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涂層刀具的特點及其發展方向

 涂層刀具是近20年來發展最快的新型刀具。目前工業發達國家涂層刀具已占80%以上,CNC機床上所用的切削刀具90%以上是涂層刀具。

  1 涂層刀具的特點
      涂層刀具結合了基體高強度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優點,提高了刀具的耐磨性而不降低其韌性。涂層刀具通用性廣,加工范圍顯著擴大,使用涂層刀具可以獲得明顯的經濟效益。一種涂層刀具可以代替數種非涂層刀具使用,因而可以大大減少刀具的品種和庫存量,簡化刀具管理,降低刀具和設備成本。但是刀具在現有的涂層工藝進行涂層后,因基體材料和涂層材料性質差別較大,涂層殘留內應力大,涂層和基體之間的界面結合強度低,涂層易剝落,而且涂層過程中還造成基體強度下降、涂層刀片重磨性差、涂層設備復雜、昂貴、工藝要求高、涂層時間長、刀具成本上升等缺點。
  
    常用的涂層材料
  
  常用的涂層材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金剛石及復合涂層八大類數十個品種。根據化學鍵的特征,可將這些涂層材料分成金屬鍵型、共價鍵型和離子鍵型。
  
  涂層材料的性質
  
  金屬鍵型涂層材料(如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等)熔點高、脆性低、界面結合強度高、交互作用趨勢強、多層匹配性好,具有良好的綜合性能,是最普通的涂層材料。共價鍵型涂層材料(如B4C、SiC、BN、金剛石等)硬度高、熱脹系數低、與基體界面結合強度差、穩定性和多層匹配性差。而離子鍵型材料化學穩定性好、脆性大、熱脹系數大、熔點較低、硬度不太高。
  
  
  在這些涂層材料中,用的最多的是TiC、TiN、Al2O3、金剛石以及復合涂層。
  
  TiC耐磨性好,能有效地提高刀具的抗月牙洼磨損能力,適合于低速切削及磨損嚴重的場合;TiN涂層具有低的摩擦系數,潤滑性能好,能減少切削熱和切削力,適合于產生融合和磨損的切削;Al2O3的高溫耐磨性、耐熱性和抗氧化能力比TiC和TiN好,月牙洼磨損率低,適合于高速、大切削熱切削;金剛石涂層硬度和熱導性高,摩擦系數很低,適合于有色金屬合金的高速切削;而復合涂層綜合幾種涂層材料的特點,目前以雙涂層和三涂層組合居多。
  
  常用涂層方法
  
  目前常用的涂層方法是CVD(化學氣相沉積法)和PVD(物理氣相沉積法),其它方法如等離子噴涂、火焰噴涂、電鍍、溶鹽電解等還存在較大的應用局限性。
  
  CVD法是利用金屬鹵化物的蒸氣、氫氣和其它化學成分,在950~1050℃的高溫下,進行分解、熱合等氣、固反應,或利用化學傳輸作用,在加熱基體表面形成固態沉積層的一種方法。CVD法工藝要求高,而且由于氯的侵蝕及氫脆變形可能導致涂層易碎裂、基體斷面強度下降,涂層硬質合金時還易產生脫碳現象而形成n相。近年來,中、低溫CVD法和PCVD法開發成功,改善了原有CVD工藝。
  
  PVD法起步晚、發展快、溫度低( 約300~500℃),優點很多,但涂層的均勻性不如CVD法,涂層與基體結合不太牢固,涂層硬度比較低,涂層優越性未得到充分體現。PVD 法工藝要求比CVD 法高,設備更復雜,涂層循環周期長。目前常用的PVD方法有低壓電子束蒸發(LVEE)法、陰極電子弧沉積法(CAD)、三極管高壓電子束蒸發法(THVEE)、非平衡磁控濺射法(UMS)、離子束協助沉積法(IAD)和動力學離子束混合法(DIM),其主要差別在于沉積材料的氣化方法以及產生等離子體的方法不同而使得成膜速度和膜層質量存在差異。
  
