刀具涂层技术的现状与展望
刀具涂层的发展现状与应用
刀具涂层的发展现状与应用摘要：随着现代制造业的快速发展，传统刀具已经无法满足现在加工的需求。
涂层刀具的出现大大解决了这一问题，与传统刀具相比，涂层刀具具有优异的热稳定性、好的耐磨性能、高硬度和高的结合强度等优点。
本文主要介绍了刀具涂层材料的发展，涂层的制备技术并对刀具涂层的应用前景与发展进行了展望。
关键词：刀具涂层;涂层材料；制备技术；应用前景与发展0引言随着机械行业加工技术的不断发展, 加工难度较高新型材料的使用逐渐增多,高速切削加工条件的不断提高,传统的刀具已经不能满足新的要求[1]。
虽然通过一系列措施,使得刀具材料的硬度提高，抗磨损性增加，但与此同时，也降低了刀具材料的冲击韧性和抗弯强度,因此刀具的使用性能受到影响。
由于刀具涂层是改善上述问题的有效方法，即刀具基体上涂覆一层或多层高硬度、耐磨损、耐腐蚀的金属或者非金属化合物涂层（如：CrN、AlTiN 、AlCrN 、Al2O3等），这使得刀具与工件之间的摩擦因数大大降低，在不降低涂层的硬度与韧性的前提下提高了刀具的耐磨性，延长了刀具的使用寿命，提高了加工效率[2]。
1刀具涂层材料的发展近年来，刀具涂层的逐步发展，使得涂层可供选择性增加,例如二元涂层、多元涂层以、纳米复合涂层，交替涂覆的多元涂层等。
下面是一些刀具涂层材料和制备工艺的发展应用情况。
在不同的加工条件、不同加工场合选用哪种涂层有益于切削加工得到最佳效果，每一种涂层材料的特性都具有十分重要的作用。
1.1二元涂层通过等离子体辅助的物理气相沉积（PVD）技术制备的过渡金属氮化物硬质涂层可以被广泛地应用于改善工业刀具和机械零部件的性能和寿命。
其中二元涂层CrN因为具有硬度高、膜/基结合力强、耐磨损等优良特性，故被作为保护涂层广泛的应用于机械加工行业。
而高的氧化温度和在恶劣的环境条件下具有优异的耐腐蚀性能，进一步提高了CrN涂层的综合性能，与其他金属形成多组分涂层已经进行了合作[3]。
TiC是一种硬度高，耐磨的化合物二涂层,具有良好的抗摩擦耐磨损性能; TiN的硬度稍低,但化学稳定性较高,且降低了刀具与被加工工件之间的摩擦系数，与高速钢涂层结合牢固。
国外刀具涂层技术的现状及发展趋势
维 克的工作 小组在 Ｉ Ｍ 位 于美 国圣 何塞 的研 究 中心 ，他们 目前 正在努 力研发 一种名 为 ” Ｂ
锂空气” 的新型电池。该电池应用的技术能极大提高 电动汽车 电池的效率 ，让 电动汽车每充 电一 次 即可跑 ５０ ｉ，而 大 多数 目前市场上 销售 的 电动 汽车 充 电一次 只 能跑 １０ｍ。 ０ｋ ｎ ０ｋ 这种 电池在 理 论上能 够将 目前 电动 汽 车普遍使 用 的锂 电池能量 密度 提 高十倍 ， 因为 这种 电池将空气作为反应物放入 电池 内部 。这意味着” 锂空气” 的储存装置要 比一般的锂 电池更 轻，这也很大程度提升了电动汽车的性能。 ” 我总是把这个研发 的过程 比喻成攀登珠穆朗玛峰，” 维克说，” 在过去 的两个月里，我 们只能算是刚刚起步而已，不过可喜的是，我们已经取得 了一些突破性进展。” 维克 不愿透 露 关于研 究 的详 细 内容 ，但 他表 示 ，这 种” 空气 ” 锂 电池 将 是可 以重复充 电使 用 的，还 将拥有 之 前锂 电池所 没有 的一 些功 能 。” 这个 研究 可 能花 费数年 ， 同时也 是一 个具 有 极 高风 险的研 究项 目。” 虽然，维克的小组取得了一定的成果， 但是想要使电动汽车的电池既安全又经济，暂时 还 是 无法 实现 的 ，即便 金属 空气 电池也 是如此 。在金 属 空气 电池 中，空气 中 的氧 气被 当作锂 电极 的反应 物 。ＩＭ 研 究员纳 亚说 ：” Ｂ 这样 电池 就像 一个燃烧 引擎 。现 在是 汽车 吸进空 气使 其与汽油一起燃烧， 将来空气将会用于电化学反应。 ⅢＭ 预计在 ５ ” 年后生产出第一个样品， 而其他研究者则很谨慎地预计，这种研究方案需要耗时几十年。 从世界范围来看，电动汽车的研究者和开发商都把重点放在电池方面， 锂离子电池技术 代 表 了 当前的研 究水平 。２ 纪 ９ 代初 ，索尼 生产 出 了第 一个 小型 的锂离 子 电池 ， 由于 Ｏ世 ０年 具备性能高、 寿命长、充 电时间短等优点，很快就在小型设备如移动电话、笔记本电脑和模 型飞机等方面得到了应用 。有趣的是，在汽车领域最初却没人愿意使用锂离子电池， 锂作 为 电极 材 料不仅 会 导致 电压 过高 ，而 且很容 易与其 他元素 进 行反应 。 目前 ，对 于锂 电池来 说，安全性 、耐用性 、放 电容 量 以及 快速 充 电都是 十分 重要 的，这 几 个要 素缺 一不 可 。 而 ， 车 电池 的安全性 、放 电容量 和耐用 性是 相互 联系 、此消彼 长 的， 然 汽 电池制 造 商陷入 两难境 地 ，一方 面 的提 高大 多 以牺 牲其 它方 面为代 价 。
浅谈涂层刀具的应用现状和发展前景
浅谈涂层刀具的应用现状和发展前景摘要：随着新材料的出现，切削速度的提高，对刀具的要求是高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。
涂层刀具的出现，使难加工材料以及新材料切削性能有了重大突破。
本文从涂层刀具的概念入手，通过分析涂层刀具的发展历史和在金属切削加工中涂层刀具与普通刀具的性价对比来阐述涂层刀具的应用以及目前存在的问题，预测今后的发展前景。
关键词：涂层刀具切削加工应用Abstract:With the emergence of new material, the increase of cutting speed on tool requirements, high cutting speed, high feed rate, high reliability, long life, high precision and good cutting control. Coated cutting tools appear, make hard processing materials and new materials cutting performance has been a major breakthrough. In this paper, through the analysis of coating tools, with its historical development in metal cutting processing, and general tool of price comparison on coated cutting tool application and present problems, forecast the development foreground henceforthKey Words：Coated cutting tool Cuttingp rocessing Application引言对于机械行业来说，世界上目前发展的重要项目有:高速精密切削加工，少、无冷却润滑液的切削或干切削，高硬状态下切削加工。
