刀具表面涂层技术及发展.docx

刀具表面涂层技术及发展 (呼和浩特职业学院 机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051) 摘 要：文章概述了刀具表面涂层技术的特点、种类及 性 能，并阐述了其最新进展和发展趋势。 关键词：刀具；表面；涂层；技术 中图分类号：TG174TG711 文献标识码：A 文章编 号：10076921(XX)16012001 随着材料科学与机械制造技术的不断发展，现代化的 金属切削加工要求刀具具有高切削速度 、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，刀 具表面涂层技术 在金属切削加工中得到了广泛的应用。尤 其是高速切削加工技术出现之后，涂层技术更是得 到了迅 猛的发展与应用，并成为高速切削刀具制造的关键技术之 一。该技术是在具有高强度 和韧性的基体材料上通过化学 或物理的方法在刀具表面形成某种薄膜，使切削刀具获得 优良 的综合切削性能，从而满足高速切削加工的要求。 1 刀具表面涂层技术的特点 由于刀具涂层具有很高的硬度和耐磨性，故与无涂层 刀具相比，在不降低刀具强度的条 件下，可大幅度地提高 刀具表面硬度、耐磨性和刀具的切削寿命。 随着涂层技术的不断发展，刀具涂层稳定性及高温抗 氧化性更加突出，从而能够进行高 速切削加工，有效地提 高切削加工效率。 采用涂层刀具进行加工时，可有效地改善零件加工质 量，也适合于干式切削加工。 刀具涂层技术有效地减少刀具材料的消耗，可进行重 复涂层工艺，降低加工成本；减少 冷却液的使用，利于环 境保护。 2 涂层刀具的种类 目前，常用的刀具涂层方法有化学气相沉积(CVD)、物 理气相沉积(PVD)、等离子体化学气相 沉积、盐浴浸镀法、 等离子喷涂及化学涂敷法等，其中以 CVD 和 PVD 应用最为 广泛。 2.1 化学气相沉积涂层 化学气相沉积涂层(CVD)是使挥发性化合物气体发生分 解或化学反应，并在被镀工件上沉积 成膜的方法。其基本 原理是沉积物以原子、离子、分子等原子尺度的形态在材 料表面沉积， 形成金属或化合物的涂层。常用硬质合金刀 的 CVD 涂层材料有 TiC、TiN、TiCN、Al2O3， 以及它们的 复合材料，多用于普通钢材的普通半精及精加工； TiC/Al2O3 和 TiC/Al2O3/TiN 复合材料还可用于高速及重负 荷切削。 2.2 物理气相沉积涂层 物理气相沉积法(PVD)是通过气相反应过程使蒸发或溅 射出来的金属原子发生气相反应，从 而在刀具表面沉积出 所要求的化合物。其机理是在真空条件下，用物理的方法 (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。 按照涂层薄膜的结构形式，PVD 涂层大致可分为以下几 个类型： 2.2.1 单层涂层 涂层由某一种化合物或固溶体薄膜构成的涂层可称为 单层涂层。TiC 和 TiN 是最早出现的刀具 涂层材料，也是 目前国内外应用较多的涂层。与未涂层刀具相比，具有较 低的摩擦系数，提 高刀具的耐磨性等优点。此外常见的单 涂层材料还有 NbC、HfC、ZrC、ZrN、BN 等。 2.2.2 多元涂层 由于单涂层刀具基材与涂层两者的结合力较弱，若在 单涂层中加入 Cr、Zr、V、B 和 Hf 等元 素，制出的多元 涂层刀具，提高刀具的抗氧化性与抗磨损性。 最常用的多元刀具涂层是 TiCN、TiAlN、TiBN 和 TiSiN。 2.2.3 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 化可以是化合物各元素比例的变化， 如 TiAl-CN 中 Ti、Al 含量的变化，也可以由一种化合物逐渐过渡到另一种化合 物。 2.2.4 多层涂层 多层涂层是根据不同的涂层材料性能和切削性能，由 多种性能各异的薄膜叠加而成，每层膜 化学组分基本恒定。 目前在实际应用中多由 2 种涂层或者层数在 37 层之间的 多层复合涂层 。常见的多层涂层有 TiC/TiN、TiAlN/TiN、AlN+TiN、TiC/TiCN/TiN、TiC/TiN/ Al2O3 、TiC/Al2O3/TiN 等。与单层涂层相比，多层涂层兼 有了各单层涂层的优点，可有效地 改善涂层组织状况，抑 制粗大晶粒组织的生长。 2.2.5 纳米多层涂层 这种结构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，用多种涂层材料的不 同组CM(22合满 足不同的功能和性能要求，特别适合于高速干切削。纳米 涂层主要有 2 种：纳米多 层结构和纳米复合结构。最典型 刀具涂层是 AlN+TiN、AlN+TiN+CrN 涂层等。 2.2.6 超硬材料涂层 金刚石涂层是新型刀具涂层材料之一。它利用低压化 学气相沉积技术在硬质合金基体上生长 出一层由多晶组成 的金刚石膜，具有极高的硬度和耐磨性，对有色金属及非 金属材料高速镗 削和精车能获得很高的表面加工质量。刀 具寿命是普通硬质合金刀具的 5010 倍。 立方氮化硼(CBN)涂层是继人造金刚石之后出现的一种 新型刀具材料，具有高硬度，高耐磨性，低摩擦系数，低 热膨胀系数等，适合切削各种淬硬钢、各种冷硬铸铁 和耐 磨铸铁等零件。 3 刀具涂层技术的发展 早在 40 多年前，瑞典 Sandvik 公司和德国 Krupp 公司 研发了化学气相沉积涂层技术，1969 年向 市场推出了 CVD TiC 涂层硬质合金刀片产品。此后，美国、日本等国也相继 生产出同类产品 。1981 年，PVD 涂层刀具产品投入市场， 欧洲刀具涂层技术水平最高，领先于其他国家和地 区，如 Balzers 公司自 20 世纪 70 年代开始从事物理涂层技术的研 发，以工具精密零件涂层为 主，产品数量占全球 30%。可 以看出，在工业发达国家，人们对涂层技术的发展越来越 重视 ，物理涂层技术更是备受青睐，PVD 处于高速发展阶 段。 目前，国内刀具涂层行业重点发展的方向是 PVD 技术， 已经呈现多元化发展的趋势，归纳起 来主要有以下几种类 型：阴极电弧法；热阴极法；磁控溅射法；磁控 溅射附 加阴极电弧法；空心阴极附加磁控溅射及阴极电 弧法。 由于传统的单一涂层难以满足提高刀具综合机械性能 的要求，而多元涂层具有加工效率高， 可提高加工精度， 延长刀具使用寿命降低加工成本等优势；因此，涂层技术 已由单层薄膜向 梯度、多层、纳米及纳米复合结构薄膜涂 层发展。同时像金刚石和立方氮化硼(CBN)等超硬 刀具材 料也将成为涂层技术中的热点方向。 4 结束语 涂层刀具在切削加工中的应用效果十分明显，不仅减 少了刀具的消耗，延长了刀具使用寿命 ，增大了机械加工 的切削用量，提高了被加工的零件表面质量。 参考文献 1 赵海波，周彤，梁红樱，李波 刀具涂层的分 类与应用J 工具技术，200 5，(39)：1417. 2 陈俊杰，刘利国 刀具涂层技术的现状与发展 趋势J 无锡职业技术学院 学报，XX，(8)：3234. 3