幅度提高，其硬度则与 CBN 相当，刀具寿命可提高 2 倍左右。该公司还开发出 ZX 涂层立铣刀，超薄膜镀层数达2,000 层，每层厚度约 1nm，用该立铣刀加工 60HRC 的高硬度材料，刀具寿命远高于 TiCN 和TiAlN 涂层刀具。第八届中国国际机床展览会（CIMT2003）上，瑞士某公司推出的纳米结构涂层（AITiN/SiN)立铣刀，其涂层硬度为 45GPa，氧化温度 1100，切削对比试验表明，其寿命比 TiN 涂层立铣刀高 3 倍，比 TiAlCN 涂层立铣刀高 2 倍。除上述 AITiN/SiN、TiAlCN 新涂层外，还有特定功能的涂层，如 MoS2、DLC 润滑涂层，其摩擦因数小（0.05），适于涂覆丝锥、钻头等刀具，可改善排屑性能，或者作为复合涂层的表面涂层，减少切屑的粘结。世界顶尖刀具涂层技术介绍世界顶尖刀具涂层技术介绍内容来源网络，由深圳机械展收集整理！内容来源网络，由深圳机械展收集整理！更多数控刀具技术展示，就在深圳机械展更多数控刀具技术展示，就在深圳机械展-刀具展区！刀具展区！切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。1.1.刀具涂层的特点刀具涂层的特点（1）力学和切削性能好。涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。因此，涂层刀具的切削速度与未涂层的相比，切削速度可提高 25 倍，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。（2）通用性强。涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，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。2.2.涂层的分类涂层的分类根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积（Chemical Vapour Deposition，简称 CVD）涂层刀具、物理气相沉积（Physical Vapour Depositon，简称 PVD）涂层刀具及混合工艺及组合技术。CVD涂层原理如图 1a 所示，PVD 涂层原理如图 1b 所示。混合工艺是等离子辅助 CVD 技术与传统的 PVD 技术进行有效的结合。比如先沉积传统的 CrN 硬质涂层，再在最上面沉积一层用于减少摩擦的 DLC 涂层。组合技术是涂层前对工具或零部件的表面层进行氮化，可以提高涂层的功效。CVD 可以涂覆耐磨损性优异的 TiCN、耐热性非常优异的 Al2O3 厚膜，因此在产生高温的高速、高效率切削加工中能显示出长寿命，CVD 涂层如图 2a 所示。PVD 一般用在与无涂层硬质合金、高速钢相同或较高速的切削速度条件下，以延长刀具寿命为目标。对基体制约少、损伤小，因此特别适合用于要求耐磨损性、耐崩刃性的刀具，也适用于要求锋利刃口的低进给加工与精加工或螺纹加工工具等，PVD 涂层如图 2b 所示。根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具以及在陶瓷和超硬材料（金刚石和立方氮化硼）上的涂层刀具等。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积法，沉积温度在 1000左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法，沉积温度在 500左右。金刚石涂层采用 CVD（化学蒸镀法）在硬质合金基体上合成。合成的涂层具备与天然金刚石相匹敌的硬度与导热系数，在非铁材料的加工中发挥着优异的性能。金刚石涂层刀具由于其良好的切削性能，在切削加工领域具有广阔的应用前景，是加工石墨、金属基复合材料、高硅铝合金及许多其他耐磨蚀材料的理想刀具，目前其主要应用领域是汽车和航空航天工业。金刚石涂层刀具的组织如图 3 所示。根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，其主要优点是硬度高、耐磨性好，典型的是 TiC 和 TiN 涂层，各种涂层刀具如图 4 所示。“软”涂层刀具是采用固体润滑剂如 MoS2、WS2 等制备的刀具，“软”涂层追求的目标是低摩擦系数，也称为自润滑刀具，它与工件材料的摩擦系数很低，只有 0.1 左右，可减小粘、减轻摩擦、降低切削力和切削温度。