刀具涂层——材料表面与界面

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进 给（mm/刃）
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特固克涂层
基于坚固及韧性基体，采用专业的加工工艺，特固克涂层牌号包含 了CVD和PVD产品，可有效提高耐磨性和抗崩刃性，广泛用于各种切削 加工。 CVD涂层产品主要有两层涂层，强化的MTCVD TiN涂层，以及氧化 铝微粒涂层。在特固克独有的纳米技术和残余应力的控制下，PVD涂层 已升级为TiALN ,ALTIN , ALTiCrN的多层涂层。 根据涂层工艺，特固克推出了“Gold Rush”概念。这种新型金黄 色光滑涂层表面在加工过程中摩擦力小，不粘屑。 每种应用中最好的切削效果都基于根据加工环境选择适合的牌号和 槽型，包括工件材料、切削情况、冷却和机床等因素。
涂层刀具
• 涂层刀具有4种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀
具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片 上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷
和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的 是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)，可 减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。
氮化钛涂层
• 德国某公司开发了Supernitride涂层系列，其中 超级氮化钛涂层有很高的含铝量，可形成稳定 的氧化层(氧化温度达1000℃)，它比一般的 TiAlN涂层更硬、更致密、更耐高温，适用于高 速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬 度高达58HRC以上的淬火钢。
纳米超薄膜涂层
• 此外，纳米超薄膜涂层工艺已日趋成熟。据报道，日本某公司推出 了一种高速强力型钻头，它是在韧性好的K类(WC+Co)硬质合金 基体上交互涂覆了1,000层TiN和AlN超薄膜涂层，涂层厚度约 2.5μm。使用表明，该钻头的抗弯强度与断裂韧性可大幅度提高， 其硬度则与CBN相当，刀具寿命可提高2倍左右。该公司还开发出 ZX涂层立铣刀，超薄膜镀层数达2,000层，每层厚度约1nm，用该 立铣刀加工60HRC的高硬度材料，刀具寿命远高于TiCN和TiAlN涂 层刀具。第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，瑞士某公司 推出的纳米结构涂层(AITiN/SiN) 立铣刀，其涂层硬度为45GPa， 氧化温度1100℃，切削对比试验表明，其寿命比TiN涂层立铣刀高 3倍，比TiAlCN涂层立铣刀高2倍。除上述AITiN/SiN、TiAlCN新涂 层外，还有特定功能的涂层，如MoS2、DLC润滑涂层，其摩擦因 数小(0.05)，适于涂覆丝锥、钻头等刀具，可改善排屑性能，或者 作为复合涂层的表面涂层，减少切屑的粘结。
PVD与CVD比较
适用范围
车削加工钢材
金属陶瓷，金色涂层金属陶瓷
铣削加工钢材
400
400
切 300 削 速 度
CVD涂层硬质合金
切 300 削 速 度
金属陶瓷
CVD涂层硬质合金
PVD涂层硬质合金
200
硬质合金
200
PVD涂层硬质合金
M/min
100
M/min 100 硬质合金
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涂层刀具
涂层
ZrCN复合 TiN单层
颜 色
兰 灰 金黄
硬度 HV
2500 2300
厚度μ
1~4 1~4
摩擦 系数
0.3 0.4
最高使用 温度℃
550 500
说 明
通用性强 应用最为普遍，具有高硬度高耐磨性寄耐氧化性；适合大 多数切削刀具，也适合多数成形模具及抗磨损工件. 化学稳定性好，具有高热硬性，极好的抗氧化和耐磨性，适 合干切削场合。 高速、高硬度加工 特殊加工领域 具有较低的内应力，较高的韧性以及良好的润滑性能；适 合要求较低的摩擦系数而高硬度的加工环境. 有着显著的强润滑性能和耐高温特性，最适合铜类金属的 切削刀具，以及耐磨耐腐零件的涂层. 优良的耐磨、耐腐蚀性能，摩擦系数极低，与基体结合力强。 用于刀具时，通常以TiAlN为基体配合使用，用以加工有色金属、 石墨等材料.涂层硬度公次于金刚石．
涂层刀具
• 涂层刀具的适用范围：涂层刀具可用于加工各种工
件材料。对于各种碳素结构钢、合金结构钢、易切钢、 工具钢、合金铸铁及铬不锈钢的高速精加工，一般精加
工，以及从轻负荷到重负荷的粗加工，可优先选用涂层 刀片。对于铸铁、镍铬不锈钢的高速精加工，一般精加 工和轻负荷粗加工，最好也选用涂层刀片。
涂层刀具
• 涂层材料:须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件
材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，基体附着牢固等要 求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层 材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、 复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN、AlTiN多元、超 薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型的抗 塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高 涂层耐磨性方面有了重大进展。目前，又突破了在硬质合金基体上 涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。
硬质涂层
• • • • • • • • TiAlN、CrN、TiAlCrN是近几年来开发的硬 质涂层新材料。TiAlN涂层刀片已商品化。 它的化学稳定性和抗氧化磨损性能好，用 其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和镍合 金时的刀具寿命可比TiN涂层高3~4倍。此 外，TiAlN涂层中如果有合适的铝浓度，切 削时在刀具前刀面和切屑的界面上还会产 生一层硬质的惰性保护膜，该膜有较好的隔热性，可更有效地用于高速切 削。例如，美国Kennametal公司推出的H7刀片，系TiAlN涂层，是专为高 速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而设计的。CrN是一种无钛 涂层，适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其它软材料，化学稳定性好，不 产生粘屑。TiAlCrN是一种梯度结构涂层，不仅具有高的韧性和硬度，而且 摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优 于TiN。
TiAlN复合 AlTiN复合 TiAlCrN
紫蓝 黑 亚黑
3200 3400 3500
1~4 1~4 1~4
0.5 0.5 0.6
800 900 1000
TiCN渐层
CrBaidu Nhomakorabea渐层
灰黑
银亮
3000
2000 1000~ 4000
1~4
3~15
0.4
0.5
500
700
DLC
黑
0.5~2
0.05
400
涂层刀具
• 涂层刀具的缺点：1.由于硬质合金的强度和韧性都低于未涂
层刀片，因此涂层刀具不适于特别重负荷下的粗加工和冲击大的间 断切削。2.涂层刀片不适宜加工高强度材料（如HB300以上的材料， 冷硬铸铁等）及带硬质夹杂物的材料。3.不适于进给量很小（如 0.015mm）的精加工。4.涂层刀片在低速切削时，容易产生剥落、 崩碎等现象，故不适于低速切削范围。5.钛化合物涂层刀片一般不 太适合加工耐热合金、钛合金、非金属材料及有色金属。6.一般涂 层硬质合金对深孔钻削、切断、螺纹加工和切削难以排出的切削加 工效果还不太好。
成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术 的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发 了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离 子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至 180℃~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换 反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼
涂层刀具
姓名：张垒 学号：1482050235
涂层刀具
• 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，
利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可 涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作 为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而 减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、 耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高 刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级， 降低刀具消耗费用20%~50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标 志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具， 包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、 成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。
涂层刀具
• 涂层方法:目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和
化学气相沉积(CVD) 法。PVD沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5μm；CVD 的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10μm，并且设备简单，涂层均 匀。硬质合金大多采用CVD法，由于其沉积温度高，涂层与基体之间容易形
(CBN)超硬涂层特别有效。
涂层刀具
• 涂层方法:用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆
半径一般为0.02~0.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)， 故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切 削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外， 还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。 据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法， 使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。