硬质合金涂层刀具研究进展pdf.doc

凿岩机械气动工具20092作者简介刘海浪1983-男湖南长沙人硕士研究生主要从事刀具涂层方面的研究。1前言随着科学技术的进步难加工材料的使用日益增多材料的力学性能不断提高而且对加工效率的要求也不断提高传统的未涂层刀具常常不能适应新的要求。尽管硬质合金刀具的硬度为89-93.5hra1300-1850hv但是对于难加工材料的高效加工已不适用。虽然可以采取各种措施提高刀具材料的硬度与耐磨性但同时必然带来刀具材料抗弯强度和冲击韧性的下降即材料变脆从而影响刀具的使用性能。在硬质合金刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜如tictiainal203等的涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点降低了刀具与工件之间的摩擦因数提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。因此涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性延长了刀具的寿命这是切削刀具发展的又一次变革。2硬质合金刀具涂层制备方法硬质合金刀具涂层的制备方法有很多包括气相沉积、热喷涂、化学热处理、热反应扩散沉积、溶胶凝胶等。气相沉积应用比较多制备涂层质量好己经逐步成为刀具涂层制备方法的主导气相沉积技术分为化学气相沉积chemicalvapordepositioncvd和物理气相沉积physicalvapordepositionpvd。2.1化学气相沉积cvd化学气相沉积cvd属于原子沉积类是利用气态的先驱反应物通过原子、分子间化学反应的途径生成固态涂层的技术。基于此特点cvd过程大多在相对较高的压力和较高的沉积温度环境下进行因为较高的压力有助于提高涂层的沉积速率较高的沉积温度可保证化学反应的顺利进行。早在40多年前瑞典sandvik公司和德国crupp公司研发了化学气相沉积cvd涂层技术1969年向市场推出了cvdtic涂层硬质合金刀片产品1。此后美国、日本等国也相继硬质合金涂层刀具研究进展刘海浪12羊建高12黄如愿121.江西理工大学材料与化学工程学院江西赣州3410002.章源钨业股份有限公司江西赣州341000摘要随着现代机械加工工业朝着高精度、高速切削、干式切削技术以及降低成本等方向发展人们对硬质合金刀具提出了更高的要求涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性延长了刀具的寿命。当前硬质合金刀具涂层制备方法主要包括化学气相沉积和物理气相沉积涂层刀具的发展呈现涂层成分多元化、涂层结构多层化、涂层基体梯度化和涂层工艺灵活化的趋势。涂层刀具后处理技术包括热处理、磁化处理及深冷处理等随着技术的进步更多更新型的后处理技术将带来涂层刀具的又一次变革。关键词硬质合金涂层刀具物理气相沉积化学气相沉积中图分类号tg711文献标识码b52凿岩机械气动工具20092生产出同类产品。多年来cvd涂层技术不断发展改进了基体材料和涂层工艺使用多种和多层涂层材料出现了第二代、第三代直至第五代、第六代涂层刀具产品。cv涂层工艺温度约为1000结合力可靠但也带来了一些性能上的缺陷如刀具切削刃需经过钝化预处理刀具表面易出现残余拉应力且不能用于高速钢刀具表面涂层另外cv技术的沉积温度太高超过了许多材料的热处理温度在这样高的沉积温度下镀层和硬质合金基体材料都面临着晶粒长大和失碳问题从而产生一种或几种复式碳化物即所谓的相且通常生成在涂层和基体的界面特别是刃口上。