刀具涂层技术的现状与发展PVDCVD
刀具涂层技术的现状与发展PVDCVD刀具涂层技术的现状与发展摘要：刀具涂层技术是一种受刀具市场需求而产生的一种表面改性技术，该项技术能改变切削刀具的综合机械性能，大幅度提升加工效率以及刀具寿命，刀具涂层技术成为高效率、高精度、高可靠性要求的关键机械加工技术之一。
本文着重介绍了刀具涂层技术的涂层材料的制备方法及种类，并对刀具涂层技术的应用前景及发展趋势进行了展望。
从工艺、装备、技术开发、推广应用、售后服务等方面分析我国刀具涂层技术与工业发达国家的差距；文中建议我国工具行业应针对国内刀具涂层技术现状，建立统一的研究、开发、服务体系，系统地引进国际先进技术，通过消化吸收逐步达到自我开发的能力，最终实现参与国际市场竞争的目的。
关键词：刀具;涂层技术;PVD;CVD1 引言刀具涂层技术是一种受刀具市场需求而产生的一种表面改性技术，该项技术能改变切削刀具的综合机械性能，大幅度提升加工效率以及刀具寿命，因此该项技术已与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。
为了满足机械加工的高效率、高精度、高可靠性的要求，各个国家都十分注重刀具涂层技术的发展。
当前，我国刀具涂层技术正处于一个发展的十分关键的时期，特别是PVD涂层技术，使用原有的涂层技术生产的刀具已不能满足切削加工要求；发展PVD技术，能提高我国切削刀具的水平，获得巨大的经济效益，提高我国的综合国力。
2 国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势刀具涂层技术目前分为两大类，即化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）技术。
2.1 物理气相沉积（PVD）技术的发展习惯上，把固体(液态)镀料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、激光束、电弧等能量形式产生气相原子、分子、离子(气态，等离子态)进行输运，在固态表面上沉积凝聚，生成固相薄膜的过程称为物理气相沉积(PVD)。
物理气相沉积（PVD）技术产生于上世纪七十年代末，因为它的工艺温度控制在500℃以下，，可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。
2023年国内外工业切削刀具涂层技术的发展
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04 国内外涂层技术的比较与评价指标 Comparison and Evaluation Indicators of Coating Technologies at Home and Abroad
应用领域：航空航天
1.航空航天领域对高性能切削刀具需求增长
航空航天领域对工业切削刀具涂层技术的需求日益增长。航空航天行业的切削加工对刀具的性能要求极高，需要切削刀具具有高温抗磨、耐腐蚀和高硬度等特性。因此，工业切削刀具涂层技术在航空航天领域中得到广泛应用。
2.航空航天工业切削刀具涂层技术：提高效率、延长寿命、降低成本
3.国内涂层技术活跃，追求高性能刀具
总体而言，国内涂层技术的研究动态非常活跃，研究人员不断追求更先进的材料和工艺，致力于提高切削刀具的耐磨性、耐热性和切削性能，以满足工业发展对高性能切削刀具的需求。
02 工域业切削刀具涂层的优势与应用领 Advantages and Application Fields of Industrial Cutting Tool Coatings
切削刀具涂层技术的应用还能提升汽车零部件的加工质量。切削刀具涂层能够减少切削过程中的热变形和切屑的 粘附，降低切削表面的粗糙度，提高零部件的表面质量和加工精度。优质的切削表面可以提升汽车零部件的质量， 增加其耐磨性、耐腐蚀性和机械强度，提高汽车的整体性能和可靠性。
03 国内外涂层技术的研究重点与趋势 Research Focus and Trends of Coating Technology at Home and Abroad
刀具涂层技术的现状和其发展趋势
刀具涂层技术的现状和其发展趋势
1引言众所周知，刀具表面涂层技术是应市场需求而发展起来的一项优质表面改性技术，由于该项技术可使切削刀具获得优良的综合机械性能，不仅可有效地提高刀具使用寿命，而且还能大幅度地提高机械加工效率，因此该项技术已与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国都十分注重涂层技术的发展。目前我国刀具涂层技术的发展正处在一个十分关键的时刻，尤其是PVD涂层技术，一方面原有的技术已不能满足切削加工日益变化的要求；另一方面国内各大工具厂涂层设备已到了必须更新换代的时期，因此有计划、按步骤的发展PVD技术，不仅能促进我国切削刀具产品技术水平的提高，而且还可获得巨大的经济效益和社会效益。2国际刀具涂层技术的现状及发展趋势刀具涂层技术目前仍可划分为两大类，即CVD(化学气相沉积)和PVD技术(物理气相沉积)。2.1国际CVD技术的发展CVD技术自上世纪六十年代出现以来，在硬质合金可转位刀具上得到了极为广泛的应用。在CVD工艺中，气相沉积所需金属源的制备相对容易，可实现TiN、TiC、T层，其涂层与基体结合强度高，薄膜厚度可达7～9μm，相对而言，CVD涂层具有更好的耐磨性。八十年代中后期，美国85%的硬质合金工
2023年涂层刀具的切削性能及应用现状分析模板
3. 涂层刀具的切削性能提升：研究发现，涂层刀具在切削过程中能够显著降低切削力，提高切削效率。以钢铁行业为例，使用涂层刀具加工钢材，相比传统刀具，切削力可以降低20%，切削效率提高30%以上。
