刀具涂層及如何正確選擇刀具涂層

TiN、TiC、TiCN和TiAlN等刀具涂層及如何選擇刀具涂層TiN氮化鈦TiAlN氮化鋁鈦氮鋁鈦涂層氮鋁化鈦TiCN氮碳化鈦TiAlCN氰化鋁鈦Ti2N氮化二鈦CrN,氮化鉻ZrN,氮化鋯AlTiN氮化鈦鋁氮鈦鋁涂層金剛公司推出的多個(gè)新型涂層

涂層顏色硬度HV厚度μm摩擦系數(shù)最高使用溫度℃說明

ZrCN復(fù)合蘭灰25001-4550通用性強(qiáng)

TiN單層金黃23001-4500高性價(jià)比涂層

TiAlN復(fù)合紫色32001-4800通用性強(qiáng)

AlTiN復(fù)合黑34001-4900高速、高硬度加工

TiAlCrN亞黑35001-41000特殊加工領(lǐng)域

TiCN漸層灰黑30001-4400高韌性通用涂層

CrN漸層銀亮3-15700合用加工銅、鈦、模具

DLC黑彩1000~4000400合用于有色金屬、石墨、塑膠

涂層刀具是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼(HSS)基體表面上，運(yùn)用氣相沉積辦法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物(也可涂覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而獲得的。涂層作為一種化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反映，從而減少了月牙槽磨損。涂層刀具含有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性，切削時(shí)可比未涂層刀具提高刀具壽命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度~1級，減少刀具消耗費(fèi)用20%~50%。因此，涂層刀具已成為當(dāng)代切削刀具的標(biāo)志，在刀具中的使用比例已超出50%?，F(xiàn)在，切削加工中使用的多個(gè)刀具，涉及車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來提高它們的使用性能。

涂層刀含有四種：涂層高速鋼刀具，涂層硬質(zhì)合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。但以前兩種涂層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料，目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上)，可減少刀片的崩刃及破損，擴(kuò)大應(yīng)用范疇。涂層辦法

現(xiàn)在生產(chǎn)上慣用的涂層辦法有兩種：物理氣相沉積(PVD)法和化學(xué)氣相沉積(CVD)法。前者沉積溫度為500℃，涂層厚度為2~5μm；后者的沉積溫度為900℃~1100℃，涂層厚度可達(dá)5~10μm，并且設(shè)備簡樸，涂層均勻。因PVD法未超出高速鋼本身的回火溫度，故高速鋼刀具普通采用PVD法，硬質(zhì)合金大多采用CVD法。硬質(zhì)合金用CVD法涂層時(shí)，由于其沉積溫度高，故涂層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層(η相)，造成刀片脆性破裂。近十幾年來，隨著涂覆技術(shù)的進(jìn)步，硬質(zhì)合金也可采用PVD法。國外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù)，開發(fā)了復(fù)合的涂層工藝，稱為PACVD法(等離子體化學(xué)氣相沉積法)。即運(yùn)用等離子體來增進(jìn)化學(xué)反映，可把涂覆溫度降至400℃下列(現(xiàn)在涂覆溫度已可降至180℃~200℃)，使硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會產(chǎn)生擴(kuò)散、相變或交換反映，可保持刀片原有的韌性。據(jù)報(bào)道，這種辦法對涂覆金剛石和立方氮化硼(CBN)超硬涂層特別有效。涂層材料

涂層材料須含有硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反映、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低，以及與基體附著牢固等規(guī)定。顯然，單一的涂層材料很難滿足上述各項(xiàng)規(guī)定。因此硬質(zhì)涂層材料已由最初只能涂單一的TiC、TiN、Al2O3，進(jìn)入到開發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段。新開發(fā)的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多層涂層與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復(fù)合，加上新型的抗塑性變形基體，在改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、提高涂層耐磨性方面有了重大進(jìn)展?，F(xiàn)在，又突破了在硬質(zhì)合金基體上涂覆金剛石薄膜技術(shù)，全方面提高了刀具的性能。