这种相很脆降低硬质合金的抗弯强度同时增大刃口的脆性从而导致刀刃在使用过程中过早损坏。人们不断努力降低工艺温度改变基体材料组分改进切削刃钝化方法使cv涂层硬质合金的性能得到提高。20世纪80年代研发的中温化学气相沉积moderatetempera-turechemicalvapordepositionmtcv技术在一定程度上推动了化学气相沉积的发展进步。2.2物理气相沉积pvd物理气相沉积是利用某种物理过程如物质的蒸发或受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象实现物质原子从源物质到沉积涂层的可控转移过程是在分子、原子的尺度上沉积涂层。与v涂层技术相比pvd涂层技术有以下几个优点lpvd技术的沉积温度低可以在200600及以下沉积tin等超硬涂层因此不会降低基体材料原有抗弯强度涂层和基体间也不会产生相因此不需采用特殊的硬质合金材料扩大了应用范围2涂层具有微细结构在涂层内部产生压应力抗裂纹扩展能力强3涂层表面光滑比v涂层更能有效地阻止前刀面的横裂纹扩展同时还可以降低摩擦系数4可以使用刃口锋利的刀具作基体这一点对于高速切削非常重要。20世纪80年代以来pv技术成功用于切削刀具的硬质涂层有效提高表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性大幅度提高涂层产品的使用寿命引起刀具材料和性能的巨变。作为表面改性的新技术pv得到越来越广泛应用已普遍应用于铣刀、钻头、铰刀、丝锥、异形刀具等的涂层处理并扩展到模具和摩擦零件及装饰等防腐耐磨镀层在先进制造技术中占有重要地位引起材料和机械领域的广泛重视。目前采用pv方法可以在硬质合金刀具上制备tin、tialn以及各种难熔金属的碳化物和氮化物。工业发达国家自上世纪90年代初就开始致力于硬质合金刀具pv涂层技术的研究已普遍应用于硬质合金铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异型刀具、焊接刀具等的涂层处理。国内pv涂层技术的研发工作始于20世纪80年代初80年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具tin涂层工艺技术。由于对刀具涂层市场前景的看好国内大型工具厂开始引进pv刀具涂层技术与装备。技术及装备的引进调动了国内刀具pv涂层技术的第一次开发热潮国内各大型真空设备厂及科研单位纷纷展开了离子镀膜机的研制工作并于90年代初开发出多种pv设备。但由于大多数的设备性能指标低涂层工艺稳定性差预期的市场效益未能实现从而导致了近10年内国内刀具pv涂层技术处于徘徊不前的局面。尽管90年代末国内成功开发出了硬质合金tin-ticn-tin多元复合涂层工艺技术并达到了实用水平并且cnx涂层技术也有了重大突破但其应用价值较为有限在随后的发展过程中也并未得到市场认可。随着我国汽车工业的迅速掘起和先进制造技术的大量引进以及数控加工技术的广泛普及自本世纪初pv技术在国内掀起了第二次开发热潮2。但与国际发展水平相比我国硬质合金刀具pv53凿岩机械气动工具20092涂层技术仍落后10年左右。3硬质合金涂层刀具的发展目前硬质合金涂层刀具的发展方向大致归纳为以下几点3.1涂层成分多元化随着机械工业的发展人们发现单元涂层已经不能满足生产的需求。而且由于单元涂层刀具的基材与涂层材料的硬度、弹性模量及热膨胀系数不匹配晶格类型也不一样致使基体与涂层之间产生残余应力结合力不强。在单涂层中加入新的元素如加入al、cr和y提高抗氧化性加入zr、v、b和hf提高抗磨损性加入si提高硬度和抗化学扩散3制备出多元的刀具涂层材料大大提高了刀具的综合性能。