3. 切削表面质量评价：切削表面质量是衡量涂层刀具切削效果的重要指标之一。通过对切削表面粗糙度、表面硬度等参数的评估，可以评估涂层刀具在切削过程中对工件的加工质量影响。切削表面质量的好坏对于工件的尺寸精度、表面光洁度以及工件在后续加工中的使用性能都有着重要影响。
切削性能评价
Cutting performance evaluation
1.金属加工领域中的涂层刀具应用2.涂层刀具：高速、重切削和干切削的理想选择
涂层刀具广泛应用领域
20%50%3002
涂层刀具的优势和特点
涂层刀具的市场需求增长
以数据驱动的方式呈现涂层刀具市场增长趋势
2019年至2025年，全球涂层刀具市场年均复合增长率预计达到X％，预计市场规模将从X亿美元增长到X亿美元。
2. 切削温度的评价：可以研究不同涂层刀具在切削过程中的温升情况，并以切削温度为指标，评估其在高温环境下的稳定性和使用寿命。通过实验或者模拟计算，可以深入分析不同涂层刀具的散热效果，从而评价其对降低切削温度的贡献。
3. 切削质量的评价：可以通过评估不同涂层刀具在切削过程中的表面粗糙度、加工精度等指标，来确定其在切削加工中的质量表现。可以使用表面粗糙度测量仪、三坐标测量仪等工具进行实际检测，从而对比分析不同涂层刀具的切削质量差异，并评判其适用范围和潜力。
涂层刀具的涂层材料、涂层方法及发展方向
涂层刀具的涂层材料、涂层方法及进展方向在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决议性的影响。
刀具性能的两个关键指标硬度和强度（韧性）之间好像总是存在着冲突，硬度高的材料往往强度和韧性低，而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。
在较软的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TiC、TiN、Al2O3,等）构成的涂层刀具，较好的解决了刀具存在的强度和韧性之间的冲突，是切削刀具进展的一次革命。
涂层刀具是近20年来进展最快的新型刀具。
目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上，CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。
1涂层刀具、涂层材料及涂层方法涂层刀具的特点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，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。
涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。
一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大削减刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。
但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后，因基体材料和涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层和基体之间的界面结合强度低，涂层易剥落，而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备多而杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。
常用的涂层材料及性质常用的涂层材料常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。
依据化学键的特征，可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。
涂层材料的性质金属键型涂层材料（如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等）熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好，具有良好的综合性能，是最一般的涂层材料。
共价键型涂层材料（如B4C、SiC、BN、金刚石等）硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。
涂层刀具材料研究现状与发展思路
涂层刀具材料研究现状与发展思路摘要：制造业的飞速发展对刀具材料的要求也越来越高，涂层技术实现了涂层材料的特殊优异性能，使刀具的使用寿命和切削性能等都得到了极大的提高。
因此，涂层技术的应用领域正在日益扩大，在制造业中必将显示更加重要的地位。
本文介绍了刀具涂层材料的研究现状，对其制备工艺及分类两方面进行了综述，并探讨了涂层刀具材料的发展趋势。
关键词：纳米涂层；物理气相沉积；化学气相沉积；超硬刀具引言19世纪70年代，用于研究的简单涂层设备开始出现；到20世纪70年代商品化的涂层设备供应于世；20世纪80年代涂层技术进入工业化大生产；21世纪初，涂层技术成为世人瞩目的新技术。
涂层技术是应市场需求发展起来的一种表面处理技术。
近10年来，涂层技术在刀具行业的应用得到了快速普及，涂层刀具已成为切削加工不可或缺的主流刀具。
与此同时，随着切削技术向高速、高效、强力、干式的方向发展，刀具涂层技术成为了左右切削技术发展的主要因素。
由于这项技术可使工、模具表面获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率及延长工、模具使用寿命，因此它已成为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性要求的关键技术之一，而且其应用领域正在迅速扩展。
涂层发展正面临前所未有的机遇。
因此，对于刀具涂层及其性能的研究，并开发满足不同加工条件的高性能刀具涂层，对促进制造业发展具有重要意义。
1.涂层刀具材料的制备及发展现状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，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。
涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益[1] 。
涂层技术的发展已从当初单一的TiC、TiN涂层发展为TiC-Al2O3-TiN复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层，涂层的性能有了很大的改善，使用范围不断扩大，涂层刀具的基体材料范围也在扩大，高速钢、硬质合金、陶瓷刀具都可以进行涂层。
新的涂层工艺不断出现，如生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积（PVD）法如图1和化学气相沉积（CVD）法如图4。
刀具涂层技术介绍
04
电子工业领域：提高电子元器件的耐磨性和耐腐蚀性
05
能源领域：提高太阳能电池板的耐磨性和耐腐蚀性
06
建筑领域：提高建筑材料的耐磨性和耐腐蚀性
谢谢
01
陶瓷涂层材料：具有高硬度、高耐磨性和耐高温性
02
复合涂层材料：结合多种材料的优点，提高涂层性能
03
环保型涂层材料：减少环境污染，提高涂层的环保性能
04
涂层技术的优化
01
涂层材料的改进：提高涂层的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等性能
03
涂层结构的优化：设计更合理的涂层结构，提高刀具的使用寿命和加工效率
提高刀具寿命：涂层技术可以降低刀具磨损，提高刀具寿命
提高加工精度：涂层技术可以提高刀具的耐磨性和抗磨损性，从而提高加工精度
降低加工成本：涂层技术可以降低刀具更换频率，从而降低加工成本
提高生产效率：涂层技术可以提高刀具的切削速度和进给速度，从而提高生产效率
降低生产成本
提高刀具寿命：涂层技术可以延长刀具的使用寿命，从而降低生产成本。
刀具涂层技术介绍
演讲人
目录
刀具涂层技术的背景
01
刀具涂层技术的原理
02
刀具涂层技术的应用
03
刀具涂层技术的发展趋势
04
1
刀具涂层技术的背景
刀具磨损问题
刀具磨损是影响加工效率和成本的重要因素
01
刀具磨损会导致加工精度下降，影响产品质量
02
刀具磨损会增加生产成本，降低生产效率
03
刀具磨损问题一直是制造业面临的重要挑战
04
热稳定性测试：测试涂层在高温环境下的稳定性能，以评估其使用寿命
3
刀具涂层技术的应用
刀具涂层
数控涂层刀具技术的进展【摘要】：当前，全球经济正处在一个根本性的变革时期，制造业已发生了革命性转变，以数控机床为基础的现代制造技术正朝着高速‘干式切削加工方向迈进。
在该领域中，切削刀具制造技术的发展至关重要。
现代化的金属切削加工，对刀具的要求是高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。
由于刀具涂层技术可大幅度提高刀具的综合性能，使刀具切削性能有了重大突破，它将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，硬质薄膜表层有具有高耐磨性和低摩擦系数，从而使刀具的性能大大提高。
尤其是近年来超硬薄膜设计概念的提出，在理论上有效地改善刀具的高温性能，使涂层刀具应用于高速’干式切削加工成为可能。
【Abstract】：At present, the global economy is in a fundamental period of change, the manufacturing sector have taken place in a revolutionary shift, CNC machine tools based on modern manufacturing technology is moving high-speed 'dry machining direction. In the field, cutting tools and manufacturing technology development. Modern metal cutting tool requirements for high cutting speed, high feed rate, high reliability, long life, high accuracy and good cutting control. Tool coating technology can significantly improve tool performance, tool cutting performance has been a major breakthrough, and it tool substrate and the film surface of the hard substrate to maintain a good toughness and high strength, rigid film surface with high wear resistance and low coefficient of friction, and thus greatly improve the performance of the tool. Especially in recent years superhard film design concept proposed to improve the high temperature performance of the tool, coated tools used in high-speed 'Dry Cutting it possible in theory.【关键词】：刀具涂层切削效率涂层材料 CVDKeywords:tool coating Cutting efficiency Coating material CVD【引言】：自20世纪70年代初硬质涂层刀具问世以来，化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术相继得到发展，为刀具性能的提高开创了历史的新篇章。
涂层刀具的优点及涂层技术的发展
涂层刀具的优点及涂层技术的发展000000000涂层刀具的优越性在韧性较好的刀具(刀片)基体上进行表面涂层，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层(如TiN、TiC等)，使刀具(刀片)具有全面、良好的综合性能。
