1、 刀具涂层技术理论研究学生姓名： 指导教师： 所在院系：工程学院所学专业：机械设计制造及其自动化研究方向：机械设计及理论东 北 农 业 大 学中国哈尔滨20XX 年 X 月刀具涂层技术理论研究目 录摘要 .- 1 -关键词 .- 1 -前言 .- 3 -1 研究意义 .- 4 -1.1 粘结磨损 .- 4 -1.2 氧化磨损 .- 4 -1.3 剥落与崩刃 .- 4 -1.4 扩散磨损 .- 4 -2 国內外刀具涂层技术的现状 .- 5 -2.1 国外 CVD 技术的发展 .- 5 -2.2 国外 PVD 技术的发展 .- 5 -2.3 我国 CVD 技术的发展 .- 5 -2.4 我国 PV
2、D 技术的发展 .- 6 -3 涂层材料的特点及要求 .- 6 -3.1 涂层材料的特点 .- 6 -3.2 涂层材料的要求 .- 6 -4 刀具涂层技术综述 .- 7 -4.1 化学气相沉积涂层 .- 7 -4.1.1 高温化学气相沉积涂层的优点 .- 7 -4.1.2 高温化学气相沉积涂层的缺点 .- 7 -4.1.3 中温化学气相沉积涂层优点 .- 7 -4.2 物理气相沉积涂层 .- 7 -4.2.1 物理气相沉积涂层步骤 .- 8 -4.2.2 物理气相沉积涂层优点 .- 8 -4.2.3 物理气相沉积涂层缺陷 .- 8 -4.3 等离子体化学气相沉积涂层 .- 8 -4.3.1 等
3、离子体化学气相沉积涂层优点 .- 8 -4.3.2 等离子体化学气相沉积涂层缺点 .- 8 -4.4 溶胶-凝胶法 .- 9 -5 刀具涂层改性意见 .- 9 -6 结语 .- 9 -参考文献 .- 10 -致谢 .- 11 -刀具涂层技术理论研究刀具涂层技术理论研究- 1 -摘要机械制造工业是制造业最重要的组成之一,它担负着向国民经济的各个部门提供机械装备的任务。我国现代化建设的发展速度在很大程度上要取决于机械制造工业的发展水平,因此,从这个意义上说,机械制造工业的发展水平是关系全局的。机械制造中的加工方法很多,其中材料去除加工精度较高!表面质量较好,有很强的加工适应性,是目前机械制造中应用
4、最广泛的加工方法。材料去除加工又可分为切削加工和特种加工,切削加工是利用切削刀具从工件上切除多余的材料,这就要求切削刀具的硬度要比工件高得多。刀具切削性能的优劣取决于刀具材料!切削部分几何参数及刀具的结构。目前生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金,高速钢强度高!韧性好,但硬度与耐磨性比硬质合金差；硬度合金硬度与耐磨性较好,但强度与韧性比高速钢差,而涂层刀具是在高速钢或硬质合金基体上涂覆一层难熔金属化合物,涂层刀具表面硬度高!耐磨性好,其基体又有良好的抗弯强度和韧性,涂层硬质合金刀具寿命可提高 1-3 倍,涂层高速钢刀具寿命可提高 1.5-10 倍。涂层刀具可以进行干切削,即无需在加工中使
5、用切削液,从而节省资源,节约材料,降低能耗,减少排放,减轻对人及周围环境的污染,实现机械加工过程的绿色化,干式加工对刀具材料要求很高,它要求材料要具有很高的红硬性和热韧性,良好的耐磨性!耐热冲击和抗粘结性,现在立方氮化硼(CBN)!聚晶金刚石(PCD)!超细晶粒硬质合金等超硬材料已经广泛应用于干切削。实验表明,干式切削理想的条件应该是在高速切削条件下进行,这样可以减少传到工件!刀具和机床上的热量。经过大量的研究,高速钢和硬质合金经过 PVD!CVD 涂层处理后也可以用于干切削,且成本较立方氮化硼(CBN)!聚晶金刚石(PCD)!超细晶粒硬质合金等超硬材料要低。实验表明,在加工铝硅合金和淬火钢中
6、,涂层刀具与未涂层刀具相比寿命有大幅度提高。关键词:涂层材料；涂层刀具；切削性能；刀具寿命刀具涂层技术理论研究- 2 -AbstractMachinery manufacturing,one of the most important components of manufacturing,bears the mission to provide machineries and equipments for each department of the national economy.The pace of modernization of our country depends mainl
7、y on the development of machinery manufacturing industry.Therefore,from this sense,the machinery manufacturing industry 15 related to the development of the country .Among the ways of Machinery Manufacturing Processing,material Removal processing has been widely used because of its high precision,be
8、tter surface quality and Intense self-adapting. Material removal processing can be divided into cutting processing and some special processing.Cutting processing, Which is to cut the extra material from the workpiece with tools, requires the hardness of cutting tools much higher than the workpiece.
