刀具涂層的分類與應(yīng)用

1、.刀具涂層的分類與應(yīng)用1 引言作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的制造業(yè)正在發(fā)生著革命性的變化，制造技術(shù)也已產(chǎn)生了質(zhì)的變化。尤其是近幾年高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用，在大幅度提高生產(chǎn)效率的同時也極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，可以認為高速切削加工技術(shù)已成為切削制造業(yè)的主流。 高速切削加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用同時帶動了相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展。高速切削顧名思義，是高的速度、大的進給量、機床的快速移動、快速換刀等，最終體現(xiàn)為生產(chǎn)效率的大幅度提高。但是應(yīng)該指出的是高速切削只是一個相對的概念，隨著加工方式、工件材料以及刀具選擇的變化，高速切削加工的速度存在很大變動范圍。一般認為高速加工的切削速度為常規(guī)切削速度的510倍，如加工碳素鋼切削速度為50

2、02000m/min；鑄鐵為6003000m/min；鋁合金為10007000m/min；銅為9005000m/min。 高速切削刀具技術(shù)是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，而刀具材料的高溫性能是影響高速切削刀具技術(shù)發(fā)展的重中之重。由于在高速切削加工中所產(chǎn)生的切削熱對刀具的磨損比常規(guī)切削高得多，因此對刀具材料有更高的要求：高硬度、高強度和耐磨性；高的韌性和抗沖擊能力；高的紅硬性和化學穩(wěn)定性；抗熱沖擊能力。 刀具表面涂層技術(shù)是應(yīng)市場需求而發(fā)展起來的一種表面改性技術(shù)，自上世紀60年代出現(xiàn)以來，該項技術(shù)在金屬切削刀具制造業(yè)內(nèi)得到了極為廣泛的應(yīng)用。尤其是高速切削加工技術(shù)出現(xiàn)之后，涂層技術(shù)更是得到了迅猛的發(fā)展

3、與應(yīng)用，并成為高速切削刀具制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。該項技術(shù)通過化學或物理的方法在刀具表面形成某種薄膜，使切削刀具獲得優(yōu)良的綜合切削性能，從而滿足高速切削加工的要求。歸納起來切削刀具表面涂層技術(shù)具有以下特點： 1. 采用涂層技術(shù)可在不降低刀具強度的條件下，大幅度地提高刀具表面硬度，目前所能達到的硬度已接近100GPa； 2. 隨著涂層技術(shù)的飛速發(fā)展，薄膜的化學穩(wěn)定性及高溫抗氧化性更加突出，從而使高速切削加工成為可能； 3. 潤滑薄膜具有良好的固相潤滑性能，可有效地改善加工質(zhì)量，也適合于干式切削加工； 4. 涂層技術(shù)作為刀具制造的最終工序，對刀具精度幾乎沒有影響，并可進行重復(fù)涂層工藝。涂層切削刀具所帶

4、來的益處：可大幅度提高切削刀具壽命；有效地提高切削加工效率；明顯提高被加工工件的表面質(zhì)量；有效地減少刀具材料的消耗，降低加工成本；減少冷卻液的使用，降低成本，利于環(huán)境保護。 2 刀具涂層的分類眾所周知，傳統(tǒng)刀具涂層技術(shù)主要可分為兩大類，但由于市場需求的變化及涂層技術(shù)本身的特性，物理涂層技術(shù)的發(fā)展受到了更大的關(guān)注。PVD技術(shù)在得到飛躍性發(fā)展的同時，其應(yīng)用市場也得到了廣泛的拓展。與最初發(fā)展相比，不僅涂層成分種類繁多，近幾年來在涂層結(jié)構(gòu)上更是有了突破性的發(fā)展，并已為市場所接受。隨著PVD技術(shù)在市場中愈來愈廣泛的應(yīng)用，認識了解各類涂層的特性及適用領(lǐng)域愈加顯得重要。因此本文擬對當前PVD涂層進行分類，并