未涂层高速钢的硬度仅为62~68HRC(760~960HV)，硬质合金的硬度仅为89~93.5HRA(1300~1850HV);而涂层后的表面硬度可达2000~3000HV以上。
①由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温。
故与未涂层的刀具(刀片)相比，涂层刀具允许采用较高的切削速度，从而提高了切削加工效率;或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。
②由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故涂层刀具(刀片)的切削力小于未涂层刀具(刀片)。
③用涂层刀具(刀片)加工，零件的已加工表面质量较好。
④由于涂层刀具(刀片)的综合性能良好，故涂层硬质合金刀片有较好的通用性，一种涂层硬质合金牌号的刀片具有较宽的使用范围。
技术的发展和进步笔者多次参观了国际机床工具展览会，收集到很多资料，并听取了各大工具公司的技术报告，从而了解到刀具产品表面涂层技术的发展和进步。
CVD涂层技术的进展过去，硬质合金刀具表面涂层采用高温化学气相沉积(HTCVD)工艺。
在常压或负压的沉积系统中，将纯净的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等气体根据沉积物的成分，按一定配比均匀混和，依次涂到具备一定温度(一般为1000~1050℃)的硬质合金刀片表面，即在刀片表面沉积TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它们的复合涂层。
直到现在，HTCVD仍是使用最多的工艺方法，除HTCVD外，还有等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺，它是在硬质合金刀具(刀片)表面涂层的另一种方法，因这种涂层工艺温度较低(700~800℃)，故刀片的抗弯强度降低。
因为TiC与基体材料的线膨胀系数最接近，通常用TiC薄层先涂在基体表面上，外面再涂TiN、Al2O3，如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN 等。
刀具涂层技术现状及其展望
对刀具进行涂层是机械加工行业前进道路上的一大变革，它是在刀具韧性较高的基体上涂覆一层、二层乃至多层耐磨的难熔化合物，从而使刀具的性能得到极大改善。
经涂层的刀具可以提高加工效率、加工精度、延长寿命、降低成Array本，因而，受到世界各国普遍关注。
现状自20世纪60年代末第一代CVD气相沉积TiC硬质合金刀片问世以来，涂层技术对硬质合金刀具的发展起了巨大的促进作用。
20世纪80年代初PVD气相沉积TiN在高速钢刀具上成功应用，被誉为高速钢刀具性能的一场革命。
从此，涂层技术取得了飞速的发展，涂层工艺越来越成熟，涂层刀具应用范围越来越广泛。
西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%，新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。
瑞典山特维克可乐满和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达85%以上，美国数控机床上使用的硬质合金涂层刀片的比例为80%，瑞典和德国车削用的涂层刀具都在70%以上。
日本、俄罗斯涂层技术开发和应用也走在世界前列。
我国涂层刀具起步晚，但进步快，涂层网点遍布全国，不少城市都有自己的涂层中心，承接对外加工业务，厂矿也不甘示弱，国内几家大的工具厂拥有涂膜机都在10台以上，但多数应用在麻花钻等低端产品上。
德国等工业发达国家的涂层公司纷纷在我国安营扎寨，大搞涂层刀具对外加工。
由于资源匮乏和机械加工的高效化，以及数控技术进步及难加工材料增多，涂层刀具正以惊人的发展速度被动式向前挺进。
涂层技术的新发展纵观CVD、PVD技术的发展过程，可以发现几个共同的规律。
当第一代涂层产品进入市场后，首先要解决的是涂层设备的国产化问题，以满足市场需要；其次是开发新一代的涂层成分，以提高刀具的加工效率；第三是研制多层涂层及控制技术，使被涂刀具表层具有多种材料的综合力学性能，对切削、拉铣等不同加工对象实施个性化服务。
涂层技术的新发展主要有以下三个方面表现：膜系材料多元化目前应用最多的涂层物质是TiC、TiN、TiCN和Al2O3。
涂层刀具行业报告
涂层刀具行业报告涂层刀具是一种在刀具表面涂覆一层特殊材料的刀具，以提高刀具的耐磨性、耐腐蚀性和切削性能。
涂层刀具广泛应用于机械加工、汽车制造、航空航天等行业，是现代制造业中不可或缺的重要工具。
本报告将对涂层刀具行业的发展现状、市场需求、技术趋势等方面进行深入分析。
一、涂层刀具行业的发展现状。
随着制造业的快速发展，涂层刀具行业也得到了迅猛的发展。
涂层刀具以其优异的性能，逐渐取代了传统的未经涂层处理的刀具，成为制造业中的主流产品。
目前，涂层刀具行业的竞争格局日益激烈，国内外企业纷纷加大研发投入，推出各种新型涂层刀具产品，以满足市场的不断增长的需求。
二、市场需求分析。
1. 机械加工行业。
机械加工行业是涂层刀具的主要应用领域之一。
随着机械加工行业的快速发展，对刀具的要求也越来越高，涂层刀具以其优异的耐磨性和切削性能，受到了广泛的青睐。
特别是在高速切削、重负荷切削等领域，涂层刀具的需求更是迅速增长。
2. 汽车制造行业。
汽车制造行业对刀具的要求也非常高，特别是在汽车发动机、变速箱等零部件的加工中，对刀具的耐磨性和切削性能要求更是严格。
因此，涂层刀具在汽车制造行业中也有着广阔的市场需求。
3. 航空航天行业。
航空航天行业对刀具的要求更是苛刻，对刀具的材料、精度、耐磨性等方面都有着极高的要求。
涂层刀具以其优异的性能，成为航空航天行业不可或缺的重要工具。
三、技术趋势分析。
1. 纳米涂层技术。
随着纳米技术的不断发展，纳米涂层技术被广泛应用于涂层刀具的生产中，通过纳米材料的应用，可以大幅提升涂层刀具的性能，使其具有更高的耐磨性和切削性能。
2. 多功能涂层技术。
未来涂层刀具的发展方向是多功能化，即在一种涂层中具备多种性能，如耐磨性、耐腐蚀性、导热性等，以满足不同领域的需求。