9、Currently the main material utilized in the production of cutting tools is high-speed steel and hard alloy. High-speed steel is of high strength than good toughness, but the hardness and wear resistance are worse than hard alloy: hard alloy is of good hardness and wear resistance, but the strength a
10、nd toughness are worse than the high-speed steel. The coating tool ,the substrate of high-speed steel or hard alloy coated with a layer of refractory metal compounds, 15 of hard surface, good wear resistance and its matrix has good bending strength and toughness. The lifetime of coated hard alloy To
11、ol can be increased by l-3 times, while Coated High-speed Tool can be increased from 1.5to10times.Coated cutting tool can do dry cutting,that15, without of cutting fluid in processing, thereby can save resources, save material,reduce energy consumption, drain contamination,and pollution to the surro
12、unding and achieve the friendly Machining process.Dry-type processing,high demanding of the material of tool,requires materials to be of high red hardness and toughness of hot, good wear resistance,thermal shock and anti-caking. Now super-hard materials such as Cube Boron Nitride(CBN), polycrystalli
13、ne diamond(PCD)and ultra-fine grained cement carbide have been Widely used in dry cutting.The experimental results show that the ideal condition of dry cutting is High-speed cutting, which can reduce the spread of the heat on the workpieces,tools and machine tools. Many studies reveal that high-spee
14、ds teel and cemented carbide coated by PVD,CVD can also be used in dry cutting,and are much cheaper than super-hard materials such as Cube Boron Nitride(CBN), polycrystalline diamond(PCD)and ultra-fine grained cemented carbide.The experimental,results show that in the processing of Al-S1 alloy and h