多元刀具涂层中最常用的是ticn、tialn涂层。ticn涂层兼有tic和tin涂层的良好韧性和硬度它在涂覆过程中可通过连续改变c和n的成份来控制ticn的性质并可形成不同成份的梯度结构降低涂层的内应力提高韧性增加坎?/b厚度阻止裂纹扩展减少崩刃。九十年代中期中温化学气相沉积mt-cvd新技术4-5的出现使cvd技术发生了革命性变革。mt-cvd技术是以有机物乙腈ch3cn作为主要反应气体在700以下生成ticn涂层。这种ticn涂层方法有效控制了很脆的相co3w3c生成提高了涂层的耐磨性、抗热震性及韧性。研究表明在pvd沉积ticn涂层时适当增加离子束轰击也可明显提高涂层的硬度及耐磨性6。近年来以ticn为基的四元成分新涂层材料如tizrcn、tialcn、tisicn等也纷纷出现。tialn涂层材料是目前应用最广泛的硬质合金刀具涂层之一tialn有很高的高温硬度和抗氧化能力最高工作温度800氧化起始温度700涂层硬度hv3000颜色为紫灰色。tialn涂层比tin更能有效地用于连续高速车削也适合于加工铁合金、镍合金不锈钢等工件。这种涂层因固溶硬化而有较好的硬度保持性其抗氧化性能也比tin和ticn强。tialn在切削时会在刀屑界面上生成一种非晶体的氧化铝形成一层硬的、惰性的保护膜此膜的导热性差可使切削热更多地由切屑带走。高速干式切削最好的涂层是氮铝化钛tialn涂层的作用就象一层热屏障因为它有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数在高温连续切削时tialn高速干式切削优于tin四倍。近几年对涂层成分多元化的研究取得了丰硕的成果。前不久在日本日立公司研究出了号称跨世纪水平的crsin、tisin、ti-bon等新型刀具涂层材料7。tisin涂层由于加入si元素其抗高温氧化性较单涂层tin明显提高适用于硬切削的tisin涂层具有36gpa的硬度和1100的开始氧化温度8此外以cr代替ti元素的tisin涂层相比tisin涂层更具有润滑性更适合用于铝、不锈钢等粘附性强的材料加工。添加b、o元素的ti-bon系列的涂层材料是日本学者岛顺颜等开发的9该涂层刀具的前刀面在高温下铁元素扩散极少显示出优良的润滑性能切削不黏刀在富氧氛围中使用ti-bon涂层硬质合金刀具时涂层的润滑效果更为显著延长了刀具的使用寿命这是因为在富氧气氛中生成的氧化物具有良好的润滑性能。这种利用富氧氛围生成氧化物以消除或减少黏刀延长刀具寿命和提高加工质量的方法适合于钛合金及718镍铬铁耐热合金的切削加工。欧洲balzers公司具有代表性的多元涂层是以cr元素替代ti元素腁lcrn涂层称为g6该涂层具有hv3200的显微硬度使用温度可达到10008更适合断续切削和难加工材料的加工。在国内成都工具研究所开发了国内首创的ti-c-n-o-al和ti-c-n-b两个系列共三种高性能多元复合涂层具有优异的复54凿岩机械气动工具20092合机械性能和优良的切削性能主要用于汽车刀具及hertel系列螺纹梳刀片上10。其他的多元涂层材料还有timonticrnnbcrnnbzrn等。3.2涂层结构多层化随着高速切削、干式切削等机械加工技术的的进步单层涂层已不能满足对刀具涂层日益苛刻的工作要求。采用形成多层结构的方法可在充分利用单层涂层原有优良综合力学性能优势的条件下进一步提高其硬度、韧性和高温抗氧化性能是目前提高刀具涂层切削性能的重要技术措施11-12。图1显示了单层硬质合金到多层涂层硬质合金界面结构的变化。图1单层硬质合金涂层到多层硬质合金涂层界面结构的转变13a单层涂层界面结构b三层涂层界面结构c多层涂层界面结构单层al2o3涂层有很多优良的性能但单层al2o3涂层与基体的结合强度较差在基体上先沉积一层ticn或tialn如ticn/al2o3tialn/al2o3可以显著改善al2o3涂层的结合强度并使刀具性能得到很大的提升。