3. 智能制造技术。
随着智能制造技术的发展，涂层刀具的生产也将更加智能化，通过智能制造技术可以实现对涂层刀具生产过程的精准控制，提高生产效率和产品质量。
刀具涂层技术的研究现状和发展趋势
刀具涂层技术的研究现状和发展趋势一、本文概述刀具涂层技术作为提升刀具性能、延长刀具使用寿命的重要手段，在现代制造业中发挥着至关重要的作用。
随着科学技术的不断进步，刀具涂层技术的研究和应用也在不断深化。
本文旨在全面概述刀具涂层技术的研究现状，分析其发展趋势，为相关领域的科研工作者和从业人员提供参考和借鉴。
本文将首先介绍刀具涂层技术的基本概念、分类及其应用领域，阐述涂层技术在提高刀具硬度、耐磨性、抗腐蚀性等性能方面的优势。
随后，本文将重点分析当前刀具涂层技术的研究现状，包括涂层材料的选择、制备工艺的优化、涂层与基材的结合机制等方面。
还将探讨涂层技术在不同制造领域中的应用案例，以及在实际应用中遇到的问题和挑战。
本文将展望刀具涂层技术的发展趋势，包括新型涂层材料的研发、涂层制备技术的创新、涂层性能的优化等方面。
通过对刀具涂层技术未来发展方向的探讨，旨在为相关领域的科研工作者和从业人员提供有益的启示和思考。
二、刀具涂层技术的基础知识刀具涂层技术是一种通过物理或化学方法在刀具表面形成一层或多层薄膜的技术，旨在提高刀具的性能和寿命。
这些涂层能够显著增强刀具的硬度、耐磨性、抗热性以及化学稳定性，从而提升刀具在切削过程中的切削效率、加工精度和使用寿命。
涂层材料的选择是刀具涂层技术的关键。
目前，常用的涂层材料主要包括金属氧化物（如氧化铝、氧化钛）、金属氮化物（如氮化钛、氮化铬）、金属碳化物（如碳化钛、碳化钨）以及金刚石和类金刚石等。
这些材料具有优异的物理和化学性能，能够在刀具表面形成坚固的保护层。
涂层技术主要分为物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）两大类。
物理气相沉积技术通过物理过程将涂层材料蒸发并沉积在刀具表面，主要包括真空蒸发、溅射、离子镀等方法。
而化学气相沉积技术则通过化学反应在刀具表面生成涂层，包括热化学气相沉积和等离子化学气相沉积等。
涂层结构的设计也是刀具涂层技术中的重要环节。
涂层结构通常由底层、中间层和顶层组成，旨在实现涂层与基体之间的良好结合、提高涂层的耐磨性和抗热性，以及优化涂层表面的性能。
刀具涂层技术的现状与展望
2000 年第 34 卷 3
3
刀具涂层技术的现状与展望
成都工具研究所( 610056) 陈维喜
摘 要: 综述了国内外切削刀具涂层技术的现 状, 展望了 涂层技术 的发展 前景, 分析 了 CVD 和 PVD 工艺各 自 具备的优点和不足。指出, 开发新的涂层材料和 CVD、PVD 两种工艺相互补充, 可获得较理想的涂层效果。
材料 T iC
熔点 密度 ( ) ( g/ cm3) 3067 4 93
硬度 弹性模量 线胀系数 抗高温
( Hv) ( kN/ mm2) ( 10- 6/ K) 氧化性能
2800 470
80
一般
TiN 2950 5 40 2100 590
94
一般
TiB2 3225 4 50 3000 560
78
一般
收稿日期: 1999 年 7 月
要用于套装麻花钻及齿轮刀具的涂层处理, 估计涂 层套装麻花钻已占全磨制麻花钻总量的 50% 左右。 以江苏丹阳飞达、天工两个大型工具集团为例, 每年 麻花钻涂层费用均超过 500 万元人民币, 约有 20 台 PVD 设备供麻花钻涂层使用。国内主要齿轮刀具厂 均拥有 PVD 设备, 为本厂产品涂层 服务, 加上齿轮 制造厂自身在邻近涂层厂涂层的刀具, 齿轮刀具中 涂层刀具的比例已大于 60% 。近年来, 齿轮刀具刃 磨后进行重涂以提高切削效率的概念已逐渐被齿轮 加工业认可, 因此, 今后齿轮刀具的涂层量必将进一 步增加。
涂层刀具的应用现状及发展趋势
涂层刀具的应用现状及发展趋势涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。
通过涂层可以提高切削刀具抗各种磨损的能力,延长了刀具的寿命,提高了被加工零件的表面精度,也提高了切削速度和进给速度,从而提高金属切削效率。
本期话题,主要讨论刀具涂层技术的最新进展情况和发展前景。
涂层刀具的应用现状及发展趋势涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。
通过涂层提高了切削刀具抗各种磨损的能力,延长了刀具的寿命,提高了被加工零件的表面精度,也提高了切削速度和进给速度,从而提高了金属切削效率。
今天,在切削刀具主流材料的硬质合金中,涂层硬质合金刀具占了80%,而其中CVD(化学涂层)又占了60%~65%,其余为PVD(物理涂层)。
在CVD涂层方面,包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各种化合物的多层复合涂层对改善涂层的综合性能,如结合强度、韧性、耐磨性和抗磨性及耐腐蚀性具有良好的效果。
现在典型的VCDTiN(外层) + Al2O3(中层)+TiCN(内层)多层式结构正在从涂层工艺上和涂膜的厚度上得到进一步改善。
MTCVD (中温化学涂层)因有较低的工艺温度和较快的沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性η相最小化,同时减少了在高温CVD涂层中常见的由高温导致的拉伸裂纹,因此,MTCVD TiCN涂层已成为CVD多层涂层中的一个主要构成,这种MTVCD已用于α- Al2O3涂层,如ISCAR的α-IC9150、α-IC9250、α-IC9350和α-IC4100等,提升了涂层与基体的结合强度和抗后面磨损、前面磨损和抗粘附的能力。
在PVD涂层方面,也从单一的TiN或TiCN或TiAlN涂层发展到现在的复合涂层即硬涂层+软涂层。
为适应更高切削速度和干式切削的要求,涂层刀具的红硬性成为近几年PVD技术的开发热点。
TiAlN的改进涂层AlTiN提高了薄膜中Al的含量(Al含量大于50%),提升了涂层的红硬性、化学稳定性和抗氧化的性能,如ISCAR的Al-IC910(加工铸铁和钢)、Al-IC900、Al-IC930(加工钢、不锈钢、硬钢、铸铁、高温合金等)。
涂层刀具地切削性能及地的应用现状
