刀具涂层材料的分类及研究进展

刀具涂层材料的分类及研究进展

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刀具涂层材料的分类及研究进展

摘要:采用涂层技术可有效提高切削刀具的使用寿命,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。我国的刀具涂层材料经过多年发展，目前正处于关键时期,充分了解国内外刀具涂层材料的现状及发展趋势,有计划、按步骤地发展刀具涂层材料，对提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

关键词:涂层刀具硬度膜

Ｐｒogreｓｓin thｅcoａting materials foｒtoolｓaｎdｔh

ｅiｒclassification

Abstract：Cｏａting ｔecｈｎolｏgy caｎbｅused to improve tｈe ｓeｒｖｉce ｌife of ｃuttinｇ tools effectivｅｌy aｎd enabｌe the cutting tools ｔo obtain ｅxcｅllent aｎd compｒeｈｅnｓiｖe mechａnical properties that will iｍprov ｅ machinｉｎg ｅfｆiｃiｅncy signｉficanｔly . Ａfｔer yearｓ of deｖelopｍeｎt current coating maｔerｉaｌｓ for ｃuttｉnｇ tools iｓ at a ｃruｃiａl period in China, full ｕndersｔandinｇ on pｒesent stａtuｓ and deｖelｏｐmeｎt ｔrend of tｏoｌcｏatｉng mateｒialｓ both ａｔ homｅａnｄ abroad , and a pla ｎnｅd stｅｐ-by-stｅｐ deｖelopmeｎt ｏｆ tｈｅｃoａting maｔeｒials for cu ｔting tools wiｌl be of far rｅａching ｉmportaｎcｅ fｏｒｉmｐrovemｅｎt of our lｅveｌ in cutting tｏoｌ maｎufacturing.

Ｋey Words:Coａｔing ，Cutting Tool ，Harｄness , Fｉｌｍ

数控技术的发展离不开高寿命的切削工具——刀具。自刀具涂层技术从问世以来，刀具的性能得到了很大的改善,对加工技术的进步起着非常重要的作用。涂层刀具已经成为现代刀具的标志，西方国家新型数控机床所用切削刀具中有８0％左右使用涂层刀具，而且随着21 世纪科技的发展，涂层刀具的比例将进一步增加。目前在制造业所用硬质合金刀具上采用较多的涂层有ＴiN、TiC、TｉCN、TiAｌN 以及新出现的AｌＣrN、TiＳiN 涂层等等,刀具寿命明显提高。另外涂层在钻头、铰刀、齿轮滚刀、丝锥上也都获得很好的应用效果。随着科技的发展,刀具涂层技术将不断提高,刀具涂层材料也日新月异。

１刀具涂层材料的种类

刀具涂层材料有多种分类方法,根据涂层材料的性质,刀具涂层材料可分为两大类，即: “硬”刀具涂层材料和“软”刀具涂层材料。“硬”涂层刀具追求高的硬度和耐磨性。目前应用最多的刀具硬涂层材料有金刚石、类金刚石、氮化碳、立方氮化硼以及ＴiＣ、TiＮ、TiCN、Al2Ｏ3、TiAlＮ等及其组合。“软”刀具涂层材料追求低摩擦系数，与工件材料的摩擦系数很低，可减小粘结,减轻摩擦，降低切削力和切削温度。“软”涂层刀具材料主要有MoS ２、WＳ2、CａS２、TａS２等及其组合,又称为“自润滑刀具”涂层材料。另外涂层方式有：单涂层、多涂层、梯度涂层、软／硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等多种涂层方式,如图１所示:

2 常用“硬”刀具涂层材料的发展与应用

随着现代工业产品中各种新型的、难加工材料的涌现以及工件加工精度的不断提高，传统的切削刀具材料在很多领域已不能满足需要,于是超硬刀具材料的开发和应用越来越得到专业技术人员的重视。常用的超硬刀具涂层材料主要有金刚石薄膜、氮化碳涂层、TiN、T ｉC 基涂层等，尤其是TiN、TiC 基涂层应用最为广泛。

2．1 金刚石薄膜

金刚石薄膜具有优异的力、热、光、电等性能以及高弹性模量和低摩擦系数，具有广泛的应用前景，特别是在金刚石涂层刀具领域,被认为是金刚石薄膜能够最先实现产业化的领域之一，受到各国科学界和有关公司的关注,各国都投入了大量人力物力进行研究。自上世纪８0 年代开展金刚石薄膜研究热膜，现在,国外已有商业化的金刚石涂层刀具出售，我

国虽有许多科研单位都报道在实验室成功制备出高附着力的金刚石薄膜刀具，但离产品的完全市场化还有一段距离。关键问题是要进一步提高附着力的前提下，解决批量生产时产品质量的稳定性和可重复性问题。