  2 涂層刀具的發展方向
  
   刀具涂層材料出現了很多新種類:TiCN基新涂層兼有TiC和TiN涂層良好的韌性和硬度,比常用的TiN刀具耐用度高2~4倍。此外,以TiCN為基的多元成分新涂層材料如(Ti,Zr)CN、( Ti,Al)CN、(Ti,Si)CN等紛紛出現。AlON涂層刀具產生的月牙洼磨損極小。TiAlN有很高的高溫硬度和優良的抗氧化能力,涂層硬度高,抗氧化性能好,切削性能優于TiN涂層,用于加工航天合金材料時的刀具壽命可提高1~4倍。CrC和CrN涂層是無鈦涂層,可有效地切削鈦和鈦合金以及鋁合金等其它軟材料。另外,Hf、Zr、Ta的碳化物與氮化物,Hf、Zr、Ti、N、Ta的硼化物,Hf、Zr、Ti、Be的氧化物等涂層材料均成功采用。
  
  值得一提的是美國Multi-Scientific Coating公司的類金剛石的碳涂層,使用熱陰極蒸發技術把碳沉積到刀具表面后,類金剛石碳涂層和基體結合良好,有很多金剛石相似的性能,有高的耐磨性和低的摩擦系數。其它ZrN,TiZrN類金剛石膜涂層(DLC)的應用范圍也不斷拓展,主要用于加工有色合金。
  
  氮化鋁鈦涂層也由原先常使用的Ti0.75Al0.25N轉化為優先使用Ti0.5Al0.5N,Ti0.5Al0.5N涂層抗氧化溫度為700℃,在空氣中加熱會在表面產生一層非晶態Al2O3薄膜,可以對涂層起保護作用。
  
  日本不二越公司開發出一種稱為SG的新型涂層,它由TiN、TiCN及Ti系膜三層組成,耐磨性優于TiN涂層,且涂層與基體的結合強度高,表層為Ti系特殊膜層,具有極好的耐熱性。
  
  瑞士還開發出一種稱為“MOVIC”軟涂層的新工藝,即在刀具表面涂復一層固體潤滑膜二硫化鉬,刀具切削壽命數倍增加,且能獲得優良的加工表面。其它硫族元素如WS2等軟涂層也取得了一定進展。這些軟涂層在加工高強度鋁合金和貴重金屬方面有良好的應用前景。
  
  近年來,高硬度的涂層開始出現。包括立方氮化硼(CBN)涂層、氮化碳(CNX)、多晶氮化物超點陣涂層等。CBN涂層硬度達5200kgf/mm2,僅次于金剛石,可有效的切削淬火鋼和其它難加工合金。如果氮化碳(CNX)涂層能夠形成b-C3N4,理論上可以計算出其硬度將超過金剛石。已經有氮化碳合成的報道。多晶氮化物超點陣涂層是一種很有希望的新型刀具涂層,多晶TiN/NbN和TiN/VN超點陣涂層的硬度分別為5200kgf/mm2和5600kgf/mm2,超點陣涂層由于層內或層間位錯困難導致其硬度很高。
 
  隨著涂層技術的發展,出現了綜合PVD和CVD的PACVD法,另外,還有離子束濺射方法,中能離子束輔助沉積技術(IBAD)也可用于涂層,離子束輔助沉積兼有氣相沉積與離子注入的優點。等離子輔助化學氣相沉積(PCVD)利用等離子體來促進化學反應,可使沉積溫度降低到200~500℃。Sol-Gel法由于其自身的優點也越來越受到人們的重視。
  
  MT-CVD(中溫化學氣相沉積)則在一定程度上克服了一般HD-CVD(高溫化學氣相沉積)的缺點,其沉積溫度低(700~900℃),沉積速度快,涂層厚,工藝環鍍性好,對于形體復雜的工件涂層均勻,而且涂層附著力高,涂層內部殘余應力小,是一種優于HT-CVD的涂層工藝方法。
  
  涂層所用的基體范圍也在擴大,包括高速鋼、硬質合金和陶瓷都可以進行涂層。近幾年來陶瓷涂層硬質合金刀具發展迅速,特別是Al2O3陶瓷由于其高化學穩定性和耐氧化性特別適用于高速切削,在陶瓷涂層中所占比例較大。
  
  雖然刀具涂層工藝上獲得了長足的發展,特別是梯度涂層工藝,但總體說來涂層技術有待進一步提高。
  
  3 結論
  
  涂層刀具較好的解決了刀具強度和韌性之間的矛盾,大大提高了刀具的耐用度和切削速度。但存在涂層易剝落,工藝復雜昂貴等缺點。刀具涂層材料中用的最多的是TiC、TiN、Al2O3、金剛石以及復合涂層。常用涂層方法是CVD法和PVD法。
  
  新型的涂層材料和新的涂層工藝方法不斷出現,特別是新型高硬涂層以及軟涂層材料將會使涂層刀具的應用將越來越廣。


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