硬质合金刀具涂层

硬质合金刀具的涂层技术

[ 摘要]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。主

要介绍涂层硬质合金刀具涂层材料的特点、要求，涂层制备技术，分

析化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（PVD)，单、复合涂层

制备方法及优缺点。

[关键字] 硬质合金涂层刀具;化学气相沉积法;物理气相沉积法;

现状及发展

引言

现代化的金属切削加工要求刀具具有高切削速度、高进给速度、

高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。因此, 高水平、稳

定的刀具涂层技术越来越受到机械加工企业的青睐。。涂层技术是提

高切削效率, 降低加工成本的有效途径。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, 硬质薄膜表层又

具有高耐磨性和低摩擦因数, 从而使刀具的性能显著提高, 而且,

随着涂层技术设备的日趋集成化、模块化和智能化, 涂层费用已比初

期下降1/2~ 2/3, 涂层刀具在刀具总量中所占的比例将会越来越大。

表面涂层硬质合金在基体硬质合金上, 用（CVD）化学气相沉积,

或（PVD）物理气相沉积等方法, 涂覆耐磨的TiC、TiN、Al2O3等薄

层, 形成表面涂层硬质合金。涂层硬质合金刀片均为可转位形式, 刚

机夹方法装夹在刀杆或刀体上使用。具有以下优点: 1) 表面涂层材

料具有很高的硬度和耐磨性, 故与未涂层刀片相比, 涂层硬质合金

可采用较高的切削速度, 或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀

具耐用度。2)涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小, 故切削力有一定减小, 比未涂层刀片约降低 5%左右。润滑薄膜具有良好的固

相润滑性能, 可有效地改善加工质量, 也适合于干式切削加工。3)

用涂层刀片加工, 已加工表面质量较好。 4) 涂层技术作为刀具制造的最终工序, 对刀具精度几乎没有影响, 并可进行重复涂层工艺。5)由于综合性能好, 涂层刀片有较好的通用性。一种牌号的刀片经常有较宽的适用范围。涂层切削刀具所带来的益处: 可大幅度提高切削刀具寿命; 有效地提高切削加工效率; 明显提高被加工工件的表面质量; 有效地减少刀具材料的消耗,降低加工成本; 减少冷却液的使用, 降低成本, 利于环境保护。

1 涂层材料的发展现状与趋势

1.1 涂层材料的特点

涂层的特点是涂层薄膜与刀具基体相结合, 提高刀具的耐磨性

而不降低基体的韧性, 从而降低刀具与工件的摩擦因数, 延长刀具

的使用寿命。此外, 由于涂层自身的热传导系数比刀具基体和加工材料低得多, 可以有效减少摩擦所产生的热量, 形成热屏蔽, 改变热

量的散失途经, 从而降低刀具与工件、刀具与切屑之间的热冲击和力冲击, 有效地改善了刀具的使用性能。

刀具涂层所起的作用表现为: 1) 在刀具与被切削材料之间形成

隔离层； 2)通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击； 3)

有效减少摩擦力及摩擦热。刀具通过涂层处理, 实现固体润滑, 减少摩擦和粘结, 使刀具吸收热量减少, 从而可承受较高的切削温度。

刀具表面的硬质薄膜要求: 1) 硬度高, 耐磨性能好； 2)化学性能稳定, 不与工件材料发生化学反应； 3)耐热耐氧化, 摩擦因数低, 与基体附着牢固等。单一涂层材料很难全部达到上述技术要求。单一涂层向多元复合涂层的发展把不同的涂层材料所具有的优良特性结

合起来, 这些特性包括: 由中间层提供高的热稳定性, 由最上层提

供高硬度, 或者由软的或固态自润滑层的最上层提供低的摩擦因数。

1.2 国外刀具涂层技术的现状

刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD) 技术两大类。二十世纪六十年代以来,CVD 技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。

PVD 技术出现于二十世纪七十年代末,由于其工艺处理温度可控

制在500 ℃以下,因此可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。工业发达国家自九十年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD 涂层技

术的研究,至九十年代中期取得了突破性进展,PVD 涂层技术已普遍

应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。

经过几十年的研究和开发,各种刀具涂层工艺已广泛应用于硬质

合金和高速钢切削刀具。涂层工艺的主要发展阶段及应用领域见表1

表1 主要涂层工艺发展时段及应用领域

当前世界涂层技术的发展具有以下趋势:由于单一涂层材料难以满足提高刀具综合机械性能的要求,因此涂层成分将趋于多元化、复合化；为满足不同的切削加工要求,涂层成分将更为复杂、更具针对性；在复合涂层中,各单一成分涂层的厚度将越来越薄,并逐步趋于纳米化；涂层工艺温度将越来越低,刀具涂层工艺将向更合理的方向发展。

1.3 刀具涂层的分类

从PVD 技术的发展和应用角度, PVD涂层可按2 种方法进行分类。按成分对涂层区分通常可分为两大类, 即硬涂层和软涂层。硬涂层以TiN、T iCN、TiAlN 等为代表, 包括了单层薄膜和复合薄膜。软涂层薄膜的硬度相对较低, 通常为1000HV 左右。软涂层目前种类并不多, 以MoS2、碳基薄膜为主, 在切削加工领域内, 其目的是通过在硬涂层表面覆盖一层这种薄膜, 试图增加涂层表面的润滑性, 改善被加工

工件表面质量, 以满足某些应用领域的需要。

涂层的内部结构的变化已越来越多地影响着涂层刀具的应用效果。相同的涂层成分、不同的结构形式, 可以导致涂层刀具使用效果的截然不同。就目前PVD 技术的发展状况, 涂层薄膜结构大体可分类如下:

( 1) 单一层涂层：涂层由某一种化合物或固溶体薄膜构成, 理论上

讲在薄膜的纵向生长方向上涂层成分是恒定的,这种结构的涂层可称

之为普通涂层。

( 2) 复合涂层: 由多种不同功能( 特性) 薄膜组成的结构可以称之

为复合涂层结构膜, 其典型涂层为目前的硬涂层+ 软涂层, 每层薄

膜各具不同的特征, 从而使涂层更具良好的综合性能.

( 3) 梯度涂层: 涂层成分沿薄膜纵向生长方向逐步发生变化, 这种

变化可以是化合物各元素比例的变化, 如TiAlCN 中Ti、Al 含量的变化, 也可以由一种化合物逐渐过渡到另一种化合物。

( 4) 多层涂层：多层涂层由多种性能各异的薄膜叠加而成, 每层膜