硬质合金刀具涂层

硬质合金刀具的涂层技术[摘要]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。重要介绍涂层硬质合金刀具涂层材料的特点、规定，涂层制备技术，分析化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD)，单、复合涂层制备办法及优缺点。[核心字]硬质合金涂层刀具;化学气相沉积法;物理气相沉积法;现状及发展引言当代化的金属切削加工规定刀具含有高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。因此,高水平、稳定的刀具涂层技术越来越受到机械加工公司的青睐。。涂层技术是提高切削效率,减少加工成本的有效途径。刀具基体与硬质薄膜表层相结合,由于基体保持了良好的韧性和较高的强度,硬质薄膜表层又含有高耐磨性和低摩擦因数,从而使刀具的性能明显提高,并且,随着涂层技术设备的日趋集成化、模块化和智能化,涂层费用已比早期下降1/2~2/3,涂层刀具在刀具总量中所占的比例将会越来越大。表面涂层硬质合金在基体硬质合金上,用（CVD）化学气相沉积,或（PVD）物理气相沉积等办法,涂覆耐磨的TiC、TiN、Al2O3等薄层,形成表面涂层硬质合金。涂层硬质合金刀片均为可转位形式,刚机夹办法装夹在刀杆或刀体上使用。含有下列优点:1)表面涂层材料含有很高的硬度和耐磨性,故与未涂层刀片相比,涂层硬质合金可采用较高的切削速度,或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。2)涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小,故切削力有一定减小,比未涂层刀片约减少5%左右。润滑薄膜含有良好的固相润滑性能,可有效地改善加工质量,也适合于干式切削加工。3)用涂层刀片加工,已加工表面质量较好。4)涂层技术作为刀具制造的最后工序,对刀具精度几乎没有影响,并可进行重复涂层工艺。5)由于综合性能好,涂层刀片有较好的通用性。一种牌号的刀片经常有较宽的合用范畴。涂层切削刀具所带来的益处:可大幅度提高切削刀具寿命;有效地提高切削加工效率;明显提高被加工工件的表面质量;有效地减少刀具材料的消耗,减少加工成本;减少冷却液的使用,减少成本,利于环保。1涂层材料的发呈现状与趋势1.1涂层材料的特点涂层的特点是涂层薄膜与刀具基体相结合,提高刀具的耐磨性而不减少基体的韧性,从而减少刀具与工件的摩擦因数,延长刀具的使用寿命。另外,由于涂层本身的热传导系数比刀具基体和加工材料低得多,能够有效减少摩擦所产生的热量,形成热屏蔽,变化热量的散失路过,从而减少刀具与工件、刀具与切屑之间的热冲击和力冲击,有效地改善了刀具的使用性能。刀具涂层所起的作用体现为:1)在刀具与被切削材料之间形成隔离层；2)通过克制从切削区到刀片的热传导来减少热冲击；3)有效减少摩擦力及摩擦热。刀具通过涂层解决,实现固体润滑,减少摩擦和粘结,使刀具吸取热量减少,从而可承受较高的切削温度。刀具表面的硬质薄膜规定:1)硬度高,耐磨性能好；2)化学性能稳定,不与工件材料发生化学反映；3)耐热耐氧化,摩擦因数低,与基体附着牢固等。单一涂层材料很难全部达成上述技术规定。单一涂层向多元复合涂层的发展把不同的涂层材料所含有的优良特性结合起来,这些特性涉及:由中间层提供高的热稳定性,由最上层提供高硬度,或者由软的或固态自润滑层的最上层提供低的摩擦因数。1.2国外刀具涂层技术的现状刀具涂层技术普通可分为化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术两大类。二十世纪六十年代以来,CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面解决。PVD技术出现于二十世纪七十年代末,由于其工艺解决温度可控制在500℃下列,因此可作为最后解决工艺用于高速钢类刀具的涂层。工业发达国家自九十年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD涂层技术的研究,至九十年代中期获得了突破性进展,PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层解决。通过几十年的研究和开发,多个刀具涂层工艺已广泛应用于硬质合金和高速钢切削刀具。涂层工艺的重要发展阶段及应用领域见表1表1重要涂层工艺发展时段及应用领域现在世界涂层技术的发展含有下列趋势:由于单一涂层材料难以满足提高刀具综合机械性能的规定,因此涂层成分将趋于多元化、复合化；为满足不同的切削加工规定,涂层成分将更为复杂、更具针对性；在复合涂层中,各单一成分涂层的厚度将越来越薄,并逐步趋于纳米化；涂层工艺温度将越来越低,刀具涂层工艺将向更合理的方向发展。