目前国外公司如sandvik、balzers等已经开发了诸如此类的涂层并取得了很好的市场经济效益见图2tin/aln多层涂层是多层涂层中比较典型的一种兼具传统复合材料和纳米材料两者的优越性。tin和aln氮化物陶瓷都具有高熔点、高硬度、化学稳定性好的特点并且tin还具有较高导电性以及良好的热膨胀系数14aln具有高导热率为al2o3的10倍、良好的热膨胀系数及高抗氧化性15。两种氮化物以一定形式复合可发挥性能上的互补获得增强的综合性能。研究表明tin/aln纳米多层涂层在小周期范围内14nmaln以其亚稳态立方结构生长此时tin/aln纳米多层涂层的硬度、抗氧化性能、耐磨性能都优于大周期的tin/aln纳米多层涂层。据报道9日本住友电工公司推出了一种高速强力型钻头它是在韧性好的k类硬质合金基体上交互涂敷了1000层tin/aln超薄涂层涂层厚度约2.5m。使用情况表明该钻头的抗弯强度与断裂韧性大幅度提高其硬度则与cbn相当刀具寿命可提高2000倍左右。该公司还开发了zx涂层立铣刀超薄涂层层数达2000层每层厚度约1nm用该立铣刀加工hrc60的高硬度材料刀具寿命远远高于ticn和tialn涂层刀具。tialn/tin复合多层涂层是由tin和tialn复合叠加而成研究发现tialn/tin复合多层涂层由于层状结构的出现打断了粗大柱状晶粒的生长使得晶粒变小图双层涂层剖面结构5凿岩机械气动工具20092同时也打断了孔隙的连续性因此具有良好的机械性能、优良的耐摩擦磨损性能16-17、良好的抗高温氧化性能8-9和耐腐蚀性能20。三层涂层的组合方式很多例如tic/ticntin、ticticnal2o3、tic/tin/al2o3、tic/al2o3/tin、tac/tic/tin、tin/tic/tin和ticn/tic/ticn等2都是利用各个单涂层的优点根据不同的切削条件组合而成的。最常见是tic/ticn/tin涂层这种涂层与tic/tin涂层相同切削性能优于单层tic和tin涂层。大多数刀具涂层厂家都有这种组合方式的涂层牌号如美国carmet公司的ca9443、ca972ken-nametal公司的kc2、kc25等。目前国外己发展到在基体涂层、甚至更多层每层厚度越来越薄刀片质量越来越好。利用多层膜具有的界面效应和层间藕合效应以及裂纹尖端钝化、裂纹分支及沿界面的界面开裂等增韧机制来提高多层涂层的韧性从而获得与单层涂层不同的特性。据报道美国现在近7的涂层刀具采用多层涂层。一般多层涂层刀具的寿命要比单涂层高5020022。3.3涂层基体梯度化涂层与合金基体之间的结合强度是制约刀具使用寿命的关键因素涂层必须与合适的基体相结合才能达到预期的性能。由于不同材料的热膨胀系数不同涂层冷却过程中可能因为热应力而产生裂纹2324。由于涂层材料的脆性通常裂纹更容易在涂层表面产生并向基体中扩展。为了尽可能防止由于裂纹扩展而导致的材料失效并有利于获得高性能的硬质合金切削工具材料可对基体进行梯度处理形成如图3所示的结构使涂层基体表面区域形成立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域此区域的粘结剂含量高于涂层基体的名义粘结剂含量当涂层中形成的裂纹扩展到该区域时由于其良好的韧性可以吸收裂纹扩展的能量因而能够有效地阻止裂纹向合金内部的扩展提高硬质合金切削工具的使用性能25。目前这种具有梯度结构基体的涂层刀片在我国已有研究78并在少数硬质合金企业中形成了产品。