15、ardened steel,the coated tool has a longer lifetime than The uncoated one.In this paper from the cutting experiment we find that it is feed rate that affects Surface roughness of parts under high-speed dry cutting conditions.Keywords:coating material；coated tool；tool lifetime ；cutting performance 刀具
16、涂层技术理论研究- 3 -前言我们知道,刀具表面徐层是提高刀具寿命的一项有效手段,因为刀具表面涂层不仅可以提高刀具的表面硬度,增强其耐磨性,而且可以减小刀具表面摩擦系数,增加润滑能力,提高切削速度,减少换刀次数,改善被加工零件的精度及表面光洁度,提高产品质量,提高生产效率。工业发达国家的涂层刀具占使用刀具的 80%以上,而我国不及 20%,因此涂层刀具在我国广泛使用具有重大意义.目前,国内镀膜工艺尚不完善、也不太稳定,因而极大地限制了它的实际应用。我们从多弧离子镀技术工艺的角度,对刀具涂层质量的因素进行了研究,发现影响刀具涂层质量的因素主要是刀具温度、涂层组分、涂层厚度等 【1】 。随着制造业
17、的发展,采用高强度!高硬度!高耐磨性!高耐热性和高化学稳定性等材料越来越多,它们的加工难度较大,虽然可以使用硬质合金涂层!金刚石!立方氮化硼和陶瓷等刀具加工,但这些刀具价格昂贵,又不抗冲击,所以一般工厂采用不多。淬火钢的硬度一般在45HRC 以上,材料硬度高!塑性变形性差!切削阻力大!切削温度高,加工刀具容易磨损,切削很困难；高硅铝合金具有较高的高温强度!良好的热稳定性和高的耐磨性,是一种理想的耐磨材料,近年来高硅铝合金在汽车!摩托车!军工及航天等领域得到了广泛的应用。因此,探讨这些难加工材料的切削加工性能选择合适的刀具材料十分必要。本文应用试验的方法,通过不同涂层材料的刀具进行切削加工,在保
18、证加工质量的前提下,寻求切削加工的最佳参数。目前,金刚石涂层刀具多选用钨钻类硬质合金(wc-co)或氮化硅(SiN)等陶瓷材料作基体。硬质合金基体的不足之处在于基体中作为粘结相的 CO 具有催石墨化的作用,对金刚石涂层的质量及涂层与基体之间的附着力有不利影响。以 WC-CO 硬质合金为基体的金刚石涂层刀具是当前研究和发展的主要方向。国内外对涂层刀具的研究己有十数年的历史,目前己有的研究表明,采用涂层刀具进行加工,不仅可以满足零件的加工质量要求,而且可以实现绿色加工,在世界各国越来越重视环保的今天,相信涂层刀具的应用前景十分广阔。刀具涂层技术理论研究- 4 -1 研究意义刀具表面涂层技术是应市场
19、需求发展起来的一种优质表面改性技术。由于该项技术可使切削刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机械加工效率及刀具使用寿命,因此该项技术已成为满足现代机械加工高效率!高精度!高可靠性要求的关键技术之一。世界各国都十分注重涂层技术的发展 【2】 【3】 。刀具表面涂层应具有足够的化学稳定性能!热硬度和与基体较强的粘结性能,优化的涂层厚度!细的显微结构及残余压应力可以进一步提高涂层性能。涂层材料化学惰性的标准是它的形成标准,即自由能的负数很高或在一定切削温度下,它在工件材料的溶解度很低。在一定切削温度下,只要硬涂层比基体的硬度高,就有助于增强抗磨粒磨损。虽然切削主要由化学磨损所控制,但由于高的涂
20、层硬度会使刀具前面在较高的温度下,其抗月牙洼磨损性能得到增强。涂层方法及过程参数影响硬涂层的显微结构,反之,显微结构(如颗粒尺寸!颗粒结构!颗粒边界和相边界)又影响硬涂层的力学性能和金属切削性能。为了获得满意的切削能,刀具涂层与基体的粘结必须牢固；为了达到最大的金属切除率,涂层的厚度必须是最优化的:太薄,在切削时保持的时间太短；太厚,它的作用就好象是整体的材料,失去了与基体组合的优越性 4。刀具表面涂层的目的是延缓磨损,提高刀具寿命,因此研究刀具在切削过程中的磨损机理是刀具表面改性的前提条件。刀具磨损可概括为以下几个方面 56。1.1 粘结磨损粘结是指刀具与工件材料接触到原子间的距离时所产生的