工藝最成熟和應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)涂層材料是TiN，但TiN與基體結(jié)合強(qiáng)度不及TiC涂層，涂層易剝落，且硬度也不如TiC高，在切削溫度較高時(shí)膜層易氧化而被燒蝕。TiC涂層有較高的硬度與耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐沖擊。TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，它在涂覆過程中可通過持續(xù)變化C、N的成分控制TiCN性質(zhì)，并形成不同成分的多層構(gòu)造，可減少涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，增加涂層的厚度，制止裂紋的擴(kuò)展，減少崩刃。因此，現(xiàn)在生產(chǎn)的某些刀片，如瑞典Sandvik公司推薦用于加工鋼料的GC4000系列刀片、中國株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的CN系列刀片、日本東芝公司的T715X和T725X涂層刀片中都有TiCN涂層成分。TiCN基涂層適于加工普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵等材料，用它加工工件時(shí)的材料切除率可提高2~3倍。

TiAlN、CrN、TiAlCrN是近幾年來開發(fā)的硬質(zhì)涂層新材料。TiAlN涂層刀片已商品化。它的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化磨損性能好，用其加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳合金時(shí)的刀具壽命可比TiN涂層高3~4倍。另外，TiAlN涂層中如果有適宜的鋁濃度，切削時(shí)在刀具前刀面和切屑的界面上還會產(chǎn)生一層硬質(zhì)的惰性保護(hù)膜，該膜有較好的隔熱性，可更有效地用于高速切削。例如，美國Kennametal公司推出的H7刀片，系TiAlN涂層，是專為高速銑削合金鋼、高合金鋼和不銹鋼等高性能材料而設(shè)計(jì)的。CrN是一種無鈦涂層，適于切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料，化學(xué)穩(wěn)定性好，不產(chǎn)生粘屑。TiAlCrN是一種梯度構(gòu)造涂層，不僅含有高的韌性和硬度，并且摩擦因數(shù)也較小，合用于銑刀、滾刀、絲錐等多個(gè)刀具，切削性能明顯優(yōu)于TiN。

德國某公司開發(fā)了Supernitride涂層系列，其中超級氮化鈦涂層有很高的含鋁量，可形成穩(wěn)定的氧化層(氧化溫度達(dá)1000℃)，它比普通的TiAlN涂層更硬、更致密、更耐高溫，合用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高達(dá)58HRC以上的淬火鋼。

另外，納米超薄膜涂層工藝已日趨成熟。據(jù)報(bào)道，日本某公司推出了一種高速強(qiáng)力型鉆頭，它是在韌性好的K類(WC+Co)硬質(zhì)合金基體上交互涂覆了1,000層TiN和AlN超薄膜涂層，涂層厚度約μm。使用表明，該鉆頭的抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性可大幅度提高，其硬度則與CBN相稱，刀具壽命可提高2倍左右。該公司還開發(fā)出ZX涂層立銑刀，超薄膜鍍層數(shù)達(dá)2,000層，每層厚度約1nm，用該立銑刀加工60HRC的高硬度材料，刀具壽命遠(yuǎn)高于TiCN和TiAlN涂層刀具。第八屆中國國際機(jī)床展覽會(CIMT)上，瑞士某公司推出的納米構(gòu)造涂層(AITiN/SiN)立銑刀，其涂層硬度為45GPa，氧化溫度1100℃如何對的選擇刀具涂層對小型圓形刀具進(jìn)行對的的表面解決能夠提高刀具壽命，減少加工循環(huán)時(shí)間，提高加工表面質(zhì)量。但是，根據(jù)加工需要對的選擇刀具涂層有可能是一件令人困惑和費(fèi)力的工作。每一種涂層在切削加工中都現(xiàn)有優(yōu)勢又有缺點(diǎn)，如果選用了不恰當(dāng)?shù)耐繉?，有可能造成刀具壽命低于未涂層刀具，有時(shí)甚至?xí)霰韧繉右郧案嗟膯栴}?，F(xiàn)在已有許多個(gè)刀具涂層可供選擇，涉及PVD涂層、CVD涂層以及交替涂覆PVD和CVD的復(fù)合涂層等，從刀具制造商或涂層供應(yīng)商那里能夠很容易地獲得這些涂層。本文將介紹某些刀具涂層共有的屬性以及某些慣用的PVD、CVD涂層選擇方案。在擬定選用何種涂層對于切削加工最為有益時(shí)，涂層的每一種特性都起著十分重要的作用。一涂層的特性硬度涂層帶來的高表面硬度是提高刀具壽命的最佳方式之一。普通而言，材料或表面的硬度越高，刀具的壽命越長。氮碳化鈦(TiCN)涂層比氮化鈦(TiN)涂層含有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂層的硬度提高了33%，其硬度變化范疇約為Hv3000～4000(取決于制造商)。表面硬度高達(dá)Hv9000的CVD金剛石涂層在刀具上的應(yīng)用已較為成熟，與PVD涂層刀具相比，CVD金剛石涂層刀具的壽命提高了10～20倍。金剛石涂層的高硬度和切削速度可比未涂層刀具提高2～3倍的能力使其成為非鐵族材料切削加工的不錯選擇。耐磨性耐磨性是指涂層抵抗磨損的能力。即使某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生產(chǎn)過程中添加的元素和采用的工藝可能會引發(fā)刀具切削刃崩裂或磨鈍。表面潤滑性高摩擦系數(shù)會增加切削熱，造成涂層壽命縮短甚至失效。而減少摩擦系數(shù)能夠大大延長刀具壽命。細(xì)膩光滑或紋理規(guī)則的涂層表面有助于減少切削熱，由于光滑的表面可使切屑快速滑離前刀面而減少熱量的產(chǎn)生。與未涂層刀具相比，表面潤滑性更加好的涂層刀具還能以更高的切削速度進(jìn)行加工，從而進(jìn)一步避免與工件材料發(fā)生高溫熔焊。

