硬质合金涂层刀具研究进展

第36卷第1期2008年3月

稀有金属与硬质合金

Rare Metals and Ceme nted Ca rbides Vol.36　№.1Mar.　2008

·专题论述·

硬质合金涂层刀具研究进展

张文毓

(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471039)

摘　要:在概述硬质合金刀具基本情况的基础上,介绍了硬质合金涂层刀具的研究现状、涂层方法、涂层类型和工艺,以及多元、复合涂层材料应用等方面的情况,并对硬质合金涂层刀具的发展方向进行了展望。

关键词:硬质合金;涂层;刀具;研究进展 中图分类号:TG 711 文献标识码:A 文章编号:100420536(2008)0120059205

Latest Develop ment of Coated Cemented Car bide Tools

ZHAN G Wen 2yu

(Luoyang Ship Mat erial Research Inst it ut e ,Luoyang 471039,Chi na )

Abstract :Brief description i s ma de of t he ce ment ed car bide tool s ge neral sit uat ion ,late st develop ment ,coat 2ing met hod and category of t he cement ed car bi de coati ng tool s as well as t he applicat io ns of mul ti 2element and composi te coat ing mat erial s.It s p rospect of fut ure develop ment is predict ed.K eyw or ds :cemented car bide ;coati ng ;tool ;lat est development 硬质合金由难熔金属硬质化合物和金属粘结剂经粉末冶金方法而制成,其硬度(HRA )为89～94,远远高于高速钢;在540℃时硬度(H RA)为82～87,与高速钢常温时的硬度(HRA83～86)相当,同时还具有化学稳定性好、耐热性高等优点。目前供使用的刀具材料品种虽然很多,新型的刀具材料也不断出现,但硬质合金仍是很受欢迎的一种刀具材料。据报道,有的国家90%以上的车刀、55%以上的铣刀都采用了硬质合金制造,而且这种趋势还在增加。同时,硬质合金还是制造钻头、端铣刀等通用刀具的常用材料。此外,加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具和铰刀、立铣刀、拉刀等复杂刀具使用硬质合金的也日益增多。

我国常用的硬质合金为碳化钨(WC)基硬质合金。随着生产发展的需要,近些年来,又推出了碳化钛(Ti C )基硬质合金、超细晶粒硬质合金、表面涂层硬质合金等新品种[1]。

在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Ti C ,TiN ,

A12O 3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,涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性,延长了刀具的寿命,这是切削刀具发展的又一次革命。

1　硬质合金刀具概况

硬质合金产品按其特征和用途可分为切削刀片、矿用合金、耐磨异型产品三大类,其中切削刀片约占45%,矿用合金约占19%,耐磨异型产品约占36%[2]。

在我国的硬质合金产品中,切削工具用硬质合金约占27%,年产量约3400t ,其中焊接刀片和可转位刀片分别约为2600t 和800t 。切削工具用硬质合金的高档高附加值产品是高性能高精度研磨涂层刀片,据统计,我国目前市场的年流通量约250t ,

收稿日期2623;修回日期22作者简介张文毓(682),女,学士,高级工程师,从事钛及其合金研究及有关技术信息工作。

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稀　有　金　属　与　硬　质　合　金第36卷

其中国产约120t,进口约130t。从我国市场切削工具用硬质合金的产品结构来看,机加工的生产规模很大,但加工技术和装备的整体水平不高[3]。

据不完全统计,近年来国内10多家硬质合金企业先后开发出30多种深加工产品,主要有可转位精磨刀片、涂层刀片、可转位刀具、焊接刀具、矿用钎头、镶套拉拔模、铰刀、螺旋立铣刀、玉米铣刀、钻头、自动车刀、轧辊、顶锤、圆片切刀、锯片铣刀等[4]。

2　硬质合金涂层刀具研究现状

2.1　涂层硬质合金

涂层硬质合金发展迅速,其产量大幅度增加,应用范围不断扩大,已成功地应用于铣削等重要加工工具。目前涂层硬质合金刀片产量已占切削刀片总产量的一半以上,一些先进厂家涂层刀片已占可转位刀片的85%以上。