另外，金刚石薄膜的应用在许多方面取得突破,金刚石涂层工具能加工非铁合金如Si-Al合金、陶瓷、纤维增强塑料和木材等,具有巨大的前景。金刚石涂层具有一种高度小平面形的组织结构,这使得在刀片的前面呈显微粗糙的表面。这种粗糙的金刚石小平面的作用可比喻为显微断屑器，而在刀片的后面,这种小平面会导致工件加工表面光洁度变差。当今，汽车工业在加工硅－铝合金（特别是300系列) 零件时,主要是使用金刚石涂层刀具。金刚石涂层刀具还有望在加工金属基复合材料（ＭＭＣ) 、碳－碳复合材料和木材加工业等领域获得应用。

2.２氮化碳涂层

近年来，氮化碳( C３Ｎ４) 作为一种新型的超硬材料,已成为有实用价值的刀具涂层材料。对于高速钢刀具，经过C３N４涂层，对刀具耐磨性的提高极为显著,其效果超过了TiN 涂层; 高速钢麻花钻，经过C3N4涂层，能使其耐用度大为提高,可取代常用的ＴiN 涂层麻花钻; 硬质合金刀片（刀具) ,经过C3N4涂层，亦能提高刀片( 刀具) 的耐用度，但提高幅度不如高速钢刀具那样大。美国物理学家A.M.Lｉu和M.L．Coｈeｎ首先用分子工程理论，设计出超硬无

机化合物氮化碳，根据体弹性模量的计算,可能达到金刚石的硬度。氮化碳作为一种超硬薄膜材料，除了具有高硬度外,还有低摩擦系数、高导热性能、很好的化学稳定性和抗氧化性能,能切削加工铁族元素,作为刀具涂层材料具有广阔的应用前景。

２.3 TiN、TiC 基涂层

TiC 是一种高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力。ＴiN 涂层材料是目前应用最广的一种薄膜材料,它的硬度稍低,但它与金属的亲和力和润湿性能好,在空气中抗氧化能力比ＴiC 好，但由于它的耐高温抗氧化性能不高限制了它的更广泛的应用。为改善单层薄膜的性能,涂层的多元化( 加入其它合金元素) 和多层化成为了研究的热点。

多元化薄膜如ＴiＣN 具有了TｉC 和ＴiN 的综合能力,其硬度高于TiN 和TiC,因此是一种较为理想的刀具涂层材料。ＴiAｌN 是含有抗氧化能力良好的Al 的一种涂层,通常采用PVD( 物理气相沉积) 方法来制备,在切削过程中Al 氧化而形成Al2O3，从而起到抗氧化和抗扩散磨损的作用，在高速切削时，TｉＡlＮ涂层刀具的切削效果优于TiN 和TiＣN 涂层刀具，主要原因是TiAlN 涂层刀具的硬度、抗氧化和抗粘结能力高,尤其是由于TiAlＮ涂层刀具具有很高的高温硬度.多层化薄膜如TiAlＮ/ Al2Ｏ3多层PＶＤ涂层等目前研究也较多,其涂层硬度达400０ HＶ，涂层数为4０0 层( 总厚度5 μｍ）。最近又开发了纳米涂层( Nａno - ｓcａleｄ coａtｉｎg) 技术，这种方法可采用多种涂层材料的不同组合满足不同功能和性能要求，特别适合于高速干切削。硬质合金刀具的多层纳米涂层可分为5 大类: 1 ) 氮化物／氮化物: TiN/ＶＮ,56ＧPa; TiN／NｂN，51GPa; 2 ) 氮化物/碳化物： TｉＮ/ＣNX, 45 -55GPa; ZrN/CNX,4０ - 45GPａ；３) 碳化物／碳化物: ＴiＣ /ＶＣ， 52GPa; TiC /NｂＣ， 4５－５5GPa; 4) 氮化物或碳化物／金属: TiN/Nb,５2G Ｐa; TiAlN/Mo，51ＧＰa； 5) 氮化物／氧化物: TiＡｌN/Al2O３,此外还有加入TiＢ2、BN 的体系等。这些复合涂层每调制周期由两种材料组合而成,厚度仅为几纳米，根据切削需要，可相互叠加涂覆上百层,总厚度可达2 ~ 5 μｍ。设计合理的纳米涂层可使刀具的硬度和韧性显著增加,使其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能,十分适合于干切削。涂层的多层化及其相关技术的出现,使涂层既可提高与基体的结合强度又能提高其耐腐蚀性能、抗氧化性能等综合性能，是最有发展前景的一类涂层材料。