刀具涂层技术综述.doc

刀具涂层技术综述专业班级：姓 名：学 号：11指导老师：刀具涂层技术综述摘要：结合近年来刀具涂层技术的发展状况，介绍了各种刀具涂层材料，结构以及制备方法。将涂层材料分为硬涂层与软涂层进行了介绍，综述了各种涂层结构。刀具涂层的制备方法包括化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD）、等。介绍了刀具涂层工艺的研究现状，并对刀具涂层的发展方向进行了探讨。关键词：刀具涂层；涂层材料；涂层结构；涂层工艺Development Summary of cutting tool coating technologyAbstract：The various tool coating materials which can bedivided into hard coating and soft coating are described based on recent development of tool coating technology.Various structures of coating materials and their preparation methods are summarized. Tool coating preparation methods consist of chemical vaporde position method(CVD)，physical vaporde position method(PVD). The technological research statusand the developmenttrends of tool coating are introduced.Keywords：cutting tool coating ;coating materials ;coating structure ;coating process1 前言现代制造业对机械加工提出了更高的要求，提高加工效率、可靠性与精度的需求使各国不断加强对刀具涂层技术的关注。随着切削加工要求不断提高，我国原有刀具涂层技术逐渐力不从心，涂层设备需要进行更新换代，刀具涂层技术正处于关键时期。因此，及时瞄准国际涂层技术先进水平，充分了解其技术现状及发展趋势十分重要。为了使刀具获得优良的综合机械性能，延长刀具使用寿命，提高机械加工效率，刀具表面涂层技术逐步发展起来，并具有以下特点1：（1）涂层技术应用在刀具上可大幅提高其表面硬度，目前所能达到的硬度已接近100GPa，并且不降低刀具强度；（2）润滑薄膜具有良好的润滑性能，可有效地改善加工质量，也适合于干式切削加工；（3）涂层具有优良的高温抗氧化性及化学稳定性，使切削加工速度不断提高；因此，涂层技术与刀具基体材料、材料加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。2 刀具涂层材料涂层材料被涂覆在刀具基体上并与之相结合，刀具的耐磨性和切削性能被提高的同时，基体本身的韧性不会被降低，从而降低工件与刀具之间的摩擦系数，延长了刀具的工作寿命。刀具涂层另外一项显著的作用就是隔热，由于大多数涂层自身的热传导系数比被加工部件和刀具基体都要低的多，导致加工中产生的热量冲击散失途径改变，形成热屏蔽，有效地保护刀具基体，改善其使用效率。应用广泛的涂层材料主要有一些具有高硬度的耐磨化合物，如氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、硅化物、硼化物、金刚石及复合涂层等八大类数十个品种。这些涂层材料按照化学键的特征可分成金属键型、共价键型和离子键型2。在涂层技术的发展初期，刀具涂层大多为TiC、TiN材料构成的单一涂层.近年来，涂层技术已发展为TiC-TiN-A12O3复合涂层和（Ti，Al）N、TiCN等多元复合涂层.