目前,涂层硬质合金已由早期的TiC(1969年)、Ti N(1971年)、Al2O3(1972年)等单涂层发展到TiC2Ti N,TiCN2Ti N等双涂层及TiC2Ti N2 Al2O3等三涂层,最多的可达13层涂层(如联邦德国的Wi dalon刀片)。同时,涂层材质也有了新的发展,金钢石涂层、立方氮化硼涂层等超硬涂层及其他新涂层也已出现并得到应用,如日本住友电工的非晶体金刚石涂层产品。当然,不同涂层其性能和特点也不相同,而对于不同的涂层最好采用与其匹配的硬质合金基体,以便获得良好的使用性能。

瑞士PLA TI T公司推出的最新涂层有:Ti AlN 单层、Ti Al N多层、Ti CN2MP(高韧性通用涂层)、MOVIC(MoS2基涂层)、CrN、TiAlCN、CBC(DLC,润滑涂层)、GRADVIC(TiAlCN+C B C)、Al Ti N、Al TiN/SiN等。

20世纪90年代中期开发成功的(Ti,Al)N涂层硬质合金刀具对高速切削加工和高硬材料加工作出了重要贡献,但这些涂层在抗高温扩散性能、润滑性能等方面还不够理想。不久前,日本成功研发了号称跨世纪水平的CrSi N、Ti SiN、TiB ON等新型刀具涂层材料[5]。

日本的岛顺彦等开发了添加B、O元素的Ti2 BON系列涂层材料,与(Ti,Al)N涂层相比,其涂层刀具的前刀面在高温下铁元素扩散极少,显示出优良的润滑性能,切屑不粘刀;在富氧氛围中使用T2 BON涂层硬质合金刀具时,涂层的润滑效果更为显著,延长了刀具使用寿命,这是因为在富氧氛围中生成的氧化物具有良好润滑性能。这种利用富氧氛围生成氧化物以消除或减少粘刀,延长刀具寿命和提高加工质量的方法适用于钛合金及718镍铬铁耐热合金的切削加工。在富氧氛围和不加冷却液条件下,用TiB ON涂层硬质合金立铣刀加工718镍铬铁耐热合金时,取得了改善粘刀和减少刀具磨损的良好效果。

2.2　涂层基体材料

在涂层基体方面,不仅有各种专用涂层基体,而且日本、瑞典等国还开发出带富钴层的涂层基体,从而明显地提高了涂层合金的强度和使用性能,扩大了涂层合金的应用范围。

改善涂层基体合金成分和组织有不同方法,其一是使基体表面形成梯度组织,即合金基体表面是一个实际上没有立方碳氮化物相的粘结相富集层,基体的成分(质量分数,下同)为:1.69%Ti C、1.28%Ti N、1.21%TaC、0.77%NbC、7.5%Co,余为WC;其二是采用富钨粘结相。多项专利表明,用于球墨铸铁及灰口铸铁、不锈钢和中、低合金钢的断续车削及铣削加工,以及上述材料的铸件、锻件、热轧及冷轧坯料表面加工的涂层刀片,其基体以采用高钨合金化的粘结相比较有利。加工铸钢、铁锻件外皮及铣削时,基体不加TiC,且TaC+NbC的含量低于2%,其中N bC含量低于0.3%。加工球墨铸铁(包括断续车削)时,则用单一的WC2Co合金作基体。加工低合金钢及不锈钢(包括锻件及断续车削)则一般加入含量低于3%的Ti C及3%左右的TaC[6]。

涂层与合金基体之间的结合强度是制约涂层刀具使用寿命的关键因素。涂层必须与合适的基体相结合才能达到预期的性能。比如说,具有较高红硬性的耐磨基体通常为细晶低钴的碳化钨基合金,并通常加入少量的Ti C、TaC和NbC,使基体具有更高的抗变形能力。粗晶、高钴合金和通过热处理或添加R u、Zr,使粘结相性能得以改善的合金也具有较高的韧性。

为了尽可能防止由于裂纹扩展而导致的材料失效,并有利于获得高性能的硬质合金切削工具材料,可对基体进行梯度处理,使涂层基体表面区域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域,此区域的粘结剂含量高于涂层基体的名义粘结剂含量;当涂

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