对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了较大的提高，应用领域不断扩大，涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力，将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。目前国外硬质合金可转位刀片的涂层比例在 70%以上，欧洲齿轮刀具的涂层比例高达 90%。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、复合孔加工工具、齿轮滚刀、剃齿刀、成形拉刀及各种机夹可转位刀片，满足高速切削加工各种钢和铸铁、耐热合金和有色金属等材料的需要。3.3.涂层刀具的制备涂层刀具的制备精密工具、零部件和功能件的新型高性能涂层都是由涂层炉生产出来的。因为不同的应用需要不同种类的涂层，且需要快速的交货期，因此涂层炉必须要有足够的灵活性，以保证生产不同系列的涂层都能有最佳的成本效益。现代化的涂层设备能够在金属、陶瓷甚至是塑料的表面进行快速、稳定且全自动的涂层。现代涂层设备必须满足以下准则：单炉时间短。日常运营成本低。灵活性高。设备保养和备件费用成本设计低。生产可靠性高。全自动操作。CE 认证，职业安全标准高。4.4.涂层的选用涂层的选用为了更好地选择和发展刀具及零部件的最佳功效，需要鉴别其主要及特定的磨损性和失效机理。磨损、粘附、腐蚀和疲劳都视为磨损机理，而且都取决于实际的应用。经验指出，材料的摩擦和磨损都不是材料的原因，而是整个系统的原因。因此，在选择涂层前就必须分析整个摩擦系统，包括零部件的技术性能、抗压力范围以及磨损机理的类型。5.5.实际案例实际案例Inveio-Inveio-单一晶体定向技术单一晶体定向技术Inveio是对氧化铝涂层中单一晶体定向技术的一项突破，赋予刀片更高的耐磨性和更长的刀具寿命。材料科技背景：材料科技背景：在传统的 CVD 氧化铝涂层中，晶体的生长方向是随机的。在开发 Inveio时，我们的专家们找到了一种控制该涂层中晶体生长的方法，以确保所有晶体都沿着相同的方向排列，并使最坚固的部分朝向顶面。您可以在下面的显微镜图片中看到这种情形，其中，每种晶体方向都被赋予一种独特的颜色。在传统的 CVD 氧化铝涂层中，晶体取向是随机的。通过 Inveio，氧化铝涂层中的所有晶体都沿着相同的方向朝向顶面排列。InveioInveio 的作用：的作用：紧密排列的单向晶体在切削区域和铁屑间构造了一个坚固的屏障。这极大程度地改进了抗月牙洼磨损和抗后刀面磨损特性。另一种作用是能够更迅速地将热量从切削区域带走，从而有助于切削刃在更长时间的切削期间保持不变形。可预测性和长刀具寿命：可预测性和长刀具寿命：Inveio对刀片强度、耐磨性和刀具寿命具有最大的单独影响。Inveio 涂层与刀片的所有其他元素相结合：基体、刃边处理和后处理工艺。它们可共同确保可预测的长刀具寿命。案例案例 2 2：京瓷涂层技术：京瓷涂层技术产品简介：产品简介：京瓷先进“KCRIOS”CVD 涂层以独创的结晶控制技术与覆膜密度强度的提高，将CVD 图层带到了一个全新的阶段。车削新涂层 CA5 系列结合最新 P 系列断屑槽，使车削从粗加工到精加工实现长寿命及优良的断屑效果，铣削CVD 新涂层 CA420M 结合铣削 GM、GH、GL 及修光刃 W 断屑槽使铣削刀具寿命更高，“KCRIOS”CVD 涂层使我们车削、铣削加工刀具实现长寿命、稳定加工。“KCRIOSKCRIOS”CVDCVD 涂层的特点：涂层的特点：寿命延长：寿命延长：朝着高耐磨性与高崩损性的方向控制-Al2O3 的结晶成长；-Al2O3 的结晶呈现柱状化/细微化，相比以往涂层更具有高硬度，高韧性。从而提高了刀具的寿命，并可对应多样加工。抑制涂层剥离：抑制涂层剥离：对界面的优化处理使其覆膜密着强度比以往提高了40%；-Al2O3 层与 TiCN 层的界面改善使其密着强度提高了40%；抑制涂层剥离大幅提高了寿命稳定性。防止崩损：高纵横比 TiCN 层提高了覆膜强度与抗崩损性；TiCN 层与以往产品相比更加细微化。控制结晶方向形成致密组织构造。大幅提高其耐磨损性。“KCRIOS”涂层结合车削、铣削丰富的断屑槽使加工更加稳定。