21、结合现象。它是在足够大的压力和温度作用下,产生塑性变形而发生所谓的冷焊现象,是摩擦面塑性变形所形成的表面原子间吸附力所造成的结果。两摩擦表面的粘结点因相对运动,晶粒或晶粒群受剪或受拉而被对方带走是造成粘结磨损的原因。粘结磨损在两材料的接触面上,不论在软材料一边还是硬材料一边,都可能发生。同时,刀具材料往往有组织不均!存在内应力!微裂纹以及空隙!局部软点等缺陷,所以刀具表面也常常发生破裂而被工件材料带走形成粘结磨损。1.2 氧化磨损 在高速切削过程中,当切削区的温度比较高时,气体介质靠相互间的化学作用力渗入刀具和工件材料的摩擦表面,于是摩擦表面形成的氧化膜也可能在接触区形成裂纹和缩孔。如果氧化膜
22、与刀具和工件表面的结合强度低,那么氧化膜就很快为摩擦所破坏,然后重新形成。这样就建立了一个氧化膜不断破坏又不断重新生成的稳定的动态平衡过程。当氧化速度超过摩擦面所发生的其他过程速度时,刀具产生的磨损即为氧化磨损。1.3 剥落与崩刃剥落和崩刃是指在刀具的前刀面上或后刀面上剥落一块贝壳状碎片,经常是连切削刃一起剥落。崩刃是指在切削刃上产生小的缺口。剥落与崩刃等实际上都是属于刀具的脆性磨损,是一种非正常的磨损。性质较脆的刀具材料(如陶瓷刀具材料和硬质合金刀具材料)在大多数情况下都会产生这种现象。特别是在重型切削或有冲击(如断续切削)的情况时,崩刃和破碎更为常见。1.4 扩散磨损刀具涂层技术理论研究-
23、 5 -扩散磨损是指刀具材料和工件材料在高温下相互扩散而造成刀具的磨损。例如在很高的切削温度下,硬质合金材料同被切削材料钦合金的接触硬度比很大,这样导致切削力显著减小；但是在高的接触温度下,大的塑性变形使两金属接触十分紧密,促进了刀具和被切削金属间的固体互相溶解。扩散磨损常常伴有接触表面层中成分的分解,工件材料和刀具材料成分之间的相互扩散。研究解决这些磨损机理,归根到底就是要研究切削过程中刀具的应力分布和温度分布情况,找出发生磨损的薄弱环节,通过先进的表面工程技术阻止或减缓以上磨损现象的发生,从而达到延长刀具寿命的目的。2 国內外刀具涂层技术的现状刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积(CVD)技
24、术和物理气相沉积(PVD)技术两大类,分别评述如下 7。2.1 国外 CVD 技术的发展二十世纪六十年代以来,CVD 技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。由于CVD 工艺气相沉积所需金属源的制备相对容易,可实现TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3 等单层及多元多层复合涂层的沉积,涂层与基体结合强度较高,薄膜厚度可达 7-9Lm,因此到八十年代中后期,美国已有 85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理,其中 CVD 涂层占到 99%；到九十年代中期,CVD 涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占 80%以上。尽管 CVD 涂层具有很好的耐磨性,但 CVD 工艺亦有其
25、先天缺陷:一是工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部呈拉应力状态,易导致刀具使用时产生微裂纹；三是 CVD 工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染,与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触,因此自九十年代中期以来,高温 CVD 技术的发展和应用受到一定制约。MT-CVD 涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用,其寿命可比普通涂层刀片提高一倍左右。2.2 国外 PVD 技术的发展PVD 技术出现于二十世纪七十年代末,由于其工艺处理温度可控制在 500e 以下,因此可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。由于采用 PVD 工艺可大幅度提高高速钢刀具的切削性能,所以该技术