圖1TiAlN涂層硬質(zhì)合金立銑刀氧化溫度氧化溫度是指涂層開始分解時(shí)的溫度值。氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。即使TiAlN涂層的常溫硬度可能低于TiCN涂層，但事實(shí)證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的因素在于可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具的切削速度普通更高，這就使TiAlN成為硬質(zhì)合金刀具的首選涂層，硬質(zhì)合金鉆頭和立銑刀普通采用這種PVDTiAlN涂層(見圖1)?？拐辰Y(jié)性涂層的抗粘結(jié)性可避免或減輕刀具與被加工材料發(fā)生化學(xué)反映，避免工件材料沉積在刀具上。在加工非鐵族金屬(如鋁、黃銅等)時(shí)，刀具上經(jīng)常會產(chǎn)生積屑瘤(BUE)，從而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料開始粘附在刀具上，粘附就會不停擴(kuò)大。例如，用成型絲錐加工鋁質(zhì)工件時(shí)，加工完每個(gè)孔后絲錐上粘附的鋁都會增加，以至最后使得絲錐直徑變得過大，造成工件尺寸超差報(bào)廢。含有良好抗粘結(jié)性的涂層甚至在冷卻液性能不良或濃度局限性的加工場合也能起到較好的作用。二慣用的涂層氮化鈦涂層(TiN)TiN是一種通用型PVD涂層，能夠提高刀具硬度并含有較高的氧化溫度。該涂層用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得很不錯的加工效果。氮碳化鈦涂層(TiCN)TiCN涂層中添加的碳元素可提高刀具硬度并獲得更加好的表面潤滑性，是高速鋼刀具的抱負(fù)涂層。氮鋁鈦或氮鈦鋁涂層(TiAlN/AlTiN)TiAlN/AlTiN涂層中形成的氧化鋁層能夠有效提高刀具的高溫加工壽命。重要用于干式或半干式切削加工的硬質(zhì)合金刀具可選用該涂層。根據(jù)涂層中所含鋁和鈦的比例不同，AlTiN涂層可提供比TiAlN涂層更高的表面硬度，因此它是高速加工領(lǐng)域又一種可行的涂層選擇。氮化鉻涂層(CrN)CrN涂層良好的抗粘結(jié)性使其在容易產(chǎn)生積屑瘤的加工中成為首選涂層。涂覆了這種幾乎無形的涂層后，高速鋼刀具或硬質(zhì)合金刀具和成形工具的加工性能將會大大改善。金剛石涂層(Diamond)CVD金剛石涂層可為非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金屬基復(fù)合材料(MMC)、高硅鋁合金及許多其它高磨蝕材料的抱負(fù)涂層(注意：純金剛石涂層刀具不能用于加工鋼件，由于加工鋼件時(shí)會產(chǎn)生大量切削熱，并造成發(fā)生化學(xué)反映，使涂層與刀具之間的粘附層遭到破壞)。

圖2涂層設(shè)備合用于硬銑、攻絲和鉆削加工的涂層各不相似，分別有其特定的使用場合。另外，還能夠采用多層涂層，這類涂層在表層與刀具基體之間還嵌入了其它涂層，能夠進(jìn)一步提高刀具的使用壽命。三涂層的成功應(yīng)用實(shí)