梯度结构硬质合金的制备方法有很多大概可以归纳为两种主要的类型第一类制备方法称为构造法通过在空间精确地叠加材料而构成这种方法为设计者获得性能优异的梯度结构硬质合金材料提供了很好的灵活性。但是采用构造法制备梯度结构硬质合金时由于在合金中存在比较明显的界面并且不同的材料其热膨胀系数可能有较大的差异因而可能会在合金的界面处产生较大的应力并且合金在冷却过程中会产生应力集中故应该对不同材料的热膨胀性能具有很好的了解并且尽量调整好不同层的成分和颗粒的大小以便不同层之间有相同或相近的烧结速率。第二类制备梯度基体的方法称为传输法即成分与结构的梯度是利用自然传输现象在构件内部形成的。它以传输为基础利用流体的流动原子的扩散或热传输在材料中产生梯度这种方法制备的材料其梯度范围较宽目前大多数的梯度基体制备都通过此方法获得。对梯度硬质合金的研究早在98年瑞典的sandvik公司就推出了dpdualproperties系列梯度硬质合金球齿以及gc2gc25等牌号的涂层硬质合金梯度刀片美国gte.valenite公司推出的sv200图3梯度结构硬质合金涂层基体界面结构1356凿岩机械气动工具20092系列和kennametl公司生产的kc792m牌号的涂层硬质合金刀片爱尔兰bort公司生产的wc晶粒梯度硬质合金顶锤等。这些产品以其优越的使用性能很快得到了广泛的使用。目前国内梯度硬质合金的研究仍处于初始阶段株州硬质合金厂、自贡硬质合金厂、中南大学粉末冶金厂等厂家也开始了一些研究但至今仍然无法批量生产。随着现代化机加工工业的大规模发展对硬质合金刀具、矿山工具等的使用寿命切削效率提出了更高的要求。作为满足这一特殊要求的钴梯度硬质合金材料其发展愈来愈受到各国重视29。3.4涂层工艺灵活化涂层的另一趋势是工艺组合的多样化。从20世纪60年代至今涂层技术在刀具上的应用已发展了近50年人们一直在致力于寻找最佳的刀具表面改性技术以改善刀具的切削性能和切削寿命。目前单一涂层无法适应现代切削加工中日趋复杂的工况和服役条件为此涂层多样化的工艺组合便应运而生。“渗氮/pvd”复合涂层技术就是其中的一种。事实上早在1983年orhnen等就已经提出等离子氮化与离子镀工艺结合起来。近十几年来通过基体的热化学预处理来提高硬质防护涂层性能的技术越来越受到关注。胡树兵、崔皇等研究发现对基体进行渗氮和离子镀tin复合处理后可形成一个合理的硬度梯度分布而在沉积过程中又由于in与n的作用及向渗氮层内部进一步扩散使过渡层的硬度比单一渗氮层要高100h0.1左右从而使复合涂层得到强化。另外将cd与pd的工艺进行组合是涂层工艺多样化的一个重要的发展方向如美国en-nmetl公司推出的c792m和日本不二越公司推出的sg新型涂层就是利用了pd和cd相结合的方法起始层是由cd形成的tin目的是提高涂层与基体的结合强度中间层是cd的ticn外层是pd的ti系特殊膜使其具有较好的耐热性即提高刀具刃口的锋利性。因为残余应力在cd层是拉应力在pd层是压应力其结果是提高了涂层刀具的抗热震性能30。目前国外已发展到在基体涂10层、甚至更多层每层厚度越来越薄刀片质量越来越好。利用多层膜具有的界面效应和层间耦合效应以及裂纹尖端钝化、裂纹分支及沿界面的界面开裂等增韧机制来提高多层涂层的韧性从而获得与单层涂层不同的特性。据报道美国现在近70的涂层刀具采用多层涂层。一般多层涂层刀具的寿命要比单涂层高5020031。4硬质合金涂层刀具后处理研究刀具涂层后处理是在刀具涂层完毕之后采取某些工艺措施对涂层刀具进行相应处理以提高涂层寿命但是目前对刀具涂层的后处理没有受到重视有些公司也只是进行简单的浸油防锈处理国外对后处理技术研究比较早但一直持保密态度。目前涂层刀具的后处理工艺包括涂层刀具热处理深冷处理和磁化