最近，MoS2、WS2、WC/C等软涂层材料以及TiN/NbN、TiN/CN等多元复合涂层相继被开发出来，以满足各种切削工艺的要求。2.1 硬涂层硬涂层包括了单层薄膜和复合薄膜.涂层材料以TiC、TiN、TiCN、（Ti，Al）N、金刚石涂层等为代表.近年来，随着涂层技术的发展，新的涂层材料不断出现，简述如下：（1）TiC在涂层技术的发展初期，TiC和TiN最早被开发出来，截至目前TiC材料仍然有着广泛的应用。TiC涂层硬度可达到HV25004200。涂层的抗磨料和机械磨损性能良好，可以降低加工过程中的阻力，降低切削温度。其缺点是涂层性脆3。TiN它是最早开始广泛应用于工业，并且工艺成熟的硬涂层材料。TiN涂层刀具如图1所示。图1 TiN 涂层刀具它具有中等硬度（HV18002300）和很好的柔性。较之TiC具有较高的化学稳定性、韧性和抗月牙洼磨损能力，与铁基体亲和力小，摩擦系数低。TiN涂层具有抗氧化性差的缺点，最高工作温度为650，一般切削温度在300左右。实际加工中，当使用温度达500时，膜层氧化烧蚀明显，因此单一TiN涂层已经不能满足现代金属切削对刀具的技术要求4。（2）TiCNTiCN涂层是通过向TiN涂层中加入C元素得到的。TiCN涂层刀具如图2所示。图2 TiCN 涂层刀具C元素在涂层中可以使涂层具有更高的硬度和抗氧化温度。TiCN层兼具了TiC和TiN涂层的综合性能，可有效降低涂层总内应力，继而阻止涂层裂纹扩散，并且提高涂层的韧性。将TiCN作为涂层刀具的主要层，可显著提高刀具使用寿命。（3）Al2O3相比于TiC和TiN涂层刀具，Al2O3涂层刀具具有更高的切削性能。在进行钢件高速切削时，Al2O3具有更好的化学稳定性和高温抗氧化能力，Al2O3涂层在高温下硬度的降低较TiC涂层小，因此具有更好的抗磨损和热塑性变形的能力，具有较高的耐用度。第一代Al2O3涂层形貌不均匀导致其性能不高。（4）（Ti，A1）N（Ti，A1）N涂层在高速切削中性能优异，它比TiN更能有效地用于连续高速车削，也适合于加工钛合金、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好。（Ti，A1）N在切削时会在刀屑界面上形成一层由一种非晶体的氧化铝组成的硬的惰性的保护膜，此膜的导热性差，可使切屑带走更多的切削热。（Ti，A1）N涂层刀具如图3所示。图3 （Ti，A1）N涂层刀具高速干式切削最好的涂层是氮铝化钛系列涂层（Ti，A1）N5，它有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，可以起到良好的隔热作用。在高温连续切削时，（Ti，A1）N高速干式切削综合效率优于TiN4倍。（Ti，A1）N涂层具有相对于TiN、TiCN等涂层更好的机械物理性能。（5）金刚石涂层金刚石涂层硬度可达10000HV，导热性强，摩擦系数较低，具有优异的力、热、光、电等性能以及高弹性模量和低摩擦系数，适用于有色金属合金的高速切削，具有广泛的应用前景。金刚石薄膜能够最先实现产业化的领域之一就是金刚石涂层刀具领域，金刚石涂层刀具因此受到有关公司和各国科学界的关注，各国都投入了大量物力人力进行研究。（6）立方氮化硼（CBN）立方氮化硼是在高温高压下人工合成的立方结构氮化物，硬度可以达到HV7200098000MPa，具有很好的导热性，热膨胀小，断裂韧性低，密度较小。更重要的是，立方氮化硼同铁族元素几乎不发生反应，具有卓越的化学和热稳定性。因此，加工黑色金属时立方氮化硼往往成为最佳选择。聚晶立方氮化硼（PCBN）在发动机箱体、轴、齿轮、轴承等汽车零部件制造领域中应用广泛，其良好的化学和热稳定性以及高硬度特别适合于加工铸铁、耐热合金和硬度超过HRC45的黑色金属。