涂層刀具的涂層材料、涂層方法及發(fā)展方向

/涂層刀具的涂層材料、涂層方法及進展方向在切削加工中，刀具性能對切削加工的效率、精度、表面質量有著決議性的影響。刀具性能的兩個關鍵指標硬度和強度（韌性）之間好像總是存在著沖突，硬度高的材料往往強度和韌性低，而要提高韌性往往是以硬度的下降為代價的。在較軟的刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜（如TiC、TiN、Al2O3,等）構成的涂層刀具，較好的解決了刀具存在的強度和韌性之間的沖突，是切削刀具進展的一次革命。涂層刀具是近20年來進展最快的新型刀具。目前工業(yè)發(fā)達國家涂層刀具已占80%以上，CNC機床上所用的切削刀具90%以上是涂層刀具。1涂層刀具、涂層材料及涂層方法涂層刀具的特點涂層刀具結合了基體高強度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優(yōu)點，提高了刀具的耐磨性而不降低其韌性。涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴大，使用涂層刀具可以獲得明顯的經(jīng)濟效益。一種涂層刀具可以代替數(shù)種非涂層刀具使用，因而可以大大削減刀具的品種和庫存量，簡化刀具管理，降低刀具和設備成本。但是刀具在現(xiàn)有的涂層工藝進行涂層后，因基體材料和涂層材料性質差別較大，涂層殘留內(nèi)應力大，涂層和基體之間的界面結合強度低，涂層易剝落，而且涂層過程中還造成基體強度下降、涂層刀片重磨性差、涂層設備多而雜、昂貴、工藝要求高、涂層時間長、刀具成本上升等缺點。常用的涂層材料及性質常用的涂層材料常用的涂層材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金剛石及復合涂層八大類數(shù)十個品種。依據(jù)化學鍵的特征，可將這些涂層材料分成金屬鍵型、共價鍵型和離子鍵型。涂層材料的性質金屬鍵型涂層材料（如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等）熔點高、脆性低、界面結合強度高、交互作用趨勢強、多層匹配性好，具有良好的綜合性能，是最一般的涂層材料。共價鍵型涂層材料（如B4C、SiC、BN、金剛石等）硬度高、熱脹系數(shù)低、與基體界面結合強度差、穩(wěn)定性和多層匹配性差。而離子鍵型材料化學穩(wěn)定性好、脆性大、熱脹系數(shù)大、熔點較低、硬度不太高。在這些涂層材料中，用的最多的是TiC、TiN、Al2O3、金剛石以及復合涂層。TiC耐磨性好，能有效地提高刀具的抗月牙洼磨損本領，適合于低速切削及磨損嚴重的場合；TiN涂層具有低的摩擦系數(shù)，潤滑性能好，能削減切削熱和切削力，適合于產(chǎn)生融合和磨損的切削；Al2O3的高溫耐磨性、耐熱性和抗氧化本領比TiC和TiN好，月牙洼磨損率低，適合于高速、大切削熱切削；金剛石涂層硬度和熱導性高，摩擦系數(shù)很低，適合于有色金屬合金的高速切削；而復合涂層綜合幾種涂層材料的特點，目前以雙涂層和三涂層組合居多。常用涂層方法目前常用的涂層方法是CVD（化學氣相沉積法）和PVD（物理氣相沉積法），其它方法如等離子噴涂、火焰噴涂、電鍍、溶鹽電解等還存在較大的應用局限性。CVD法是利用金屬鹵化物的蒸氣、氫氣和其它化學成分，在950～1050℃的高溫下，進行分解、熱合等氣、固反應，或利用化學傳輸作用，在加熱基體表面形成固態(tài)沉積層的一種方法。CVD法工藝要求高，而且由于氯的侵蝕及氫脆變形可能導致涂層易碎裂、基體斷面強度下降，涂層硬質合金時還易產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象而形成n相。近年來，中、低溫CVD法和PCVD法開發(fā)成功，改善了原有CVD工藝。PVD法起步晚、進展快、溫度低（約300～500℃），優(yōu)點很多，但涂層的均勻性不如CVD法，涂層與基體結合不太堅固，涂層硬度比較低，涂層優(yōu)越性未得到充分體現(xiàn)。PVD法工藝要求比CVD法高，設備更多而雜，涂層循環(huán)周期長。