刀具涂层制备方法及应用
刀具涂层制备方法及应用
摘要：随着科学技术的发展，难加工材料的使用越来越多，为了适应这一要求，现代机械加工工业正朝着高精度、高速切削、干式切削技术、绿色制造以及降低成本等方向发展，也因为如此，人们对制造用刀具提出了更高的要求。涂层刀具有高硬度和优良的耐磨性，延长了刀具的寿命。当前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，刀具涂层的种类也日益丰富。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。目前刀具涂层的制备也存在许多不足之处，主要体现在相关技术的研究不够深入方面。本文就刀具涂层的制备方法、刀具涂层制备问题以及刀具涂层的应用等方面进行了一些论述。
关键词：刀具涂层CVD PVD绿色制造清洁化生产
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。尽管目前常用的刀具如高速钢刀具（硬度66-70HRC）和硬质合金刀具（硬度89-93.5HR C）的硬度都很高，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。
在高速钢刀具基体和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TiC，TiAIN，Al203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，刀具涂层技术是解决刀具材料中硬度、耐磨性与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。刀具涂层是一种耐磨涂层，其特性要求是：耐磨性好、硬度高、化学稳定性好、摩擦系数低、导热性及稳定性好。
刀具涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来（因为难熔金属化合物有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数），使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层（软涂层）还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。通常软涂层和硬涂层作复合涂层，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。
在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。
2、刀具涂层常用制备方法
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（chemical vapor deposition CVD）和物理气相沉积（physical vapor deposition PVD）
2.1化学气相沉积（CVD）
CVD即化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)法是利用金属卤化物的蒸气、氢气和其它化学成分，在950～1050℃高温下，进行分解、热合等气固反应，或利用化学传输作用，在加热基体表面形成固态沉积层的一种方法。
图1 CVD涂层技术
采用CVD表面涂层技术，可在各种硬质合金、各种工具钢、模具钢、合金钢零件表面牢固地涂复一层碳化物、氧化物、氮化物、硼化物、硼化物等超硬材料，从而可使刀具、模具、机械零件获得高韧性、耐磨损、抗腐蚀等优良的复合机械性能，提高使用寿命2~6倍，有的甚至可达十几倍，同时，可提高生产效率50%以上。
利用化学气相沉积法制备耐磨涂层在金属切削用刀具行业中应用非常广泛，如在刀具基体上沉积TiN，TiC，Ti(CN)，TiSiN，TiSiCN，TaC，ZrN，HfN，Al2O3，TiB2等，与其他薄膜沉积技术相比，CVD法具有设备简单、适合涂镀各种复杂形状的部件、涂层与基体结合强度高等优点。
与物理气相沉积（PVD）法相比，从工艺上讲它最突出的缺点是沉积温度太高，给刀具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，因为沉积温度超过了高速钢的相变温度（约560℃）。为解决CVD工艺温度高的问题，低温化学气相沉积（PCVD），中温化学气相沉积（MT-CVD）技术相继开发并投入实用。目前，CVD（包括MT-CVD）技术主要用于硬质合金可转位刀
片的表面涂层，涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。
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CVD涂层技术相比PVD涂层技术有以下几个优点：
（1）PVD技术的沉积温度低,可以在200～600℃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；
（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CVD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；
（5）对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向等。
图2 PVD涂层技术
由于PVD涂层技术所具有的这些优异特性，自二十世纪七十年代末出现以来在世界范围得到了迅速推广和广泛应用，PVD涂层工艺也从单一涂层技术发展为多种PVD涂层工艺的组合使用的复合PVD涂层技术。
2.2.1单一PVD涂层技术
目前常用的单一PVD涂层技术根据施加于蒸发离子上的能量不同可分为蒸发镀(EP，Evaporating Deposition)、离子镀(IP，Ion Plating)和溅射镀(SP，Sputtering Plating)三大类。
（1)蒸发镀EP是在10-5～10-6 Torr真空条件下，采用电阻、电子束等加热材料使之蒸发成为气相的原子或分子沉积到工件的表面，生成一个新的沉积层。该技术设备简单，生产成本较低，涂层精细、光滑、不含颗粒、杂质等，适合大规模生产。蒸发镀膜的不足之处是沉积的表面涂层与基体材料的结合力比较差，而且对一些难熔金属的气相沉积也有一定的难度。在沉积过程中通常只使用一种材料的靶材，绕射性很差，较难满足超硬材料镀膜的需要。
目前常用于刀具涂层的方法有：低压电子束蒸发法、阴极电弧沉积法、三极管高压电子束蒸发法等。
图3 蒸发镀膜原理
(2)溅射镀SP是在真空室中利用荷能离子轰击靶材表面，通过粒子的动量传递轰击出靶材中的原子及其它粒子，并使其沉积在基体上形成镀膜的技术。SP能实现大面积快速沉积，凡是能够制成靶的金属化合物、介质均可做镀膜材料，镀膜密度好，附着性好，具有代表性的方法有阴极（二极）溅射镀膜、三极溅射镀膜、四极溅射镀膜、射频溅射镀膜、磁控溅射镀膜、反应溅射镀膜等。其中，磁控溅射镀膜又称高速低温溅射，沉积速率高，工作气压低，镀膜质量高，工艺稳定，便于大规模生产，其发展引起了镀膜工艺的深刻变化，特别是近几年来在切削刀具上的涂层应用取得了巨大的发展。目前SP技术的发展趋势是不断扩大离子溅射涂层工艺的应用范围，因为离子溅射具有灵活性及低沉积温度兼容性的优势，而非平衡磁控溅射(UMS，Unbalanced Magnetron Sputtering)涂层工艺则是SP领域极具潜力的方法。