1.3刀具涂层的分类从PVD技术的发展和应用角度,PVD涂层可按2种办法进行分类。按成分对涂层分辨普通可分为两大类,即硬涂层和软涂层。硬涂层以TiN、TiCN、TiAlN等为代表,涉及了单层薄膜和复合薄膜。软涂层薄膜的硬度相对较低,普通为1000HV左右。软涂层现在种类并不多,以MoS2、碳基薄膜为主,在切削加工领域内,其目的是通过在硬涂层表面覆盖一层这种薄膜,试图增加涂层表面的润滑性,改善被加工工件表面质量,以满足某些应用领域的需要。涂层的内部构造的变化已越来越多地影响着涂层刀具的应用效果。相似的涂层成分、不同的构造形式,能够造成涂层刀具使用效果的截然不同。就现在PVD技术的发展状况,涂层薄膜构造大致可分类以下:(1)单一层涂层：涂层由某一种化合物或固溶体薄膜构成,理论上讲在薄膜的纵向生长方向上涂层成分是恒定的,这种构造的涂层可称之为普通涂层。(2)复合涂层:由多个不同功效(特性)薄膜构成的构造能够称之为复合涂层构造膜,其典型涂层为现在的硬涂层+软涂层,每层薄膜各具不同的特性,从而使涂层更具良好的综合性能.(3)梯度涂层:涂层成分沿薄膜纵向生长方向逐步发生变化,这种变化能够是化合物各元素比例的变化,如TiAlCN中Ti、Al含量的变化,也能够由一种化合物逐步过渡到另一种化合物。(4)多层涂层：多层涂层由多个性能各异的薄膜叠加而成,每层膜化学组分基本恒定。(5)纳米多层涂层：这种构造的涂层与多层涂层类似,只是各层薄膜的尺寸为纳米数量级,又可称为超显微构造。(6)纳米复合构造涂层：纳米复合构造涂层。以(nc-Ti1-xAlxN)/(α-Si3N4)纳米复合相构造薄膜为例,在强等离子体作用下,纳米TiAlN晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4体内,当TiAlN晶体尺寸不大于10nm时,位错增殖源难于启动,而非晶态相又可制止晶体位错的迁移,即使在较高的应力下,位错也不能穿越非晶态晶界。随着涂层技术的进步,硬质合金刀具涂层种类也在不停地增加,从单一的化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展。通过多次实验,将单涂层与复合涂层硬质合金的刀具寿命作了比较。研究成果表明,复合涂层刀具在提高切削性能方面效果是明显的。由于复合涂层综合运用多个涂层成分的优点,使其获得更加好的综合性能,确保了非常好的耐磨性和韧性,并减少了摩擦力,因而能减少积屑瘤的形成,并含有抗机械冲击和抗热冲击性能,刀具寿命可提高2倍以上。因此,此后多层涂层刀片使用比例必将不停增加。2CVD涂层技术CVD法是运用气态物质在固体表面发生化学反映,生成固态沉积物的过程，即在硬质合金工具、模具基体上沉积TiC、TiCN等涂层,反映进行的方向与各反映物的生成自由能及温度有关。但该过程中由于基体和涂层之间各元素的扩散和化学反映,容易在基体材料表面形成一层脱碳层(η相层,W3Co3C或W6Co6C)。即使少量很薄的点状、短线状η相层(不大于012μm)对提高涂层和基体之间的结合强度和耐磨损性能有利,但由于脱碳层硬度高、脆性大,能大幅减少涂层制品的抗弯强度和韧性,从而影响涂层制品的使用性能。特别是用于精加工的螺纹刀片,由于脱碳层的影响,往往更容易引发刀尖崩刃。因此在CVD技术沉积涂层的过程中,应尽量减少脱碳层的产生。2.1实验办法CVD涂层工艺设计本实验所选用的硬质合金材料为成都工具研究所生产的CP2型B8N2-3刀片和原则实验条。选用下列四种CVD涂层方案。GY1HT(TiC+TiCN+TiC+TiCN)为高温涂层,每层涂层时间为20min。TiN为900℃中温涂层,涂层时间为40min;GY2第一层中温TiN涂层时间为20-40min,再升温按GY1涂覆涂层;GY3第一层MT-TiCN为中温涂层,时间为30min,高温涂层HT-(TiC+TiCN+TiN)每层涂层时间为40min;GY4全部涂层均为低于900℃的中温涂层,TiCN涂层时间为40min,TiN涂层时间为50min。表2CVD涂层工艺设定(2)性能检测采用划痕实验机检测涂层的结合强度;用DX-1000型X射线衍射仪分别对涂层后的试样进行X衍射分析;采用日本奥林巴斯Gx71光学显微镜观察涂层后的金相组织;每种涂层工艺放5根试样条进行涂层,然后进行抗弯强度测定。(3)成果分析与讨论2.2各CVD涂层硬质合金刀片划痕实验成果与分析划痕实验是在WS-涂层附着力自动划痕仪上进行。该设备重要采用声发射监听统计装置统计涂层破裂时的临界载荷LC,并以此判断涂层的结合力大小。本检测采用持续加载方式,加载速度为100N/m,终止载荷为100N,划痕长度为5mm。