2.2 软涂层硬涂层刀具技术已经逐渐成熟，然而，用硬涂层刀具不适合加工诸如航空航天工业使用的许多钛合金、高强度铝合金或贵金属材料等，这些材料仍主要使用无涂层的硬质合金刀具或高速钢。软涂层刀具的开发则可较好地解决这一问题。刀具涂层的主要成分是固体润滑材料，如：MoS2、WS2、CaS2、TaS2/Mo、WC/C等，在特殊使用条件下具有优良的摩擦学特性，适于在高速、高温和大载荷等特殊环境条件下使用。加工时，该涂层可在刀具表面形成固体润滑膜，使刀具材料具有很低的摩擦系数。由于各层之间有较低的剪切强度，并且摩擦表面与具有层状结构的固体润滑剂具有较强的粘结能力，在切削过程中，固体润滑膜会从刀具表面转移到工件材料表面，形成转移膜，使摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，从而减小摩擦、阻止粘结、降低切削温度和切削力、减小刀具磨损，并防止积屑瘤产生。目前国内进行软涂层刀具技术研究的较少，在干切削中应用软涂层刀具，可有效阻止粘结、减小摩擦、降低加工成本、提高刀具寿命，具有很大的发展潜力。3 刀具涂层结构涂层的内部结构变化很大程度上影响着刀具的应用效果。从涂层品种的发展上，可以将涂层结构分为三代：单涂层和梯度涂层（如TiN、（Ti，A1）N涂层）、多层复合涂层和纳米结构多涂层（如TiAlN-ML涂层）、纳米结构层和纳米三合层结构涂层。总体来说，涂层结构包括单涂层、复合涂层、多涂层、纳米结构多涂层、梯度涂层、复合涂层、纳米复合结构涂层等类型。典型涂层结构如图4所示。多涂层（纳米结构）多涂层（带中间过度层）单涂层梯度涂层图4 典型涂层结构（1）单涂层：也叫做普通涂层，只由一种成分构成，在薄膜的纵向生长方向上涂层成分稳定。在PVD技术发展初期一直采用单一涂层的技术，典型的单一涂层有TiCN等。（2）多涂层：由多种成分稳定、性能各异的薄膜叠加而成。常见的多层涂层由2种不同膜组成，层数可达十几层以上。不同企业所采用的工艺不同，其各膜层的尺寸也不近相同，每层薄膜尺寸最小为几十纳米，例如AlN+TiN涂层等。与单层涂层相比，多层涂层可有效地抑制粗大晶粒组织的生长，改善涂层组织状况。（3）纳米结构多涂层：各层薄膜的尺寸为纳米数量级的多层涂层。又可称为超显微结构。此类薄膜具有高模量、高硬度的特点，并且在相当高的温度下，仍具有非常高的硬度，其典型代表为AlN+TiN+CrN、AlN+TiN涂层等。理论研究证实，在纳米调制周期内，其显微硬度预计可以超过30GPa，具有良好的市场应用前景。（4）梯度涂层：涂层成分沿着薄膜生长方向逐步变化，可以分为多种化合物间的变化和一种化合物中各元素比例的变化两种类型，前一种类型的例子有CrN逐渐过渡到CBC碳基涂层等，后一种类型如TiAlCN中Ti、Al含量的变化等，在TiAlCN涂层中较硬的成分AlN从附着基层中渐变地增加直至表面形成超硬涂层。（5）复合涂层：也称为复合涂层结构膜，由两种以上不同的涂层薄膜组成。应用广泛的有硬涂层加软涂层复合结构膜等，涂层的每层薄膜一般具有不同的特征，从而使复合涂层具有更好的综合性能。4 刀具涂层制备工艺涂层成分能否在涂层刀具上发挥应有的性能，除了涂层与基体的结合强度、涂层及界面组织结构、择优取向、各单层厚度及总厚度等决定涂层刀具性能的重要因素外，在很大程度上还取决于涂层工艺的技术水平，因为刀具材料表面的物理、化学、力学性能严重影响现代切削加工的顺利进行。因此，涂层制备工艺至关重要。常用的刀具涂层工艺有化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）以及等离子体化学气相沉积技术（PCVD）、离子辅助沉积技术（IBAD）、中温化学气相沉积（MTCVD）等。4.1 化学气相沉积法（CVD）CVD涂层是最早出现、也是最常见的涂层方法，已经沿用多年。CVD法是在一个化学反应容器内加热基体，并将基体暴露于气流之中。