涂层刀具的出现是刀具发展史上的重大突破，它具有良好的切削性能，而且涂层材料作为化学屏障和热屏障，减小了月牙洼磨损，耐磨性良好。
与未涂层刀具相比，涂层刀具加工精度提高0．5～1级，刀具消耗费用降低20％～50％，耐磨性提高2～10倍，切削速度提高25％～70％，使用寿命延长3～5倍。
多年来，困内外涂层刀具的研究主要集中在TiN涂层上，并取得了一定的成效，目前TiC、TiN等单涂层刀具已经大量产业化。
为了进一步提高涂层刀具的使用性能，以（Ti，Al）N 涂层为代表的多元复合涂层刀具近10年得到了广泛的应用。
目前，多元多层复合涂层刀具的发展在国内尚属于起步阶段，以期获得更完善的综合性能。
1 单涂层刀具的切削性能1．1 TiC系涂层刀具TiC涂层刀具的优越性表现在高的切削速度和优良的抗机械磨损、磨料磨损性能上。
用涂层刀具车削中碳钢时，其后刀面及前刀面磨损速度分别只有未涂层刀具的l／10及1／l00，具有良好的抗月牙洼磨损能力；在耐磨性相同时，其切削钢的速度可提高50％～l00％，有时可高达2～3倍；铣削45#钢时，其刀具耐磨性比硬质合金铣刀高3倍，切削效率可提高50％。
TiC涂层刀具具有较小的切削力和较低的切削温度，应用温度为300℃左右。
但是，TiC涂层脆性大，不耐冲击。
在沉积TiC涂层时，基体与涂层之间生成脆性的中间层η相（Co3 W3C）。
这是由于C的不足，WC置换生成W2C，它与WC的粘合剂Co结合生成η相。
η相过厚会造成TiC涂层的破碎。
实验证明，η相控制在1～2μm时刀具耐磨性高，涂层不会产生宏观裂纹或脱落现象。
TiC涂层刀具适合在中速或高速条件下使用。
这是由于在高速高温下，TiC涂层刀具具有良好的抗扩散和抗氧化性能；而在低速低温下，刀具磨损以粘结磨损和磨料磨损为主，涂层刀具表面脆性较大，抗拉强度低，而且还常常存在残余应力，容易产生剥落和崩刃现象，刀具耐磨性甚至还低于未涂层的刀具。
1．2 TiN系涂层刀具TiN涂层月具是第一种产、业化、并在刀具行业得到广泛应用的硬质涂层刀具。
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收稿日期:1999年7月刀具涂层技术的现状与展望成都工具研究所(610056) 陈维喜摘 要:综述了国内外切削刀具涂层技术的现状,展望了涂层技术的发展前景,分析了C VD和PVD工艺各自具备的优点和不足。
指出,开发新的涂层材料和C VD、PVD两种工艺相互补充,可获得较理想的涂层效果。
关键词:刀具涂层技术,C VD,PVD,结合强度,综合性能Developing Status and Vie ws for Cutting Tool Coating T echnologyChen WeixiAbstract:The developing status of cutting tool coating technology in home and abroad is summarized.And the features of C VD and PVD coating technology are analyzed.I t is pointed out that the g ood coating result can be obtained by developing new coating materials and combining C VD and PVD technology.K eyw ords:cutting tool coating technology,C VD,PVD,adhesion strength,synthetic property 自六十年代末第一代T iC化学技术气相沉积(C VD)涂层硬质合金刀片问世以来,涂层技术对硬质合金刀具的发展起到了巨大的促进作用。
八十年代初,T iN物理气相沉积(PVD)涂层高速钢刀具的出现,被誉为高速钢刀具性能的革命性变革。
几十年来,涂层技术已经在切削刀具提高性能的工艺中得到极为广泛的应用。
本文拟从以下三个方面介绍涂层技术的进步并展望2000年以后的发展动向:(1)刀具涂层技术的应用;(2)涂层技术的新发展;(3) C VD与PVD两种技术在刀具涂层中的相互补充。
1 刀具涂层技术的应用目前,机械加工企业大都已经或正在认识到刀具采用涂层技术是提高切削效率、降低加工成本的有效途径。
随着涂层技术装备的改进,涂层费用已比初期下降1/2～2/3,因此,涂层技术的应用将使刀具品种不断增多,涂层刀具在刀具总量中所占的比例也将不断扩大。
从涂层刀具(涂层硬质合金和涂层高速钢刀具)在全部使用刀具中所占比例来看,工厂规模不同,该项比例的大小也不同。
国外规模较大、管理较好的工厂,每月所耗刀具涂层费用大于5万美元,涂层刀具占其全部使用(或销售)刀具的85%;规模较小的工厂每月所耗刀具涂层费用则在5万美元以下,涂层刀具占其全部刀具的55%。
目前,我国只有几个大型硬质合金厂有C VD涂层设备,而且涂层刀片所占比例不大。
在PVD涂层高速钢刀具方面,国内主要用于套装麻花钻及齿轮刀具的涂层处理,估计涂层套装麻花钻已占全磨制麻花钻总量的50%左右。
以江苏丹阳飞达、天工两个大型工具集团为例,每年麻花钻涂层费用均超过500万元人民币,约有20台PVD设备供麻花钻涂层使用。
国内主要齿轮刀具厂均拥有PVD设备,为本厂产品涂层服务,加上齿轮制造厂自身在邻近涂层厂涂层的刀具,齿轮刀具中涂层刀具的比例已大于60%。
近年来,齿轮刀具刃磨后进行重涂以提高切削效率的概念已逐渐被齿轮加工业认可,因此,今后齿轮刀具的涂层量必将进一步增加。
随着涂层技术的推广应用,在工业集中地区建立涂层中心(或涂层工厂)的工作已得到很大发展,在工业发达国家已有上百个涂层中心在运转,每个涂层中心均拥有数台PVD及C VD设备。
如Balzers、Multi2Arc这两家著名的刀具涂层设备制造公司(生产PVD设备)在世界各地建立了很多涂层中心,两家公司在涂层中心的收入比他们销售涂层设备的收入更丰厚。
目前,国内虽已有不少涂层工厂,如仅江苏丹阳地区就有6家涂层工厂,但技术水平和规模均达不到涂层高品质刀具的要求。
因此,当务之急是在国内建立具有开发能力和高技术水平的涂层中心,其涂层业务也应从刀具扩展至模具、机械零件及高档饰品。
2 涂层技术的新发展纵观C VD、PVD技术的发展过程,可以发现几个共性规律。
