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, 每层膜化学组分基本恒定。

( 5) 纳米多层涂层：这种结构的涂层与多层涂层类似, 只是各层薄膜的尺寸为纳米数量级, 又可称为超显微结构。

( 6) 纳米复合结构涂层：纳米复合结构涂层。

以( nc-Ti1- x AlxN) / (α-Si3N4) 纳米复合相结构薄膜为例, 在强等离子体作用下, 纳米TiAlN 晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4 体内 , 当TiAlN 晶体尺寸小于10nm 时, 位错增殖源难于启动, 而非晶态相又可阻止晶体位错的迁移,即使在较高的应力下, 位错也不能穿越非晶态晶界。

随着涂层技术的进步, 硬质合金刀具涂层种类也在不断地增加, 从单一的化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展。

通过多次实验, 将单涂层与复合涂层硬质合金的刀具寿命作了比较。

研究结果表明, 复合涂层刀具在提高切削性能方面效果是显著的。

由于复合涂层综合利用各种涂层成分的优点, 使其获得更好的综合性能, 保证了非常好的耐磨性和韧性, 并减少了摩擦力, 因而能减少积屑瘤的形成,并具有抗机械冲击和抗热冲击性能, 刀具寿命可提高2倍以上。

因此, 今后多层涂层刀片使用比例必将不断增加。

2 CVD涂层技术C VD 法是利用气态物质在固体表面发生化学反应, 生成固态沉积物的过程，即在硬质合金工具、模具基体上沉积TiC、TiCN 等涂层,反应进行的方向与各反应物的生成自由能及温度有关。

但该过程中由于基体和涂层之间各元素的扩散和化学反应,容易在基体材料表面形成一层脱碳层(η相层, W3Co3C 或W6Co6C) 。

虽然少量很薄的点状、短线状η相层(小于012μm) 对提高涂层和基体之间的结合强度和耐磨损性能有利,但由于脱碳层硬度高、脆性大,能大幅降低涂层制品的抗弯强度和韧性,从而影响涂层制品的使用性能。

特别是用于精加工的螺纹刀片,由于脱碳层的影响,往往更容易引起刀尖崩刃。

所以在CVD 技术沉积涂层的过程中,应尽量减少脱碳层的产生。

2.1试验方法（1）C VD 涂层工艺设计本试验所选用的硬质合金材料为成都工具研究所生产的CP2 型B8N2 - 3 刀片和标准试验条。

选用以下四种CVD 涂层方案。

GY1 HT(TiC + TiCN + TiC + TiCN) 为高温涂层,每层涂层时间为20min。

TiN 为900 ℃中温涂层,涂层时间为40min ;GY2 第一层中温TiN 涂层时间为20- 40min ,再升温按GY1 涂覆涂层;GY3 第一层MT -TiCN 为中温涂层,时间为30min ,高温涂层HT - (TiC+ TiCN + TiN) 每层涂层时间为40min ;GY4 所有涂层均为低于900 ℃的中温涂层, TiCN 涂层时间为40min ,TiN 涂层时间为50min。

表2 CVD 涂层工艺设定(2)性能检测采用划痕试验机检测涂层的结合强度;用DX-1000 型X射线衍射仪分别对涂层后的试样进行X衍射分析;采用日本奥林巴斯Gx71 光学显微镜观察涂层后的金相组织;每种涂层工艺放5 根试样条进行涂层,然后进行抗弯强度测定。

(3)结果分析与讨论2.2 各CVD 涂层硬质合金刀片划痕实验结果与分析划痕实验是在WS - 2000 涂层附着力自动划痕仪上进行。

该设备主要采用声发射监听记录装置记录涂层破裂时的临界载荷LC ,并以此判断涂层的结合力大小。

本检测采用连续加载方式,加载速度为100N/ m ,终止载荷为100N ,划痕长度为5mm。

不同涂层工艺的临界载荷LC 见表3:表3 不同涂层工艺的平均临界载荷从表3可知,四种工艺涂层的结合强度都很高,都在8kg 左右,远远高于行业推荐的4kg在显微镜下观察划痕形貌都很好。

CVD 涂层后的XRD 结果与分析用DX- 1000 型X射线衍射仪分别对涂层后的试样进行X衍射分析。

X 射线测试采用Cu 靶辐射线进行连续扫描方式,扫描角度2θ范围为28°- 69°,采样时间1s , 波长值1154184A。

,管电压40kV ,管电流25mA。

各涂层工艺试样的η相三强峰峰强比见表4。

由表4 可知,GY1η相峰强比最高,GY2、GY3η相峰强比有所降低,而GY4η相峰强比几乎为0。

由于X射线衍射分析不但能定性的分析物相的存在,各相峰强比也能部分定量的反映物相的多少。

尽管CVD 涂层具有很好的耐磨性,但CVD 工艺亦有其先天缺陷:一是工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部呈拉应力状态,易导致刀具使用时产生微裂纹；三是CVD 工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染,与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触,因此自九十年代中期以来,高温CVD 技术的发展和应用受到一定制约。