图4溅射镀膜原理
(3)离子镀IP是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质部分离化，在气体离子或被蒸发物质离子轰击作用的同时，把蒸发物质或其反应物沉积在衬底上。离子镀是一种应用较多的超硬材料镀膜技术，它是在真空镀膜的基础上再加上等离子体激活，即在工件上
加上1千伏～5千伏的负电压，通入工作气体（常用氩气），真空室内的压强由10-3～10-6 Torr 上升到2×10-1～5×10-2 Torr。在电场作用下，工作气体被电离，产生辉光放电，在工件周围形成一个等离子体区，气相沉积的粒子经过等离子区时，也会被电离成离子，在负电压的作用下加速飞向工件表面，形成表面涂层。IP的镀层绕射性较好，工件处于电场中，使得镀膜材料的离子能够达到工件的所有表面，镀膜粘结性好，组织致密。常用的IP技术有直流二极IP、直流三极I P、空心阴极IP，活化反应IP、电弧IP等。目前在切削刀具超硬材料镀膜中应用较为成功的技术是多弧IP，具有代表性的制造厂家，如美国的Multi-Arc Inc。
图5离子镀原理
2.2.2 复合PVD涂层技术
由于单一PVD涂层技术其固有的特点和局限性，往往很难满足机械加工对切削刀具苛刻的要求，因而出现了将不同PVD涂层技术或表面处理技术以适当的顺序和方法加以组合，形成新的复合涂层技术，使得在同一刀具的涂层体系中，内层涂层提供与基体特殊的附着力和较高耐磨性，外层从而获得任何单一技术不能达到的具有良好综合物理机械性能的刀具表面。以下是几种可用于高速钢刀具的先进的复合PVD涂层技术。
（1）离子束辅助沉积(IBAD，Ion Beam Assisted Deposition)技术是兼有气相沉积与离子注入优点的一种新型PVD技术。
在离子镀镀膜技术和离子溅射镀膜技术等等单一PVD涂层技术中，涂层沉积涂层元素以离子形式在电场作用下以更大的速度向工件表面沉积，而且在离子镀镀膜技术和离子溅射镀膜技术在沉积之前，可以先用工作气体离子轰击（在电场作用下）工件表面，以清除表面的有害化合物和表面缺陷。这些都有利于改善表面涂层和工件表面的结合性能。
用上面的各种方法制备的表面涂层，即使加了离子束的激发和加速，但是终因能量还不够高，表面涂层和基体材料之间还是有明显的界限，基本上没有过渡层，其结合力虽然通过一些方法得到了改善，但终究还是有限的，涂层的剥落仍是一个主要的缺点。为了继续改善表面涂层的结合力问题，人们将离子注入引入表面涂层的过程，离子束辅助沉积就是在气相沉积中引入离子注入的一种新型PVD涂层技术。
离子束辅助沉积ABS的特点是在离子束溅射沉积的基础上，又加进一个能量更高的离子束，成为双离子束沉积技术：一个能量为几个千电子伏的离子束用于溅射沉积，另一个能量为10千电子伏～100千电子伏的离子束用于离子注入。既可以表面涂层沉积和离子注入同时进行，也可以先进行表面涂层沉积再进行离子注入。
用于离子注入的离子束具有高得多的能量，其射程可以穿过表面涂层，引起涂层原子和基体材料原子之间的相互渗透和相互混合，这就是所谓的离子束混合过程。这样就在界面区形成了一个过渡层，大大增强了表面涂层与基体材料之间的结合力。有人把这个过程比喻为“离子束缝合”，离子束好像针线一样，把表面涂层和基体材料牢牢地“缝合”在一起。
（2）弧溅射(ABS，Are Band Sputtering)技术是将电弧离子镀AIP与溅射镀SP相结合的复合PVD涂层技术。用ABS技术制备的TiAIN多层复合涂层具有与基体结合强度高、组织致密、表面光滑、尤其适于沉积高活性的元素(如1Va族元素)。提高了高速钢刀具的抗磨性、热稳定性及抗氧化性能等特性，更适于用较高的速度干式切削加工铸铁及不锈钢等材料；采用ABS技术在M2或BM2高速钢基体上制备的TiAlCrN、TiAlCrYN多元复合涂层和TiAlN／CrN多层复合涂层在干式条件下表现出更优异的抗磨损性能和具有更高的承载能力。
（3）闭合场磁控溅射离子镀(CFMSD，Closed Field Magnetron Sputter Ion Plating)和非平衡磁控溅射离子镀(UMSnD，Unbalance Magnetron Sputter Ion Plating)是Teer公司研制开发两种非常通用的复合PVD技术。特别适于多元、多层复合涂层的设计与沉积，可成功地进行CrTiAIN、NbxTiyN、NbZryN和MoxZryN等硬涂层及MoST和Graphit．Ic等固体润滑涂层的沉积。
3、涂层刀具的应用
3.1 刀具涂层的特性
(1)硬度
涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命就越长。氮碳化钛(TiCN)涂层比氮化钛(TiN)涂层具有更高的硬度。由于
增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33％，其硬度变化范围约为HV3000～4000。表面硬度高达HV9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用己较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD 金刚石涂层刀具的寿命提高了10～20倍。金刚石涂层的高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2～3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。
(2)耐磨性
耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。
(3)表面润滑性
高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。
（4）氧化温度
氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAIN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具传入工件或切屑。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAIN成为硬质合金刀具的首选涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种PVDTiAIN涂层。
(5)抗粘结性
涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避免工件材料沉积在刀具上。在加工非铁族金属(如铝、黄铜等)时，刀具上经常会产生积屑瘤，从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料开始粘附在刀具前刀面上，粘附就会不断扩大。例如，用成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加，以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起到很好的作用。
