刀具涂层技术的现状与展望

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Keywords: cutting tool coating technology , CVD, PVD, adhesion strength, synthetic property
自六十年 代末第一代 T iC 化学技 术气相沉 积 ( CVD) 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, TiN 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) CVD 与 PVD 两种技术在刀具涂层中的相互补充。
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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。
自八十年代初 TiN 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 CVD 工艺对硬质合金刀片进行涂层。由 于 PVD 工艺温 度低, 不会降低硬质合金刀片自身的强度, 刀片刃部 可磨得十分锋利, 从而可降低机床的功率消耗。
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 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 T iCN 涂层。图 1、2 所示为 CVD 及 PVD 涂层刀具中各种 涂层成分所占的大致比例。
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的地位。目前, 金刚石涂层硬质合金立铣刀已有 2 ~ 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。
关键词: 刀具涂层技术, CVD, PVD, 结合强度, 综合性能
Developing Status and Views for Cutting Tool Coating Technology
Chen Weixi
Abstract: The developing status of cutting tool coating technology in home and abroad is summarized. And the features of CVD and PVD coating technology are analyzed. It is pointed out that the good coating result can be obtained by developing new coating materials and combining CVD and PVD technology.
3 CVD、PVD 技术在刀具涂层中的相互 补充
图 1 CVD 涂层中各种成分所占比例
图 2 PVD 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、HfN 、TiNB 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。
ZrN 2982 7 32 1600 510
72
较好
CrN 1650 6 12 1100 400
一般
Al2O3 2047 3 98 2100 400
硬质
1400
合金
~ 1800
高速钢 1500 7 8 900
84 4 5~ 6
12
很好 差
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。
T iA lN/ A l2O3 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 5 m) 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 TiC/ Al2O3/ TiN 涂层刀具。 可以预期, 进一步研究 PVD 工艺技 术, 扩大多种多
2 涂层技术的新发展
纵观 CVD、PVD 技术的 发展过程, 可以 发现几 个共性规律。当第一代 CVD T iC 涂层硬质合金刀片 及 PVD TiN 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
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工具技术
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。
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 CVD 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
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 CVD 设备。如 Balzers、 Multi Arc 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。
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 CVD、PVD 及 PCVD 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 CVD 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
上述选择涂层材料的原则同样 适用于 PVD 涂 层, 由于 Al2O3 ( 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 iCN、T iC/ TiCN/ T iN、T iN/ ZrN 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, ZrN 涂层刀具特别适合加工不锈钢等材料。
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 iCN) 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, T iCxNy 中碳氮原子的比例有两种比 较理想的模式, 即 TiC0 5N0 5和 T iC0 3N0 7。由于 TiCN 具有 T iC 和 T iN 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涂层 材料。
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
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 CVD 涂层大致可 分为四大系列: T iC/ TiN、TiC/ TiCN/ T iN、TiC/ A l2O3 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 CVD 工艺及控制技术方面, 还有不少问题尚待 解决。
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 CVD、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。
Leabharlann Baidu
表 1 几种材料 的物理机械性能
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。
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