当第一代C VD T iC涂层硬质合金刀片及PVD T iN涂层刀具进入市场后,首先要解决的问题是设计制造出稳定可靠的批量涂层刀具的技术装备,并逐步加以完善,以满足市场需求;其次是开发新一代涂层成分,进一步提高涂层刀具的切削效率;第三阶段是研制多层涂层及控制技术,使刀具表层具有多种涂层材料的综合物理机械性能,从而满足加工不同金属的需求。
人们开始研究新的涂层时,均把目光投向过渡族元素碳、氮化物,因为它们均具有较高的硬度,表1所列为耐磨化合物的部分物理机械性能。
采用C VD、PVD技术制备这些涂层并不困难,关键是涂层质量能否发挥出其自身应有的性能及在切削过程中所起的抗磨损作用。
表1 几种材料的物理机械性能材料熔点(℃)密度(g/cm3)硬度(Hv)弹性模量(kN/mm2)线胀系数(10-6/K)抗高温氧化性能T iC306741932800470810一般T iN295051402100590914一般T iB2322541503000560718一般Z rN298271321600510712较好CrN165061121100400一般Al2O3204731982100400814很好硬质合金1400～1800415～6差高速钢150071890012很差 刀具磨损机理研究表明,在高速切削时,刃尖温度最高可达900℃,此时刀具的磨损不仅是机械摩擦磨损(刀具后面磨损的主要形式),还有粘结磨损、扩散磨损及氧化磨损(刀具刃口磨损及月牙洼磨损的主要形式),因此,可将切削过程视为一个微区的物理化学变化过程。
碳化钛是一种高硬度耐磨化合物,有着良好的抗摩擦磨损性能;氮化钛的硬度稍低,但却有较高的化学稳定性,并可大大减少刀具与被加工工件之间的摩擦系数。
从涂层工艺性考虑,两者均为理想的涂层材料,但无论碳化钛或氮化钛,单一的涂层均很难满足高速切削对刀具涂层的综合要求。
碳氮化钛(T iC N)是在单一的T iC晶格中,氮原子(N)占据原来碳原子(C)在点阵中的位置而形成的复合化合物,T iC x N y中碳氮原子的比例有两种比较理想的模式,即T iC015N015和T iC013N017。
由于T iC N 具有T iC和T iN的综合性能,其硬度(特别是高温硬度)高于T iC和T iN,因此是一种较理想的刀具涂层材料。
在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上,没有任何材料能与氧化铝(Al2O3)相比。
但由于氧化铝与基体材料的物理、化学性能相差太大,单一的氧化铝涂层无法制成理想的涂层刀具。
多层涂层及相关技术的出现,使涂层既可提高与基体材料的结合强度,同时又能具有多种材料的综合性能。
到目前为止,硬质合金刀片的C VD涂层大致可分为四大系列:T iC/T iN、T iC/T iC N/T iN、T iC/Al2O3和T iC/Al2O3/T iN。
前两类适用于普通半精及精切加工,后两类适用于高速及重负荷切削。
涂层成分能否在涂层刀具上发挥其应有性能,在很大程度上取决于涂层工艺的技术水平,因为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是决定涂层刀具性能的重要因素,而这些因素都与涂层工艺直接相关。
各厂家所制备的相同涂层系列的刀具,除了刀片材料、几何参数外,在切削性能上的差异主要是由于所采用的涂层工艺及控制技术不同而造成的。
因此,在改进C VD工艺及控制技术方面,还有不少问题尚待解决。
上述选择涂层材料的原则同样适用于PVD涂层,由于Al2O3(α相)涂层的PVD技术还未完全突破,因此含有Al2O3的涂层系列尚无法用PVD工艺进行大批量涂层,而另外两种复合涂层系列近年来已在PVD涂层中得到应用。
从技术上讲,制备由上百层(每层厚度为50～1000nm)组成的多层涂层,在PVD工艺中容易实现。
单层厚度为20～50nm时,这种涂层的耐磨性最佳。
目前,T iN/T iC N、T iC/T iC N/ T iN、T iN/Z rN等多层涂层通过PVD工艺已在硬质合金刀具和部分高速钢刀具涂层中加以应用,使用寿命比单一的T iN PVD涂层提高一倍以上。
其中,Z rN 涂层刀具特别适合加工不锈钢等材料。
T iAlN是唯一含有铝的PVD涂层,在切削过程中铝氧化而形成Al2O3,从而起到抗氧化和抗扩散磨损作用,但其抗氧化性能比单一的Al2O3涂层稍差,因为T iAlN中形成的Al2O3在切削过程中边生成边磨掉。
但在高速切削时,其效果优于不含铝的T iC N 涂层。
图1、2所示为C VD及PVD涂层刀具中各种涂层成分所占的大致比例。
T iAlN/Al2O3多层PVD涂层已在实验室中研究成功,目前已可制备有400层(总厚度5μm)的多层涂层硬质合金刀具,这种刀具的涂层硬度达4000Hv,其切削性能优于T iC/Al2O3/T iN涂层刀具。
可以预期,进一步研究PVD工艺技术,扩大多种多 图1 CV D涂层中各种成分所占比例 图2 PV D涂层中各种成分所占比例层涂层在不同刀具上的应用,必将取得更大的技术经济效益。
其它硬质材料如T iB2、H f N、T iNB等均可作为涂层物质,但由于其物理机械性能与前述涂层系列相比无明显优势,因此在实际生产中应用很少。
此外,CrN PVD涂层由于其韧性和耐磨性比较突出,特别适合用于各类模具的涂层处理。
金刚石涂层是近几年研究成功的新型刀具涂层材料,这种涂层刀具特别适用于加工非黑色金属及纤维材料。
金刚石涂层的硬质合金刀片及整体硬质合金多刃刀具在加工印刷线路板和硅铝合金等方面已取得很大成功,工具寿命比未涂层硬质合金刀具提高数十倍。
制备金刚石涂层的技术有C VD、PVD 及PC VD多种,无论何种技术,只要能在刀具各几何面上均匀涂镀金刚石薄膜,有足够的结合强度,工艺控制稳定性能满足批量生产要求,就可在金刚石涂层刀具的工业化应用中取得良好的效益。
那种把C VD制备的金刚石厚膜片焊接在硬质合金刀片刃部的方法,取代不了金刚石涂层技术在刀具中应用的地位。
目前,金刚石涂层硬质合金立铣刀已有Φ2～12mm共94种规格,金刚石涂层硬质合金麻花钻已有100余种尺寸,金刚石涂层可转位刀片已有180余种规格,此外还有各种涂层的成型刀具。
总之,今后金刚石涂层硬质合金刀具的品种规格及应用范围均将进一步扩大。
3 CV D、PV D技术在刀具涂层中的相互补充 自八十年代初T iN PVD涂层高速钢刀具投入工业应用以来,人们一直在探索能否用PVD代替C VD 工艺对硬质合金刀片进行涂层。