3.2 常用的刀具涂层
（1）氮化钛涂层(TiN，颜色：金黄色)
TiN是一种通用型PVD涂层，具有硬度高、韧性好、结合强度高、摩擦系数小和化学性能稳定等优点。该涂层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。
（2）碳化钛涂层（TiC，颜色：灰色）
TiC是一种高硬度耐磨化合物，硬度比TiN更高且具有较好的综合机械性能，因而应用更广。
（3）氧化铝涂层（Al2O3，颜色：黑色）
氧化铝涂层具有很高的硬度（尤其是在高温下），高温稳定性（·），化学稳定性和低热导率。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，单一的氧化铝镀层无法制成理想的镀层刀具。
（以上三种材料在涂层技术发展的最初阶段得到普遍适用，随着对刀具涂层材料的不断深入研究，开发出了许多新的硬质涂层新材料，如TiCN、TiAlN／AlTiN、CrN、类金刚石涂层（DLC）等。
（4）氮碳化钛涂层(TiCN)
TiCN是在单一的TiC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，TiCxNy中碳氮原子的比例有两种比较理想的模式，即TiC0.5N0.5和TiC0.3N0.7。由于TiCN具有TiC和TiN的综合性能，其硬度(特别是高温硬度)高于TiC和TiN，因此是一种较理想的刀具镀层材料。
（5）氮铝钛或氮钛铝涂层(TiAlN／AlTiN，颜色：深紫色)
TiAlN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TiAlN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TiCN镀层。
当Al含量超过50％时，为了区别于TiAIN，有人称其为AlTiN。A1TiN涂层可提供比TiAlN 涂层更高的表面硬度，因此它是高速加工领域又一个可行的涂层选择。A1TiN涂层的硬度随含铝量的增加而提高，铝含量可以超过65％；当铝含量提高后也会形成较软的AlN相，使其硬度降低，但是铝含量并不是影响硬度的唯一因素。
（6）氮化铬涂层(CrN)
CrN是一种无钛涂层，涂层良好的抗粘结性使其在容易产生积屑瘤的加工中成为首选涂层。适用于切削钛和钛合金、铜、铝和其他软材料，化学稳定性好，不产生粘屑。涂覆了这种几乎无形的涂层后，高速钢刀具或硬质合金刀具和成形工具的加工性能将会大大改善。
（5）类金刚石涂层(DLC)
类金刚石涂层(DLC)是一种在微观结构上含有金刚石成分的涂层，是新一代硬质涂层技术和应用的典型代表以及发展方向。类金刚石涂层可为非铁金属材料加工刀具提供最佳性能，
是加工石墨、金属基复合材料、高硅铝合金及许多其它高磨蚀材料的理想涂层（注意：纯金刚石涂层刀具不能用于加工钢件，因为加工钢件时会产生大量切削热，并导致发生化学反应，使涂层与刀具之间的粘附层遭到破坏）。
随着实践中对刀具涂层功能要求的不断提高，人们对涂层材料的研究不断深入，以及纳米技术的拓展应用，人们又将Cr、Zr、和Si等元素融进刀具涂层中，进一步改善了涂层刀具的硬度、韧性和使用寿命。
3.3 刀具涂层的成功应用
实现涂层的高性价比应用可能取决于许多因素，但对于每种特定的加工应用而言，通常只有一种或几种可行的涂层选择。涂层及其特性的选择是否正确可能就意味着加工性能明显提高与几乎没有改善之间的区别。切削深度、切削速度和冷却液都可能对刀具涂层的应用效果产生影响。
由于在一种工件材料的加工中存在着许多变量，因此确定选用何种涂层的最好方法之一就是通过试切。人们正在不断开发更多的新涂层，以进一步提高涂层的耐高温、耐摩擦和耐磨损性能。
4、刀具涂层制备存在问题
如前所述，刀具涂层的制备方法日趋成熟，研究出的刀具涂层种类也越来越多。所有的这些成果都为各种零件、模具的加工带来了巨大成效。目前刀具涂层制备存在的主要问题有：
(1) PVD工艺处理温度较低，因此涂层与刀具基体、涂层与涂层之间的界面结合强度较低，一方面使涂层厚度受到了限制，同时使涂层在切削负荷的作用下很快因开裂和剥落而失效；
(2) 涂层与刀具基体的性能差异较大，涂层内易形成较大的残余应力，导致刀具在切削(尤其是断续切削，如铣削等)负荷的作用下，易产生微裂纹；
(3) 对PVD刀具涂层技术，包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺和检测技术等的研究还不够深入，未能形成完整、可靠的技术资料，难以保证涂层设备长期稳定、正常的使用，导致涂层刀具性能不稳定；
(4) 对涂层刀具的切削机理和磨损机理等的研究还不够深入，难以针对不同工件材料的不同加工条件进行刀具涂层的特殊设计和制备；
(5) 对涂层刀具的切削性能和应用技术等的研究还不够深入，不能使涂层刀具的使用者方便地选择和合理地应用；
(6) 涂层刀具的价格较高，使其推广应用受到了一定限制。
5、展望
在金属切削加工中，人们常常使用切削液以起到冷却、润滑与排屑的作用，改善加工过程的摩擦磨损状态，从而提高工件的表面质量，延长刀具的使用寿命。然而，由于切削液的使用使得零件制造成本大大提高，切削液也成为了金属切削加工中造成环境污染的一个重要根源。为使金属切削加工尽可能地减少污染，人们提出了“绿色制造”与“清洁化生产"的概念。干切削是消除切削液污染，降低产品成本，实现清洁化生产的最有效的途径。干式切削技术已成为金属切削加工发展的趋势。
涂层刀具具有延长刀具寿命、改善加工性能、提高加工表面质量等优点，是未来刀具行业的发展趋势。在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。可以预期，涂层刀具在不久的将来会步入一个快速发展期，会出现越来越多的由我国自行加工的高性能涂层刀具，在不断地提高我国的切削加工技术水平，发展我国现代制造业方面，发挥越来越大的作用。
6、结语
机械制造在整个制造业中占有主导地位，尤其是面对中国逐渐成为世界的生产制造基地，机械工业中的绿色制造技术显得尤为重要。如何在实际生产中实现机械零件的绿色制造，是机械行业技术人员必须认真研究的课题。
为了早日将“绿色制造”与“清洁化生产"由概念转变为现实，我们不仅要进一步研发出更加优良的刀具涂层，以利于工件的干式切削，对刀具涂层的精益生产和清洁(绿色)生产，也必须成为研究刀具涂层的重要环节之一。为此，我们在研发高性能刀具涂层的同时，也需要兼顾对刀具涂层制备方法的改善，只有这样我们才能真正实现绿色制造与清洁化生产。
参考文献：
[1]叶志镇. 半导体薄膜技术与物理. 杭州：浙江大学出版社,2008,9.
[2]胡传炘,宋幼慧. 涂层技术原理与应用. 北京：化学工业出版社,2000.
[3]何宁,舒尔茨,阿贝勒. 高速加工理论与应用. 北京：科学出版社,2010.
[4]艾星,刘战强. 高速切削加工技术. 北京：国防工业出版社,2003.
[5]余东海. 多元纳米复合涂层铣刀制备及高速铣削淬硬刚性能评价. 博士学位论文：广东工业大学,2009.
[6]刘海浪,羊建高,黄如愿. 硬质合金涂层刀具研究进展[J].凿岩机械气动工具,2009.
[7]康勃,马瑞新,吴中亮,王目孔,林炜. 现代刀具涂层制备技术的研究现状[J].表面技
术,2008.