不同涂层工艺的临界载荷LC见表3:表3不同涂层工艺的平均临界载荷从表3可知,四种工艺涂层的结合强度都很高,都在8kg左右,远远高于行业推荐的4kg在显微镜下观察划痕形貌都较好。CVD涂层后的XRD成果与分析用DX-1000型X射线衍射仪分别对涂层后的试样进行X衍射分析。X射线测试采用Cu靶辐射线进行持续扫描方式,扫描角度2θ范畴为28°-69°,采样时间1s,波长值1154184A。,管电压40kV,管电流25mA。各涂层工艺试样的η相三强峰峰强比见表4。由表4可知,GY1η相峰强比最高,GY2、GY3η相峰强比有所减少,而GY4η相峰强比几乎为0。由于X射线衍射分析不仅能定性的分析物相的存在,各相峰强比也能部分定量的反映物相的多少。尽管CVD涂层含有较好的耐磨性,但CVD工艺亦有其先天缺点:一是工艺解决温度高,易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部呈拉应力状态,易造成刀具使用时产生微裂纹；三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染,与现在大力倡导的绿色制造观念相抵触,因此自九十年代中期以来,高温CVD技术的发展和应用受到一定制约。表4各涂层工艺的η相三强峰峰强比3PVD涂层技术通过气相反映过程，使蒸发或溅射出的金属原子或引入反映室的气体原子或离子发愤怒相反映，从而在刀具表面沉积出规定的化合物。3．1PVD刀具的涂层办法现在:PVD刀具涂层的惯用办法有下列几个：(1)低压电子束蒸发(LEVV)法。此法能有效地离化蒸发的原子，离化率能达成50%.(2)阴极电弧沉积(CAD)法。此法是用电弧产生的火花从靶面蒸发材料，能有效离化蒸发原子和反映气体，离化率可达90%(离化率越高越容易形成与基附着力强的致密涂层)。(3)三极管高压电子蒸发(THVEE)法。此法可通过变化工艺参数控制离化率，克服高压电子束离化截面小和离化效率低的缺点。(4)非平衡磁控溅射(UMS)法。此法沉积速度快，能产生非常致密和附着力强的膜层；多靶磁控溅射系统可同时溅射多个靶源材料，有效地控制膜层的化学成分。(5)离子束协助沉积$427&法。它是应用广泛的刀具涂层办法，可有效沉积种种涂层。此法沉积之前，需对衬底进行溅射以去除基体表面的氧化层，从而提高涂层质量，使膜层与基体的结合更为牢固。(6)动力学离子束混合(DIM)法。此法是用低能溅射源对靶源材料进行轰击、溅射和沉积，再通过高能离子注入法对基体进行注入混合，从而获得更高结合强度的涂层，是当今国际竞相开发和应用的重点。3．2PVD刀具的涂层物理气相沉积法(PVD)是通过气相反映过程使蒸发或溅射出来的金属原子发愤怒相反映,从而在刀具表面沉积出所规定的化合物。其机理是在真空条件下,用物理的办法(蒸发或溅射等物理形式)将涂层材料汽化成原子、分子或电离成离子,通过气相过程在硬质合金的表面沉积成涂层。可细分为下列几个环节:1)使涂层材料通过蒸发、升华和分解等成为涂层源材料的汽化过程；2)涂层材料中的原子、分子或离子迁移到硬质合金表面的迁移过程,这一过程随着着一系列复杂的变化过程,如原子、分子或离子之间可能发生碰撞产生离化、复合、反映以及能量和运动方向的变化；3)原子、分子或离子在硬质合金表面的吸附、堆集、形核和长大以至最后形成涂层。PVD涂技术能制备氮化钛、碳氮化钛、铝钛氮化合物以及多个难熔金属的碳化物和氮化物等涂层。PVD技术不仅提高了膜层与刀具基体材料的结合强度，并且涂层成分也由TiN发展到TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlCN、TiN-AlN、TiAlCN、CNX等多元复合涂层。据国外文献报道，现已成功研制出多个纳米级涂层，涂层与基体结合强度高，涂层膜的硬度已靠近立方氮化硼（CBN），抗氧化性能好、抗剥离性强，可明显改善刀具表面粗糙度。物理气相沉积涂层含有以下优点:1)涂层沉积温度低,普通在600e下列,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,符合现在绿色工艺、绿色制造的发展动向；4)随着纳米涂层的出现,PVD涂层刀具质量明显提高,不仅含有结合强度高、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。即使物理气相沉积涂层含有以上优点,但还是存在以下某些缺点:1)涂层设备复杂、工艺规定高、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,因素是涂层与基体在冷却时收缩率不同。当今，世界PVD刀具涂层技术的发展有下列趋势：（1）涂层成分趋于多元化、复合化。（2）为满足不同的切削加工规定，涂层成分将更加复杂、更有针对性。（3）涂层工艺温度越来越低。（4）在复合涂层中