目前常用的PVD方法有低壓電子束蒸發(fā)（LVEE）法、陰極電子弧沉積法（CAD）、三極管高壓電子束蒸發(fā)法（THVEE）、非平衡磁控濺射法（UMS）、離子束幫助沉積法（IAD）和動力學離子束混合法（DIM），其重要差別在于沉積材料的氣化方法以及產(chǎn)生等離子體的方法不同而使得成膜速度和膜層質量存在差異。2涂層刀具的進展方向新型的涂層材料刀具涂層材料顯現(xiàn)了很多新種類：TiCN基新涂層兼有TiC和TiN涂層良好的韌性和硬度，比常用的TiN刀具耐用度高2～4倍。此外，以TiCN為基的多元成分新涂層材料如（Ti，Zr）CN、（Ti，Al）CN、（Ti，Si）CN等紛紛顯現(xiàn)。AlON涂層刀具產(chǎn)生的月牙洼磨損微小。TiAlN有很高的高溫硬度和優(yōu)良的抗氧化本領，涂層硬度高，抗氧化性能好，切削性能優(yōu)于TiN涂層，用于加工航天合金材料時的刀具壽命可提高1～4倍。CrC和CrN涂層是無鈦涂層，可有效地切削鈦和鈦合金以及鋁合金等其它軟材料。另外，Hf、Zr、Ta的碳化物與氮化物，Hf、Zr、Ti、N、Ta的硼化物，Hf、Zr、Ti、Be的氧化物等涂層材料均成功采納。值得一提的是美國Multi—ScientificCoating公司的類金剛石的碳涂層，使用熱陰極蒸發(fā)技術把碳沉積到刀具表面后，類金剛石碳涂層和基體結合良好，有很多金剛石相像的性能，有高的耐磨性和低的摩擦系數(shù)。其它ZrN，TiZrN類金剛石膜涂層（DLC）的應用范圍也不斷拓展，重要用于加工有色合金。氮化鋁鈦涂層也由原先常使用的Ti0.75Al0.25N轉化為優(yōu)先使用Ti0.5Al0.5N，Ti0.5Al0.5N涂層抗氧化溫度為700℃，在空氣中加熱會在表面產(chǎn)生一層非晶態(tài)Al2O3薄膜，可以對涂層起保護作用。日本不二越公司開發(fā)出一種稱為SG的新型涂層，它由TiN、TiCN及Ti系膜三層構成，耐磨性優(yōu)于TiN涂層，且涂層與基體的結合強度高，表層為Ti系特別膜層，具有極好的耐熱性。瑞士還開發(fā)出一種稱為“MOVIC”軟涂層的新工藝，即在刀具表面涂復一層固體潤滑膜二硫化鉬，刀具切削壽命數(shù)倍加添，且能獲得優(yōu)良的加工表面。其它硫族元素如WS2等軟涂層也取得了肯定進展。這些軟涂層在加工高強度鋁合金和寶貴金屬方面有良好的應用前景。近年來，高硬度的涂層開始顯現(xiàn)。包括立方氮化硼（CBN）涂層、氮化碳（CNX）、多晶氮化物超點陣涂層等。CBN涂層硬度達5200kgf/mm2，僅次于金剛石，可有效的切削淬火鋼和其它難加工合金。假如氮化碳（CNX）涂層能夠形成b—C3N4，理論上可以計算出其硬度將超過金剛石。已經(jīng)有氮化碳合成的報道。多晶氮化物超點陣涂層是一種很有希望的新型刀具涂層，多晶TiN/NbN和TiN/VN超點陣涂層的硬度分別為5200kgf/mm2和5600kgf/mm2，超點陣涂層由于層內(nèi)或層間位錯困難導致其硬度很高。新的涂層工藝方法隨著涂層技術的進展，顯現(xiàn)了綜合PVD和CVD的PACVD法，另外，還有離子束濺射方法，中能離子束輔佑襄助沉積技術（IBAD）也可用于涂層，離子束輔佑襄助沉積兼有氣相沉積與離子注入的優(yōu)點。等離子輔佑襄助化學氣相沉積（PCVD）利用等離子體來促進化學反應，可使沉積溫度降低到200～500℃。Sol—Gel法由于其自身的優(yōu)點也越來越受到人們的重視。MT—CVD（中溫化學氣相沉積）則在肯定程度上克服了一般HD—CVD（高溫化學氣相沉積）的缺點，其沉積溫度低（700～900℃），沉積速度快，涂層厚，工藝環(huán)鍍性好，對于形體多而雜的工件涂層均勻，而且涂層附著力高，涂層內(nèi)部殘余應力小，是一種優(yōu)于HT—CVD的涂層工藝方法。涂層所用的基體范圍也在擴大，包括高速鋼、硬質合金和陶瓷都可以進行涂層。近幾年來陶瓷涂層硬質合金刀具進展快速，特別是Al2O3陶瓷由于其高化學穩(wěn)定性和耐氧化性特別適用于高速切削，在陶瓷涂層中所占比例較大。雖然刀具涂層工藝上獲得了長足的進展，特別是梯度涂層工藝，但總體說來涂層技術有待進一步提高。3結論涂層