[8]康勃,马瑞新,吴中亮,王目孔,林炜. 现代刀具涂层制备技术的研究现状[J].表面技
术,2008.
[9]梁伟,王先. 现代刀具涂层技术及发展趋势[J]. 桂林航天工业高等专科学校学报,2008.
[10]沈中. 刀具涂层及其性能评价[D].上海交通大学,2007.
[11]杨丽娟. 刀具涂层材料与涂层刀具的应用[D].青岛大学,2009.
[12]李洪林,李波,胡恒宁,高见. 刀具涂层技术的最新发展状况[J]. 工具技术,2010.
刀具涂层技术的现状与发展 PVD CVD
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;CVD 1 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。PVD技术大大提高了高速钢刀具切削性能，该项技术与八十年代得到迅速推广。八十年代后期，一些发达国家PVD涂层高速钢刀具比例已占市场已超过了60%。 高速钢刀具成功应用PVD技术，引起了世界各国的青睐与重视，各国研究者在不断开发高的性能、高可靠性涂层装备的同时，也对其应用领域进行了更加深入的研究，以进行扩大，特别是在硬质合金刀具、陶瓷刀具方面的应用。与CVD涂层技术相比，PVD技术的处理温度低，刀具材料抗弯强度通常温度在600℃以下不会产生影响；薄膜的内部为压应力，因此，适合涂层硬质合金精密复杂类刀具，PVD技术对环境不会产生不利影响，更加符合绿色工业发展的方向。伴随着高速加工时代的到来，硬质合金刀具、陶瓷刀具使用的比例必然上升，高速钢刀具使用的比例必然下降。因此，一些发达国家在九十年代初便将重心转向硬质合金刀具PVD涂层技术的研究，九十年代中期，PVD涂层技术在硬质合金刀具上的应用已取得了突破性的进展，当时已普遍在铣刀、铣刀片、各种钻头、铰刀、丝锥、等的刀具上应用。 从大的方面来看，现在国际上的PVD涂层技术大致可分成真空蒸镀、溅射、离子镀，但从这三种主要的镀膜技术衍生出了各式各样的新技术。伴随着PVD技术的进一步发展，科学家们把离子束、等离子体引入到PVD涂层技术上，同时通入某些反应气体，由化学反应来制备金属镀层，因此，当前的PVD涂层技术已不是原先单纯的物理制备过程，PVD涂层技术和CVD涂层技术已经相互交融。单一的涂层材料显然无法满足综合刀具机械性能的要求，无法被市场接受，涂层材料正向着多元不断的发展。为实现不同的高性
刀具涂层制备方法及应用
刀具涂层制备方法及应用 摘要：随着科学技术的发展，难加工材料的使用越来越多，为了适应这一要求，现代机械加工工业正朝着高精度、高速切削、干式切削技术、绿色制造以及降低成本等方向发展，也因为如此，人们对制造用刀具提出了更高的要求。涂层刀具有高硬度和优良的耐磨性，延长了刀具的寿命。当前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，刀具涂层的种类也日益丰富。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。目前刀具涂层的制备也存在许多不足之处，主要体现在相关技术的研究不够深入方面。本文就刀具涂层的制备方法、刀具涂层制备问题以及刀具涂层的应用等方面进行了一些论述。 关键词：刀具涂层CVD PVD绿色制造清洁化生产 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。尽管目前常用的刀具如高速钢刀具（硬度66-70HRC）和硬质合金刀具（硬度89-93.5HR C）的硬度都很高，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。 在高速钢刀具基体和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TiC，TiAIN，Al203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，刀具涂层技术是解决刀具材料中硬度、耐磨性与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。刀具涂层是一种耐磨涂层，其特性要求是：耐磨性好、硬度高、化学稳定性好、摩擦系数低、导热性及稳定性好。 刀具涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来（因为难熔金属化合物有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数），使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层（软涂层）还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。通常软涂层和硬涂层作复合涂层，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。
刀具涂层技术的现状及其发展趋势
刀具涂层技术的现状及其发展 趋势 机电商情网添加时间：2007-2-6 15:57:24 添加到我的收藏 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、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等单层及多元多层复合涂层，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
工具采用了涂层处理，其中CVD涂层占到了99%；九十年代中期，CVD涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占到了80%以上。但CVD工艺也有其先天性的缺陷，一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度的下降；二是薄膜内部为拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生；三是CVD工艺所排放的废气、废液会造成工业污染，对环境影响较大，与目前所提倡的绿色工业相抵触，因此九十年代中期后高温CVD技术的发展受到了一定的制约。 八十年代末Krupp Widia开发的PCVD（低温化学气相沉积）技术达到了实用水平，其工艺处理温度已降至450℃～650℃，有效地抑制了η相的产生，可进行TiN、TiCN、TiC等涂层，用于螺纹刀具、铣刀、模具等，但到目前为止PCVD工艺在刀具涂层领域内的应用并不十分广泛。 真正引起CVD技术发生突变的是九十年代中期新
刀具涂层特点及应用