5、分析各類薄膜所適用領(lǐng)域，目的是讓使用者對各類涂層有一個較系統(tǒng)的了解，更加合理地使用涂層刀具。 從PVD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用角度，筆者認為PVD涂層可按2種方法進行分類。 1. 按涂層成分分類 按涂層成分對涂層進行分類簡潔、明了，基于對材料性能的認識，使用者容易了解涂層的功能，易為市場所接受，因此目前各涂層企業(yè)更多的是以不同的涂層成分向用戶介紹、推薦其技術(shù)及產(chǎn)品。按成分對涂層區(qū)分通?？煞譃閮纱箢?，即硬涂層和軟涂層。硬涂層以TiN、TiCN、TiAlN等為代表，包括了單層薄膜和復(fù)合薄膜，隨著市場需求的變化及涂層技術(shù)的發(fā)展，新的涂層成分不斷被開發(fā)出來，到目前為止所應(yīng)用的硬涂層成分已有幾十種之多；軟涂層顧

6、名思義薄膜的硬度相對較低，通常為1000HV左右。軟涂層目前種類并不多，以MoS2、碳基薄膜為主，在切削加工領(lǐng)域內(nèi)，其目的是通過在硬涂層表面覆蓋一層這種薄膜，試圖增加涂層表面的潤滑性，改善被加工工件表面質(zhì)量，以滿足某些應(yīng)用領(lǐng)域的需要。 2. 按涂層結(jié)構(gòu)分類 盡管按成分進行涂層分類具有良好的市場基礎(chǔ)，但從PVD技術(shù)的發(fā)展來看，涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化已越來越多地影響著涂層刀具的應(yīng)用效果。相同的涂層成分、不同的結(jié)構(gòu)形式，可以導(dǎo)致涂層刀具使用效果的截然不同。因此認識了解目前PVD涂層薄膜的結(jié)構(gòu)形式，對于該項技術(shù)的實際應(yīng)用有著十分重要的意義。就目前PVD技術(shù)的發(fā)展狀況，涂層薄膜結(jié)構(gòu)大體可分類如下： a.

7、單一層涂層 涂層由某一種化合物或固溶體薄膜構(gòu)成，理論上講在薄膜的縱向生長方向上涂層成分是恒定的，這種結(jié)構(gòu)的涂層可稱之為普通涂層。如果聯(lián)系到PVD的發(fā)展歷程，實際上在過去相當長的時期內(nèi)一直采用這種技術(shù)，其中包含眾所周知TiN、TiCN、TiAlN 等。隨著應(yīng)用市場要求的不斷提高，人們也愈加認識到這種涂層的局限性，無論是顯微硬度、高溫性能、薄膜韌性等都難于大幅度提高，但這種涂層在市場中仍占有一定比例。 b. 復(fù)合涂層圖1 CrN+CBC復(fù)合薄膜圖2 TiAlCN梯度薄膜圖3 多層薄膜圖4 AlN+TiN+CrN納米薄膜圖5(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)納米復(fù)合相結(jié)構(gòu)薄膜c. 由多

8、種不同功能(特性)薄膜組成的結(jié)構(gòu)可以稱之為復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)膜，其典型涂層為目前的硬涂層+ 軟涂層，每層薄膜各具不同的特征，從而使涂層更具良好的綜合性能。圖1所示為CrN+CBC復(fù)合涂層，其中CBC為碳基薄膜。 d. 梯度涂層 涂層成分沿薄膜縱向生長方向逐步發(fā)生變化，這種變化可以是化合物各元素比例的變化，如TiAl-CN中Ti、Al含量的變化，也可以由一種化合物逐漸過渡到另一種化合物，如由CrN 逐漸過渡到CBC?？梢灶A(yù)見這種結(jié)構(gòu)能有效降低因成分突變而造成的內(nèi)部微觀應(yīng)力的增加。圖2所示為TiAlCN梯度薄膜。 e. 多層涂層 多層涂層由多種性能各異的薄膜疊加而成，每層膜化學組分基本恒定。目前在實際應(yīng)