26、自八十年代以来得到了迅速推广,至八十年代末,工业发达国家高速钢复杂刀具的 PVD 涂层比例已超过 60%。PVD 技术在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视,人们在竞相开发高性能、高可靠性涂层设备的同时,也对其应用领域的扩展尤其是在硬质合金、陶瓷类刀具中的应用进行了更加深入的研究。研究结果表明:与 CVD 工艺相比,PVD 工艺处理温度低,在 600e 以下时对刀具材料的抗弯强度无影响(试验结果见表 1)；薄膜内部应力状态为压应力,更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD 工艺对环境无不利影响,符合现代色制造的发展方向。随着高速切削加工时代的到来,高速钢刀具应用比例逐渐下降
27、、硬质合金刀具和陶瓷刀具应用比例上升已成必然趋势,因此,工业发达国家自九十年代初就开始致力于硬质合金刀具 PVD 涂层技术的研究,至九十年代中期取得了突破性进展,PVD 涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理目前 PVD 技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度,涂层成分也由第一代的 TiN 发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx 等多元复合涂层。这种新涂层与基体结合强度高,涂层膜硬度接近 CBN,抗氧化性能好,抗剥离性强,而且可显著改善刀具表面粗糙度,有效
28、控制精密刀具的刃口形状及精度, 刀具涂层技术理论研究- 6 -2.3 我国 CVD 技术的发展我国从二十世纪七十年代初开始研究 CVD 涂层技术,由于该项技术专用性较强,国内从事研究的单位并不多。八十年代中期,我国 CVD 刀具涂层技术的开发达到实用化水平,工艺技水平与当时的国际水平相当,但在随后的十多年里发展较为缓慢(与国外研究状况类似)；九十年代末期,我国开始 MT-CVD 技术的研发工作,MT-CVD 工艺及装备的研究开发预计可在2001 年内基本完成,根据研究目标,工艺技术及设备将达到当前国际先进水平；我国 PCVD技术研究始于九十年代初,PCVD 工艺技术主要用于模具涂层,目前在切削
29、刀具领域的应用还十分限。总体而言,国内 CVD 技术的总体发展水平与国际水平差距不大,待 MT-CVD 技术开发成功,我国在刀具 CVD 涂层领域的整体水平将可与国际先进水平基本保持同步。2.4 我国 PVD 技术的发展我国 PVD 涂层技术的研发工作始于八十年代初期,至八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机,并开发了高速钢刀具 TiN 涂层工艺技术。在此期间,由于对切削刀具涂层市场前景看好,国内共有七家大型工具厂从国外引进了大型 PVD 涂层设备(均以高速钢 TiN涂层工艺为主)。技术及设备的引进调动了国内 PVD 技术的开发热潮,许多科研单位和各大真空设备厂纷纷展开了大型离子镀膜机的
30、研制工作,并于九十年代初开发出多种 PVD 涂层设备。但由于多数设备性能指标不高,无法保证刀具涂层质量,同时预期的市场效益未能实现,因此大多数企业未对 PVD 刀具涂层技术作进一步深入研究,导致近十年国内 PVD 刀具涂层技术的发展徘徊不前。目前国外刀具 PVD 涂层技术已发展到第四代,而国内尚处于第二代水平,且仍以单层 TiN 涂层为主。3 涂层材料的特点及要求3.1 涂层材料的特点涂层的特点是涂层薄膜与刀具基体相结合,提高刀具的耐磨性而不降低基体的韧性,从而降低刀具与工件的摩擦因数,延长刀具的使用寿命。此外,由于涂层自身的热传导系数比刀具基体和加工材料低得多,可以有效减少摩擦所产生的热量,
31、形成热屏蔽,改变热量的散失途经,从而降低刀具与工件、刀具与切屑之间的热冲击和力冲击,有效地改善了刀具的使用性能。刀具磨损机理研究表明,在高速切削时,刀刃温度最高可达 900e,此时刀具磨损不仅是机械摩擦磨损(刀具后面磨损的主要形式),还有粘结磨损、扩散磨损、摩擦氧化磨损(刀具刀刃磨损及月牙洼磨损的主要形式)和疲劳破损,这 5 种磨损直接影响刀具的使用寿命。而刀具涂层所起的作用表现为: 1)在刀具与被切削材料之间形成隔离层； 2)通过抑制从切削区到刀片的热传导来降低热冲击； 3)有效减少摩擦力及摩擦热。刀具通过涂层处理,实现固体润滑,减少摩擦和粘结,使刀具吸收热量减少,从而可承受较高的切削温度