目前已有许多种刀具涂层可供选择，包括PVD涂层、CVD涂层以及交替涂覆PVD和CVD的复合涂层等，从刀具制造商或涂层供应商那里可以很容易地获得这些涂层。本文将介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的PVD、CVD涂层选择方案。在确定选用何种涂层对于切削加工最为有益时，涂层的每一种特性都起着十分重要的作用。 1.涂层的特性 (1)硬度 涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。氮碳化钛(TiCN)涂层比氮化钛(TiN)涂层具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000～4000(取决于制造商)。表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD 金刚石涂层刀具的寿命提高了10～20倍。金刚石涂层的高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2～3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。 (2)耐磨性 耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。 (3)表面润滑性 高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。 (4)氧化温度 氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具传入工件或切屑。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首选涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种PVD TiAlN 涂层。 (5)抗粘结性 涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避免工件材料沉积在刀具上。在加工非铁族金属(如铝、黄铜等)时，刀具上经常会产生积屑瘤(BUE)，从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料开始粘附在刀具上，粘附就会不断扩大。例如，用成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加，以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起
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）。 现代刀具涂层发展的一个重要特征就是复合化，为了提高其综合性能，涂层材料复合、涂层层复合以及CVD 与PVD复合，如ISCAR的DT7150（K05-K25）通过MTCVD Al2O3和PVD TiAlN复合涂层，提高了材质的综合性能，用于高速加工灰铸铁和球墨铸铁。而多样化是刀具涂层发展的另一个趋势，有各种氮化物、氧化物涂层材料，还有TiB、SN涂层、金刚石涂层、立方氮化硼涂层等等。多样化的深层次原因是专业化，即针对不同的需求采用不同的涂层，并能对涂层的组分、百分比、结构及厚度在更大范围内加以控制和改变，以适应不同的被加工材料和不同的切削条件，从而显著地提高刀具的切削性能。如CrAlN涂层，以Cr 元素替代Ti元素，具有3200HV硬度和1100℃的氧化温度，与TiAlN相比韧性更好，更适合断续切削和难加工材料的加工；以Si元素代替Al元素的涂层可获得用于硬切削的TiSiN，也可获得有润滑性的CrSiN，更适合用于铝、不锈钢等粘附性强的材料加工。此外，涂层材料的细微化是现代刀具涂层发展的另一个令人关注的趋势，纳米复合涂层正在越来越多的地方得到应用。在未来，刀具涂层将是一个系统的概念，即刀具涂层必须根据不断变化的现代切削应用条件来进行系统的组合，这是一种与传统观念中的“在刀具上涂覆一层薄膜”截然不同且复杂得多的系统工程方法，这需要我们进行系统思考。 刀具涂层进展概况 现代切削面临着不断发展的高速、高效、高精加工要求和愈来愈多的高强度、高韧性、难切削等高能级材
刀具涂层公司十强
刀具涂层公司十强 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 1.星弧涂层科技（苏州工业园区）有限公司 是一家提供气相沉积涂层服务和相关设备开发，生产和制造的高科技企业。其涂层产品包括类金刚石涂层（DLC）和其它金属陶瓷类（CrN，TiN等）全系列硬质涂层，主要服务于汽车零部件、医疗器械、工具模具以及一般机械零部件的市场和加工行业；公司的真空涂层设备和等离子体表面处理设备主要应用于机械加工、各种零件制造、LED芯片以及太阳能利用和转化行业。公司拥有和掌握相关技术的核心知识产权，具有独立的研发和大规模量产能力，尤其是DLC相关技术和产品得到国内外用户的广泛认可和采用。 2.日新高性能涂层（沈阳）有限公司 是日新电机株式会社在沈阳投资兴建的专门从事PVD真空离子镀膜的专业企业。日新涂层是处于全世界领先地位的专业涂层公司，在研制开发机械加工工具、模具和各种设备零部件的PVD 涂层技术方面处于全世界领先地位，从上世纪七十年代开始，日新公司已成为世界的高性能工具涂层行业的先驱者之一。 日新涂层采用独自研发的电弧蒸发源和精细涂层技术，使电弧式中产生的液滴现象明显减少，再加上电弧式具有的高接点，可向客户提供平滑性好的精细涂层。日新涂层产品表面及其平滑（摩擦系数0.3),极高的耐磨损性能，极高的抗氧化性能，极高的热硬性，极强的附着力。公司致力
于中国国内的切削刀具、工具、模具、零部件、电子等基础工业、装． 备制造业，提供优质的表面硬化处理服务与技术支持。 3.胜倍尔超强镀膜(苏州)有限公司 专业低温专利技术真空PVD镀膜服务，PVD涂层，TiN涂层，TiCN涂层，TiAlN涂层,CrN涂层,DLC涂层,TiAlCrN涂层。其中DLC涂层工艺温度为80~150度，其它涂层均小于300度胜倍尔超强镀膜公司为新加坡独资企业，公司的技术为自主国际专利（US11/041，789）的低温PVD涂层技术（磁控阴极弧及强化磁控溅射），涂层时工作温度 本公司所制造的PVD真空镀膜设备具有很强的通用性和柔性，单机可完成几乎所有想要的单层及复合涂层，如TiN,TiCN,TiAlN,TiC,CrN,CrCN,DLC涂层,等等各类单层及复合涂层和纳米涂层， 由其是本公司生产的类金刚石DLC各类涂层0.5~10um早已得到了大面积的运用，本公司以稳定的工艺，出众的质量在中国内地已批量生产了近3年，为各个行业的专门用途开发出了很多类不同用途的DLC涂层，如PCB铣刀钻针专用DLC涂层，无油缝纫机零部件专用DLC涂层，医用手术器具专用DLC涂层，粉末治金模具专用DLC涂层，扬声器振膜专用DLC涂层，汽车喷油系统专用DLC涂层等等，半导体模具专用DLC涂层,玻璃镀膜专用DLC类金刚石涂层,本公司的技术早已克服了目前国内很多研究机构及涂层厂商的DLC涂层无法工业化的瓶劲。 针对机械加工刀具进行低温PVD-超硬耐磨涂层和润滑涂层，可提高刀具寿命3~10倍，节约刀具材料1/2，节约生产成本30%以上，提高生产效率30-50%，大幅度提高机加工水平。提高模具寿半导体模具等各类模具，如冲压模具，粉末治金模具，针对模具行业， 命最少2倍以上，同时可解决模具拉毛等种种不利影响，节约成本35%以上。 针对机械零部件行业此低温技术更具有其它PVD真空镀膜技术所无法比拟的优点，可广泛运
数控刀具技术现状及发展
数控刀具技术现状及发展 【论文摘要】本文简介现代数控刀具科普性知识和近几年来在刀具材料、结构科技领域里的现状及发展趋势。指出拉削、滚压、搓挤刀具和复合（组合）孔加工数控刀具的创新成果往往会引起机加工观念上的巨大变革，再集成刀具材料及特种数控机床领域的创新科技成果，会产生巨大的社会效益和经济效益。 近年来，快速发展的数控机加工工艺技术促进了数控刀具结构基础科研和新产品的研发。世界各大厂商生产的数控机床用刀具种类、规格繁多，数量庞大，往往令人眼花缭乱，不得要领。现将有关数控刀具科普性知识和近几年来数控刀具材料、结构、应用等领域的新产品、科技现状及发展趋势就其精要，在此简要分述，以便了解掌握相关数控刀具新产品信息的要点。 一、数控刀具分类简要 二、数控刀具材料新产品科技近况与发展趋势 １、概述： 近年来，数控刀具材料基础科研和新产品的成果集中应用在高速（超高速）、硬质（含耐热、难加工）、干式、精细（超精）数控机加工技术领域。刀具材料新产品的研发在超硬材料（金刚石、表面改性涂层材料、TIC基类金属瓷、立方氮化硼、Al203、Si3n4基类瓷），W、CO类涂层和细颗粒（超细颗粒）硬质合金基体及含Ｇｏ类粉末冶金高速钢等领域进展速度较快。 ２、超硬材料领域： 金刚石（钎焊聚晶、单晶）各类刀具已迅速应用于高硬度、高强度、难加工有色金（合金）及有色金属-非金属复合材料零部件的高速、高效、干（湿）式机械切削加工行业中。其概况分述如下： 汽车、摩托车行业：聚晶、人造单晶金刚石面铣刀、镗刀、车刀、铰刀、复合（组合）孔加工等数控刀具等正大量应用于高强度、高硬度Si--Al合金零部件自动生产线上； 竹木地板、傢具行业：聚晶、CVD厚膜沉积金刚石（复合片）立铣刀、三面刃成形铣刀、面铣刀等类刀具正大量应用于高硬度复合竹木地板、傢具及门窗…等零部件自动生产线上； 航空、航天、汽车及电子信息技术行业：金刚石CVD薄膜涂层数控刀具（以整体WCO类硬质合金刀具为主）多应用于铣削、车削、钻削、铰削及锪削加工高强度铝合金（铸、锻）、纤维-金属层板、碳纤维热塑性复合材料、镁合金、石墨、瓷…等零部件，满足高速、高寿命、干式机加工技术要求。各厂商正不断地改进