9、用中多由2種不同薄膜組成，由于所采用的工藝存在差異，不同企業(yè)的多層涂層刀具，其各膜層的尺寸也不近相同，通常由十幾層薄膜組成，每層薄膜尺寸大于幾十納米，最具代表性的有AlN+TiN、TiAlN+TiN涂層等。與單層涂層相比，多層涂層可有效地改善涂層組織狀況，抑制粗大晶粒組織的生長，多層薄膜如圖3 所示。 f. 納米多層涂層 這種結(jié)構(gòu)的涂層與多層涂層類似，只是各層薄膜的尺寸為納米數(shù)量級，又可稱為超顯微結(jié)構(gòu)。理論研究證實在納米調(diào)制周期內(nèi)(幾納米至幾十納米)，與傳統(tǒng)的單層膜或普通多層膜相比，此類薄膜具有超硬度、超模量效應(yīng)，其顯微硬度超過40GPa 是可以預(yù)期的，并且在相當高的溫度下，薄膜仍可保留非常高

10、的硬度。因此這類膜具有良好的市場應(yīng)用前景，其典型代表為AlN+TiN、AlN+TiN+CrN涂層等。如圖4所示，為AlN+TiN+CrN 納米膜系，其調(diào)制周期l約為7nm。 g. 納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層 納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層。以(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)納米復(fù)合相結(jié)構(gòu)薄膜為例，在強等離子體作用下，納米TiAlN 晶體被鑲嵌在非晶態(tài)的Si3N4體內(nèi)(見圖5)，當TiAlN晶體尺寸小于10nm 時，位錯增殖源難于啟動，而非晶態(tài)相又可阻止晶體位錯的遷移，即使在較高的應(yīng)力下，位錯也不能穿越非晶態(tài)晶界。這種結(jié)構(gòu)薄膜的硬度可以達到50GPa 以上，并可保持相當優(yōu)異的韌性，且當溫度達到90011

11、00時，其顯微硬度仍可保持在30GPa 以上；此外這種薄膜同時可獲得優(yōu)異的表面質(zhì)量，因此工業(yè)應(yīng)用前景廣闊。3 涂層的應(yīng)用隨著PVD技術(shù)的迅速發(fā)展，在實際應(yīng)用中涂層的合理選擇愈加顯得重要。目前涂層薄膜不僅要解決硬度問題，其韌性、抗氧化性、表面粗糙度及潤滑性等都需要根據(jù)不同的切削條件進行綜合考慮。從實際的切削加工狀況來看，僅憑涂層成分進行選擇，在實際應(yīng)用中已難以獲取最佳經(jīng)濟效益。本文依據(jù)上述兩種涂層分類，淺析實際切削加工中PVD涂層薄膜的選用。 1. 車削加工車削加工的特點是連續(xù)、穩(wěn)定、切削力及切削溫度變化小，相對而言切削溫度較高，因此在選擇涂層類別時，涂層的硬度和高溫抗氧化性是重點考慮因素。 a

12、. 加工鋼材時可選用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)及AlTiN薄膜，這兩種薄膜都具有極高的表面硬度，且紅硬性良好，使用溫度可達到1100。 b. 鑄鐵加工通常也可選擇上述2種薄膜。 c. 鋁及鋁合金加工的特點是熔點低，在切削加工中極易形成積屑瘤，且氧化了的切屑可形成Al2O3，導(dǎo)致摩擦作用的增強。當硅含量在4%13%之間時，硅在鋁內(nèi)形成固溶體共晶體組織，這種脆性、針狀的片狀硅的夾雜，在切削過程中，具有磨料作用，導(dǎo)致刀具早期失效；而當Si含量進一步提高時粗大的組織使切削性能進一步下降。如果采用干式切削，可加劇這種磨損的發(fā)展，加工這類有色金屬金剛石涂層刀具是最佳的

13、選擇方案之一，但考慮到可行性及經(jīng)濟性，對于PVD而言，涂層應(yīng)具有高的硬度及優(yōu)異的潤滑性。當Si 含量小于12%時，可選擇多層TiCN+MoS2復(fù)合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜；而當Si含量大于12%時，則可選用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)或單層的TiCN 薄膜。 d. 高強度合金的加工具有變形大、加工硬化大、切削溫度高的特點，此外由于該類合金中含有大量的碳化物、氮化物等，其顯微硬度可達2000 3000HV。在選擇用于此類涂層時，其顯微硬度、高溫性能、潤滑性是應(yīng)著重考慮的因素。通?？蛇x用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)或