这些气体在被加热的基体表面分解，形成一层涂层。一般而言，CVD涂层需要的温度约为1000左右。一种常见的CVD涂层是采用3种气体四氯化钛（TiC14）、氢气（H2）和氮气（N2）来产生氮化钛（TiN）+氯化氢（HCl）。HCl是该工艺的二次产物，必须按照严格的环保法规进行处理6。CVD法的优势包括极佳的涂层黏附性，以及涂层分布的均匀性。然而CVD法的缺点是工艺要求高，用于硬质合金时容易产生脱碳现象。由于制备过程中温度可高达1000左右，气体成分中氯的侵蚀及氢脆变形有可能导致基体断面强度下降，或者发生脱碳而形成相。近年来，中、低温CVD法和PCVD法的成功开发，在一定程度上缓解了这一缺点，改善了原有CVD工艺。4.2 物理气相沉积法（PVD）利用电能等物理方法产生金属蒸发物离子进行涂层的方法称为物理气相沉积法。不同于具有张力的化学气相沉积涂层膜，物理气相沉积涂层具有压应力，因而更耐缺损，适合用于锋利的刀具切削刃的涂层。PVD涂层技术具有以下特点：（1）沉积温度低，TiAlN、TiN等硬涂层的沉积温度可以达到500以下。涂层和基体间在低温下不易发生脱碳现象或产生相，对基体材料限制少，不会降低基体材料原有的抗弯强度。其应用范围有很大扩展空间，尤其可以用于高速钢类刀具的涂层；（2）涂层内部具有压应力，抗裂纹扩展能力强，因此适合于对硬质合金精密复杂刀具进行涂层；（3）涂层表面摩擦系数低，能更有效地阻止前刀面上的横向裂纹的扩展；（4）对环境无不利影响，符合绿色制造的发展方向。与化学气相沉积法相比，物理气相沉积法具有更低的沉积温度。4.3 等离子体化学气相沉积法（PCVD）PCVD是将高频微波导入含碳化物气体产生高频高能等离子，或者通过电极放电产生高能电子使气体电离成为等离子体，由气体中的活性碳原子或含碳基团在合金的表面沉积的一种涂层制备方法。等离子体对化学反应起到促进作用，使等离子体化学气相沉积法可以把沉积温度降至600以下。在这样的温度下，刀具基体与涂层材料之间不会发生扩散、交换反应或相变，刀具基体可以保持原有的强韧性。等离子体化学气相沉积法可以分为直流辉光放电、微波等离子体放电和射频放电等。随着频率的增加，等离子体对化学反应的促进作用增强，沉积温度降低。目前，PCVD法的沉积温度最低已经达到160，对焊接部位不产生影响。日本三菱公司在焊接式的硬质合金钻头上采用PCVD涂层，所生产的钻头寿命比高速钢钻头长10倍以上，效率提高5倍7。5 刀具涂层的发展方向（1）刀具涂层成分多元化单涂层与基材材料的物理特性及晶格类型的不同，导致基体与涂层之间存在较大的残余应力，结合力不强。在单涂层中加入新的元素（如加入锆、钒和氢氟酸会提高耐磨损性，加入硅会提高硬度并防止化学扩散，加入铝、钇和铬会提高抗氧化性）制备出的多元刀具涂层材料，极大地提高了刀具的综合性能8。涂层材料也已从最开始的TiN、TiAlN、TiCN发展到现在的TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN、AlCrN、AlCrSiN、TiBN、CrN、ZrN、Al2O3等几十种涂层材料。为了满足切削加工中多样化的需求，新的涂层材料还将具有极大的发展前景。（2）刀具涂层结构创新化提高涂层刀具膜基结合力对刀具使用寿命有重要影响，谢峰和杨智能9提出了涂层刀具结合面仿生设计的思想，将牙齿的釉质和本质类比到涂层刀具的涂层和基体，根据牙釉质与牙本质结合面的形状，仿生设计了由一组圆弧组成的膜基结合面。基于基体拉伸法测涂层界面结合强度的思想，利用ABAQUS有限元软件仿真了界面结合强度。结果表明：由一组合适大小圆弧组成的结合面的界面应力分布情况较好。所阐述的膜基结合面形状的仿生设计将为基体表面镀膜前的处理提供一种新的思路。6 结束语应用刀具涂层技术较好地解决了刀具韧性和强度之间的矛盾，使刀具的切削速度和耐用度大幅提高。但仍然存在涂层易剥