刀具涂层的特点及用途
刀具涂层的特点及用途 发布日期：[2008-6-10] 共阅[845]次 目前已有许多种刀具涂层可供选择，包括PVD涂层、CVD涂层以及交替涂覆PVD和CVD的复合涂层等，从刀具制造商或涂层供应商那里可以很容易地获得这些涂层。本文将介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的PVD、CVD 涂层选择方案。在确定选用何种涂层对于切削加工最为有益时，涂层的每一种特性都起着十分重要的作用。 1.涂层的特性 （1）硬度 涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。氮碳化钛（TiCN）涂层比氮化钛（TiN）涂层具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000～4000（取决于制造商）。表面硬度高达Hv9000的CVD 金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD金刚石涂层刀具的寿命提高了10～20倍。金刚石涂层的高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2～3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。 （2）耐磨性 耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。 （3）表面润滑性 高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。 （4）氧化温度 氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证
世界顶尖刀具涂层技术介绍【详解】
世界顶尖刀具涂层技术介绍 内容来源网络，由深圳机械展收集整理！ 更多数控刀具技术展示，就在深圳机械展-刀具展区！ 切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。 1.刀具涂层的特点 （1）力学和切削性能好。涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。因此，涂层刀具的切削速度与未涂层的相比，切削速度可提高2~5倍，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。 （2）通用性强。涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。 2.涂层的分类 根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积（Chemical Vapour Deposition，简称CVD）涂层刀具、物理气相沉积（Physical Vapour Depositon，简称PVD）涂层刀具及混合工艺及组合技术。CVD涂层原理如图1a所示，PVD涂层原理如图1b所示。混合工艺是等离子辅助CVD技术与传统的PVD技术进行有效的结合。比如先沉积传统的CrN硬质涂层，再在最上面沉积一层用于减少摩擦的DLC涂层。组合技术是涂层前对工具或零部件的表面层进行氮化，可以提高涂层的功效。 CVD可以涂覆耐磨损性优异的TiCN、耐热性非常优异的Al2O3厚膜，因此在产生高温的高速、高效率切削加工中能显示出长寿命，CVD涂层如图2a所示。PVD一般用在与无涂层硬质合金、高速钢相同或较高速的切削速度条件下，以延长刀具寿命为目标。对基体制约少、损伤小，因此特别适合用于要求耐磨损性、耐崩刃性的刀具，也适用于要求锋利刃口的低进给加工与精加工或螺纹加工工具等，PVD涂层如图2b所示。 根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具以及在陶瓷和超硬材料（金刚石和立方氮化硼）上的涂层刀具等。涂层硬质合金刀具一般采用化学气相沉积法，沉积温度在1 000℃左右。涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法，沉积温度在500℃左右。 金刚石涂层采用CVD（化学蒸镀法）在硬质合金基体上合成。合成的涂层具备与天然金刚石相匹敌的硬度与导热系数，在非铁材料的加工中发挥着优异的性能。金刚石涂层刀具由于其良好的切削性能，在切削加工领域具有广阔的应用前景，是加工石墨、金属基复合材料、高硅铝合金及许多其他耐磨蚀材料的理想刀具，目前其主要应用领域是汽车和航空航天工业。金刚石涂层刀具的组织如图3所示。 根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，其主要优点是硬度高、耐磨性好，典型的是TiC和TiN涂层，各种涂层刀具如图4所示。“软”涂层刀具是采用固体润滑剂如MoS2、WS2等制备的刀具，“软”涂层追求的目标是低摩擦系数，也称为自润滑刀具，它与工件材料的摩擦系数很低，只有0.1左右，可减小粘、减轻摩擦、降低切削力和切削温度。 对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了较大的提高，应用领域不断扩大，涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力，将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。目前国外硬质合金可转位刀片的涂层比例在70%以上，欧洲齿轮刀具的涂层比例高达90%。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、复合孔加工工具、齿轮滚刀、剃齿刀、成形拉刀及各种机夹可转位刀片，满足高速切
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 henceforth Key Words：Coated cutting tool Cuttingp rocessing Application
刀具涂层及如何正确选择刀具涂层
TiN、TiC、TiCN和TiAlN等刀具涂层及如何选择刀具涂层 TiN 氮化钛 TiAlN 氮化铝钛氮铝钛涂层氮铝化钛 TiCN 氮碳化钛 TiAlCN 氰化铝钛 Ti2N 氮化二钛 CrN, 氮化铬 ZrN, 氮化锆 AlTiN 氮化钛铝氮钛铝涂层 金刚公司推出的各种新型涂层 涂层颜色硬度HV 厚度μm 摩擦系数最高使用温度℃说明ZrCN复合兰灰 2500 1-4 550 通用性强 TiN单层金黄 2300 1-4 500 高性价比涂层 TiAlN复合紫色 3200 1-4 800 通用性强 AlTiN复合黑 3400 1-4 900 高速、高硬度加工 TiAlCrN 亚黑 3500 1-4 1000 特殊加工领域 TiCN渐层灰黑 3000 1-4 400 高韧性通用涂层