32、【8】 。3.2 涂层材料的要求刀具表面的硬质薄膜要求: 1)硬度高,耐磨性能好； 2)化学性能稳定,不与工件材料发生化学反应； 3)耐热耐氧化,摩擦因数低,与基体附着牢固等。单一涂层材料很难全部达到上述技术要求。例如,碳化钛(TiC)是一种高硬度耐磨化合物,有着良好的抗摩擦磨损性能；氮化钛(TiN)的硬度稍低,但却有较高的化学稳定性,且能大大减少刀具与被加工工件之间的摩擦因数。但两者的单一涂层均很难满足高速切削对刀具涂层的综合要求,故往往制成多元刀具涂层技术理论研究- 7 -复合涂层,配制成较理想的刀具涂层材料。如:TiCN 兼有 TiC 和 TiN 的综合性能,其硬度高于 TiC 和 Ti
33、N,可降低涂层的内应力,提高涂层的韧性,增加涂层的厚度,阻止裂纹的扩散,减少刀具崩刃,显著提高了刀具的使用寿命。单一涂层向多元复合涂层的发展把不同的涂层材料所具有的优良特性结合起来,这些特性包括:由中间层提供高的热稳定性,由最上层提供高硬度,或者由软的或固态自润滑层的最上层提供低的摩擦因数 【9】 。4 刀具涂层技术综述涂层成分能否在涂层刀具上发挥应有的性能,除了涂层与基体的结合强度、涂层及界面组织结构、择优取向、各单层厚度及总厚度等决定涂层刀具性能的重要因素外,在很大程度上还取决于涂层工艺的技术水平,因为刀具材料表面的物理、化学、力学性能严重影响现代切削加工的顺利进行。因此,涂层制备工艺至关
34、重要。常用的刀具涂层工艺一般分为化学气相沉积(CVD)、中温化学气相沉积(MTCVD)、物理气相沉积(PVD)、离子辅助沉积技术( IBAD)、等离子增强化学气相沉积技术(PECVD)以及溶胶-凝胶法(Sol-GelMethod)。4.1 化学气相沉积涂层化学气相沉积涂层(CVD)是使挥发性化合物气体发生分解或化学反应,并在被镀工件上沉积成膜的方法。其基本原理是沉积物以原子、离子、分子等原子尺度的形态在材料表面沉积,形成金属或化合物的涂层。这一涂层的沉积必须在一定的能量激活条件下进行,经过物料气化,扩散到基体表面并在基体表面发生反应形成覆盖层 10。4.1.1 高温化学气相沉积涂层的优点 1)
35、其所需涂层源的制备相对容易； 2)可实现 TiC、TiN、TiCN、TiB、Al2O3 等单层及多元复合涂层； 3)涂层与基体之间具有很高的结合强度,薄膜厚度可达 7-9Lm； 4)涂层具有良好的耐磨性能。4.1.2 高温化学气相沉积涂层的缺点1)涂层是在 1 000e 以上的温度下沉积而成,由于涂覆温度高,使涂层与基体之间容易产生一层脆性的脱碳层(G 相),导致刀具脆性破裂,抗弯强度大大下降； 2)涂层内部为拉应力状态,使用时容易产生微裂纹,影响刀具性能； 3)CVD 工艺在涂层过程中排放的废气、废液会造成环境污染,与国家所提倡的绿色制造、绿色工业相左,从 20 世纪 90 年代中后期以来,
36、高温气相沉积技术的发展和应用受到了一定的制约。目前,顺应时代潮流,发展中低温的化学气相沉积涂层(MTCVD),其机理与高温化学气相沉积涂层的机理相同,只是前者的涂层比后者的涂覆温度低一些,仅为 700-900e,趋于向低温、高真空的方向发展。4.1.3 中温化学气相沉积涂层优点1)沉积速度快； 2)涂层厚且均匀； 3)涂层附着力高； 4)内部残余应力小。采用MTCVD 技术获得的致密纤维状结晶形态结构的涂层具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性,例如用 MTCVD 技术沉积 TiCN,可得到较厚的细晶纤维状结构,涂层厚度可达 CVD 技术涂层厚度的 1. 5 倍,且为半粘结状态,有效地改善了刀具在连续切削条件下的抗崩刃性。而且,MTCVD技术沉积形成的单相 A-Al2O3 显微晶相结构,一改传统氧化铝涂层(A-Al2O3 与 C-Al2O3 的混合相结构)表面不光滑、热稳定性差的弊端,表面光滑,热稳定性好,抗扩散磨损好。目前广泛应用于各类硬质合金刀具。其涂层工艺的主要发展阶段及应用领域。4.2 物理气相沉积涂层