14、TiAl-CN+CBC 復(fù)合薄膜。 e. 對于銅及其合金而言，涂層極具針對性，而與加工方式關(guān)聯(lián)性較低。紫銅塑性、韌性大，易粘屑，因此需要有效地解決排屑問題，一般選用CrN膜；而對于銅合金(黃銅、青銅)，由于材料強度的提高，通常采用單層TiCN 或多層TiCN 薄膜。 f. 塑膠材料的加工特性是導(dǎo)熱性差、磨料性、回彈性等，且大多采用干式切削加工方式，因此薄膜的顯微硬度及熱絕緣性是重點考慮的因素，除了CVD 的金剛石薄膜外，也可選用多層TiCN薄膜。2. 鉆削加工 鉆削加工也屬于連續(xù)加工切削方式，其涂層種類的選擇基本與車削加工類似。但所需注意的是通孔加工存在載荷的突變，因此所選擇薄膜應(yīng)具有良好的韌

15、性。如在普通鋼材的加工中，可選用多層膜；若在一般的切削條件下，單層的TiN薄膜也會獲得良好的應(yīng)用效果。 3. 銑削加工 在高速加工領(lǐng)域，銑削加工占有極其重要的地位，而PVD技術(shù)的發(fā)展也從整體銑刀的涂層擴展到可轉(zhuǎn)位刀片范圍，并且已取得了突破性的進展。銑削加工是一種斷續(xù)加工方式，尤其在高速加工條件下，刀具受載狀態(tài)極其復(fù)雜，刀具因不斷受到大小、位置不同的機械沖擊和熱沖擊載荷作用，可引發(fā)薄膜的破裂、脫落等現(xiàn)象的發(fā)生，從而導(dǎo)致刀具的早期失效。 a. 加工普通鋼材時可選用TiCN、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)、AlCrN薄膜，這三種薄膜都具有較好的韌性。 b. 與普通鋼

16、材相比，鑄鐵的銑削加工通常導(dǎo)致刀具磨料磨損，涂層刀具的表面硬度更為重要，因此可選擇納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)、AlTiN、AlCrN薄膜。 c. 對于鋁及鋁合金的加工，當Si 含量小于12%時，可選擇多層TiCN+MoS2復(fù)合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜；而當Si含量大于12% 時，則可選用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)及多層TiCN 薄膜。 d. 高強度合金的銑削加工通?？蛇x用多層TiCN+MoS2、梯度TiAlCN+CBC、AlCrN 薄膜。4. 螺紋加工 螺紋加工也一種連續(xù)切削方式，相對于普通車削加工，這種加工

17、屬于成型加工模式，切削速度相對較低，不易斷屑，且對刀具的幾何尺寸有嚴格要求，刀具刃口微小的缺陷也可導(dǎo)致工件的報廢。因此薄膜的致密性、韌性以及表面的潤滑性是首要考慮的因素。 a. 加工普通鋼和高強度合金時可選用TiCN+MoS2復(fù)合薄膜、TiAlCN+CBC梯度薄膜及TiAlN納米多層薄膜，這三種薄膜都具有良好的韌性及優(yōu)異的潤滑性。 b. 與普通鋼材相比，鑄鐵的螺紋加工通常以磨料磨損為主，薄膜的致密性、韌性、硬度同等重要，因此?？蛇x擇TiAlCN 及TiCN 多層薄膜。 c. 對于鋁及鋁合金的加工，當Si含量小于12%時，可選擇CrN+CBC及TiCN多層薄膜；而當Si含量大于12%時，則可選擇TiAlCN+CBC 及TiCN多層薄膜。圖6 2003年TiN、TiCN、TiAlN涂層應(yīng)用情況4 結(jié)語近年來刀具表面涂層技術(shù)發(fā)展的特點是迅速及多元化。由圖6可以看出，經(jīng)過幾年的