CrN渐层银亮 2000 3-15 700 适用加工铜、钛、模具 DLC 黑彩 1000~4000 400 适用于有色金属、石墨、塑胶 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。 涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。 涂层方法 目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5μm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10μm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合
涂层刀具及其用法
涂层刀具及其用法 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂 层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比 未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削 加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。 涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用範围。 涂层方法 目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5μm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10μm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PCVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至600℃以下(目前涂覆温度已可降至180℃~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。
数控刀具技术现状及发展
数控刀具技术现状及发展 摘要∶ 本文简介现代数控刀具科普性知识和近几年来在刀具材料、结构科技领域里的现状及发展趋势。指出拉削、滚压、搓挤刀具和复合（组合）孔加工数控刀具的创新成果往往会引起机加工观念上的巨大变革，再集成刀具材料及特种数控机床领域的创新科技成果，会产生巨大的社会效益和经济效益。 近年来，快速发展的数控机加工工艺技术促进了数控刀具结构基础科研和新产品的研发。世界各大厂商生产的数控机床用刀具种类、规格繁多，数量庞大，往往令人眼花缭乱，不得要领。现将有关数控刀具科普性知识和近几年来数控刀具材料、结构、应用等领域的新产品、科技现状及发展趋势就其精要，在此简要分述，以便了解掌握相关数控刀具新产品信息的要点。 一、数控刀具分类简要 错误！不能识别的开关参数。 二、数控刀具材料新产品科技近况与发展趋势 １、概述： 近年来，数控刀具材料基础科研和新产品的成果集中应用在高速（超高速）、硬质（含耐热、难加工）、干式、精细（超精）数控机加
工技术领域。刀具材料新产品的研发在超硬材料（金刚石、表面改性涂层材料、ＴｉＣ基类金属陶瓷、立方氮化硼、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４基类陶瓷），Ｗ、Cｏ类涂层和细颗粒（超细颗粒）硬质合金基体及含Ｇｏ类粉末冶金高速钢等领域进展速度较快。 ２、超硬材料领域： 错误！不能识别的开关参数。 金刚石（钎焊聚晶、单晶）各类刀具已迅速应用于高硬度、高强度、难加工有色金（合金）及有色金属-非金属复合材料零部件的高速、高效、干（湿）式机械切削加工行业中。其概况分述如下： 汽车、摩托车行业：聚晶、人造单晶金刚石面铣刀、镗刀、车刀、铰刀、复合（组合）孔加工等数控刀具等正大量应用于高强度、高硬度Si--Al合金零部件自动生产线上； 竹木地板、傢具行业：聚晶、ＣＶＤ厚膜沉积金刚石（复合片）立铣刀、三面刃成形铣刀、面铣刀等类刀具正大量应用于高硬度复合竹木地板、傢具及门窗…等零部件自动生产线上； 航空、航天、汽车及电子信息技术行业：金刚石ＣＶＤ薄膜涂层数控刀具（以整体ＷCｏ类硬质合金刀具为主）多应用于铣削、车削、钻削、铰削及锪削加工高强度铝合金（铸、锻）、纤维-金属层板、碳纤维热塑性复合材料、镁合金、石墨、陶瓷…等零部件，满足高
涂层刀具作用
先进涂层刀具的作用 涂层加工处理主要适合从事刀具(如铣刀，车刀，刀片，钻头等)、塑料模具、冲压、深拉成型、钟表外壳模具和精密配件等使用。服务范围包括STiN超等氮化钛、TiCN氮化碳钛、TiAlN氮化铝钛、TiAlCN 氮化铝碳钛、CrN氮化铬和DLC类金钢石涂层等技术。 涂层提高刀具的硬度和耐高温性，是高速加工工艺的发展基础，因此高速加工的发展将带动先进涂层的发展。高速加工改变以前加工方法，包括模具制造。譬如以前不容易加工的转角和复杂型面，现在可以采用高速加工铣削来完成。 先进涂层的作用 可作为工具、模具表面的保护，如在注胶工程塑料时，涂层增加了表面硬度，使模具更耐用； 降低摩擦系数，譬如用于加工电机铁芯片的精密冲压模具，涂敷涂层可延长模具寿命； 高速加工的刀具经过涂层，可提高耐热性； 提高刀具抗磨性； 提高干式钻削生产力。 硬涂层？ 硬涂层是通过不同方法在真空氛围中生成的陶瓷层。精密刀具中主要采用的方法有CVD（化学气相沉积）和PVD（物理气相沉积）；我们的硬涂层是用物理方法沉积(PVD)的。在这种方法中，在涂层和被涂
敷的对象即基质之间不发生化学反应。涂层是在一个真空度高达10-5毫巴带等离子支撑体的腔体内涂敷的。其中，粒子从等离子处加速并以很高的动能冲击基质。由于粒子和基质之间存在很高的电势差，因此粒子被吸引。结果是产生一层非常硬的“皮”，可控制厚度在1～7微米范围，一般我们做最多的是2.5微米。对于高速钢，通过这种涂层处理，表面硬度至少可以提高三倍。对于碳化钨（硬质合金）基质这种材料如今在金属切削中用得越来越多，硬度至少要翻番。 这些涂层的优缺点 优点 对于刀具而言，这种涂层可以使刀具耐磨性提高，因此它们的使用寿命或切削性能提高。摩擦系数下降，这意味着切屑可以更好地排出。此外，还具有隔离效应，因为硬涂层可以防止在刀具和被加工材料之间发生化学反应，例如硬金属的钴浸析等。可以大大提高切削参数，从而提高生产率和生产中所用设施的利用率。 缺点 这种涂层成本确实比较高。对具有混合制造-即既有带涂层的刀具，也有不带涂层的刀具-的工厂而言，他们需要采用不同的机床设置，这一点可以看成是一种缺点。机床操作员需要较高的灵活性。对于相对较高约达400℃的涂层温度，某些基质不适合采用这种涂敷处理。很自然，达到这种温度就发生结构变相的钢是不能用标准硬涂层方式进行处理的。它们可以通过一种特殊的低温过程进行涂层处理200℃。此外，基质必须能够导电。纯陶瓷是不合适的-尽管也存在对
刀具涂层公司十强
刀具涂层公司十强
————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期：
