刀具涂层.docx
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1、涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体外表上,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,削减了刀具与工件间的集中和化学反响,从而削减了基体的磨损。涂层刀具具有外表硬度高、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,降低刀具消消耗用 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、
2、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承受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外表的断裂韧度可提高 10%以上, 可削减刀片的崩刃及破损,扩大应用范围。型涂层技术Ti-Al-X-N 型涂层技术是利用气相沉积方法在高强度工具基体外表涂覆几微米高硬度、高耐磨性难熔 Ti-Al-X-N 涂层,从而到达削减刀具磨损,延长寿命,提高切削速度的目的。它是高档
3、数控机床与根底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,并且设备简洁,涂层均匀。因 PVD 法未超过高速钢本身的回火温度,故高速钢刀具一般承受 PVD 法,硬质合金大多承受 CVD 法。硬质合金用 CVD 法涂层时,由于其沉积温度高,故涂层与基体之间简洁形成一层脆性的脱碳层 相,导致刀片脆性裂开。近十几年来,随着涂覆技术的进步,硬质合金也可承受 PVD 法。国外还用 PVD/CVD相结合的技术,开发了复合的
4、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响,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集中、相变或交换反响,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响、耐热 耐氧化、摩擦因数低,以及与基体附着结实等要求。明显,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、复合和多元涂层的阶段。开发的 TiCN、TiAlN、Ti
5、AlN 多元、超薄、超多层涂层与 TiC、TiN、Al2O3 等涂层的复合,加上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转变 C、N 的成份掌握 TiCN 性质,并形成
6、不同成份的多层构造,可降低涂层的内应力,提高韧性,增加涂层的厚度,阻挡裂纹的扩展,削减崩刃。所以,生产的一些刀片,如瑞典 Sandvik 公司推举用于加工钢料的 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 基涂层适于加工一般钢、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
7、比TiN 涂层高 34 倍。此外,TiAlN 涂层中假设有适宜的铝浓度,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 是一种梯度构造涂层,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
8、 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。使用说明,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2,0
9、00 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CIMT2023上,瑞士某公司推出的纳米构造涂层AITiN/SiN) 立铣刀,其涂层硬度为 45GPa,氧化温度 1100,切削比照试验说明,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 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外表涂层,削减切屑的粘结。世界顶尖刀具涂层技术介
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