刀具涂层公司十强 内容来源网络,由“深圳机械展（1１万㎡，11０0多家展商，超10万观众）”收集整理！更多ｃnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示,就在深圳机械展. 1.星弧涂层科技（苏州工业园区）有限公司 是一家提供气相沉积涂层服务和相关设备开发，生产和制造的高科技企业。其涂层产品包括类金刚石涂层（DＬC）和其它金属陶瓷类（CrＮ，TiN等）全系列硬质涂层，主要服务于汽车零部件、医疗器械、工具模具以及一般机械零部件的市场和加工行业;公司的真空涂层设备和等离子体表面处理设备主要应用于机械加工、各种零件制造、LED芯片以及太阳能利用和转化行业。公司拥有和掌握相关技术的核心知识产权，具有独立的研发和大规模量产能力,尤其是DＬＣ相关技术和产品得到国内外用户的广泛认可和采用。 2.日新高性能涂层(沈阳）有限公司 是日新电机株式会社在沈阳投资兴建的专门从事ＰVD真空离子镀膜的专业企业。日新涂层是处于全世界领先地位的专业涂层公司,在研制开发机械加工工具、模具和各种设备零部件的PVD涂层技术方面处于全世界领先地位，从上世纪七十年代开始,日新公司已成为世界的高性能工具涂层行业的先驱者之一。 日新涂层采用独自研发的电弧蒸发源和精细涂层技术，使电弧式中产生的液滴现象明显减少，再加上电弧式具有的高接点,可向客户提供平滑性好的精细涂层。日新涂层产品表面及其平滑(摩擦系数0.3),极高的耐磨损性能,极高的抗氧化性能,极高的热硬性，极强的附着力。公司致力于中国国内的切削刀具、工具、模具、零部件、电子等基础工业、装备制
刀具涂层及种类
刀具涂层及种类 作者：xiaogou来源：转载更新：2010-01-15 14:51:51 刀具涂层及种类 自从20世纪60年代以来，经过近半个世纪的的发展，刀具表面涂层技术已经成为提升刀具性能的主要方法。刀具表面涂层，主要通过提高刀具表面硬度，热稳定性，降低摩擦系数等方法来提升切削速度，提高进给速度，从而提高切削效率，并大幅提升刀具寿命。 图一 PVD涂层刀具 一、涂层工艺 刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两大类。 1．CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。CVD可实现单成份单层及多成份多层复合涂层的沉积，涂层与基体结合强度较高，薄膜厚度较厚，可达7～9μm，具有很好的耐磨性。但CVD工艺温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；涂层内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹；同时，CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染。为解决CVD工艺温度高的问题，低温化学气相沉积（PCVD），中温化学气相沉积（MT-CVD）技术相继开发并投入实用。目前，CVD（包括MT-CVD）技术主要用于硬质合金可转位刀片的表面涂层，涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。 2．PVD技术主要应用于整体硬质合金刀具和高速钢刀具的表面处理。与CVD工艺相比，PVD 工艺温度低（最低可低至80℃），在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度基本无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响。PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金钻头、铣刀、铰刀、丝锥、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。
图二 PVD涂层原理 物理气相沉积（PVD）在工艺上主要有（1）真空阴极弧物理蒸发（2）真空磁控离子溅射两种方式。 （1）阴极弧物理蒸发（ARC）真空阴极弧物理蒸发过程包括将高电流，低电压的电弧激发于靶材之上，并产生持续的金属离子。被离化的金属离子以60～100eV平均能量蒸发出来形成高度激发的离子束，在含有惰性气体或反应气体的真空环境下沉积在被镀工件表面。真空阴极弧物理蒸发靶材的离化率在90%左右，所以与真空磁控离子溅射相比，沉积薄膜具有更高的硬度和更好的结合力。但由于金属离化过程非常激烈，会产生较多的有害杂质颗粒，涂层表面较为粗糙。 （2）磁控离子溅射（SPUTTERING）真空磁控离子溅射过程中，氩离子被被加速打在加有负电压的阴极（靶材）上。离子与阴极的碰撞使得靶材被溅射出带有平均能量4～6eV的金属离子。这些金属离子沉积在放于靶前方的被镀工件上，形成涂层薄膜。由于金属离子能量较低，涂层的结合力与硬度也相应较真空阴极弧物理蒸发方式差一些，但由于其表面质量优异被广泛应用于有表面功能性和装饰性的涂层领域中。
涂层技术的发展及应用
目录 摘要： (2) Abstract： (2) 1. 绪论 (3) 2. 涂层技术的发展及现状 (3) 2.1 CVD技术的发展 (3) 2.2 PVD技术的发展 (4) 2.3 我国涂层技术的发展及现状 (5) 3. 切削刀具涂层技术研究进展 (6) 3.1 多元涂层 (6) 3.2 多层涂层 (6) 3.3 纳米涂层 (7) 3.4 超硬材料涂层 (8) 4. 涂层刀具在金属切削加工中的应用 (8) 4.1. 初期试验阶段 (9) 4.2 试验总结分析 (11) 4.3 成本改善及创效分析 (12) 参考文献 (13)
刀具涂层技术在机械加工中的应用 赵剑 (中国第一拖拉机股份有限公司齿轮厂工装部) 摘要： 切削刀具表面涂层技术是应机械加工性能需求发展起来的材料表面改进性技术。涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命，降低刀具消耗，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高经济效益和机械加工效率。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，尤其是机械传动行业，世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。 关键词：涂层技术，切削刀具，PVD，机械性能，经济效益。 Abstract： Surface coating technology for cutting tool is an improving technology with the demand of maching property development. Coating technology can effectively improve the service life of tool , reduce the tool consumption and make the tool getting excellent comprehensive mechanical properties. Thus , it can improve economic returns and working effiency. In order to satisfy the requirements for high efficiency, high precision and high reliability, especially in the mechanical drive industry. Every country of manufacturing industy in the world should pay more attention to the development of coating technology and application in the tooling manufacturing Keywords: Coating Technology，Cutting Tool，PVD，Mechanical properties，Economic benefit。