1、数控涂层刀具技术的进展【摘要】：当前，全球经济正处在一个根本性的变革时期，制造业已发生了革命性转变，以数控机床为基础的现代制造技术正朝着高速干式切削加工方向迈进。在该领域中，切削刀具制造技术的发展至关重要。现代化的金属切削加工，对刀具的要求是高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。由于刀具涂层技术可大幅度提高刀具的综合性能，使刀具切削性能有了重大突破，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，硬质薄膜表层有具有高耐磨性和低摩擦系数，从而使刀具的性能大大提高。尤其是近年来超硬薄膜设计概念的提出，在理论上有效地改善刀具的高温性能，使涂层刀具
2、应用于高速干式切削加工成为可能。【Abstract】：At present, the global economy is in a fundamental period of change, the manufacturing sector have taken place in a revolutionary shift, CNC machine tools based on modern manufacturing technology is moving high-speed dry machining direction. In the field, cutting tools and
3、 manufacturing technology development. Modern metal cutting tool requirements for high cutting speed, high feed rate, high reliability, long life, high accuracy and good cutting control. Tool coating technology can significantly improve tool performance, tool cutting performance has been a major bre
4、akthrough, and it tool substrate and the film surface of the hard substrate to maintain a good toughness and high strength, rigid film surface with high wear resistance and low coefficient of friction, and thus greatly improve the performance of the tool. Especially in recent years superhard film de
5、sign concept proposed to improve the high temperature performance of the tool, coated tools used in high-speed Dry Cutting it possible in theory.【关键词】：刀具涂层 切削效率 涂层材料 CVD Keywords: tool coating Cutting efficiency Coating material CVD【引言】：自20世纪70年代初硬质涂层刀具问世以来，化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术相继得到发展，为刀具性能的提高
6、开创了历史的新篇章。涂层刀具与未涂层刀具相比，具有显著的优越性：它可以提高加工效率，提高加工精度，延长刀具使用寿命，从而保证加工件的质量，降低加工成本。 【正文】CVD 涂层技术的进展过去，硬质合金刀具表面涂层采用高温化学气相沉积(HTCVD)工艺。在常压或负压的沉积系统中，将纯净的 H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等气体根据沉积物的成分，按一定配比均匀混和，依次涂到具备一定温度(一般为10001050)的硬质合金刀片表面，即在刀片表面沉积TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它们的复合涂层。直到现在，HTCVD 仍是使用最多的工艺方法，除 HTCVD外，还有等离子体化学气
7、相沉积(PCVD)工艺，它是在硬质合金刀具(刀片)表面涂层的另一种方法，因这种涂层工艺温度较低(700800)，故刀片的抗弯强度降低。因为 TiC 与基体材料的线膨胀系数最接近，通常用 TiC 薄层先涂在基体表面上，外面再涂 TiN、Al2O3，如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN 等。刀具表面的硬质薄膜对材料有如下要求：硬度高、耐磨性能好；化学性能稳定，不与工件材料发生化学反应；耐热耐氧化，摩擦系数低，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。涂层材料的发展，已由最初的单一 TiN 涂层、TiC 涂层，经历了 TiC-Al2O3-TiN 复合涂层和 T
8、iCN、TiAlN 等多元复合涂层的发展阶段，现在最新发展了 TiN/NbN、TiN/CN，等多元复合薄膜材料，使刀具涂层的性能有了很大提高。 硬质涂层材料中，工艺最成熟、应用最广泛的是 TiN。目前，工业发达国家 TiN 涂层高速钢刀具的使用率已占高速钢刀具的50%-70%，有的不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90%。由于现代金属切削对刀具有很高的技术要求，TiN 涂层日益不能适应。TiN 涂层的耐氧化性较差，使用温度达500时，膜层明显氧化而被烧蚀，而且它的硬度也满足不了需要。 TiC 有较高的显微硬度，因而该材料的耐磨性能较好。同时它与基体的附着牢固，在制备多层耐磨涂层时，常将 TiC
9、作为与基体接触的底层膜，在涂层刀具中它是十分常用的涂层材料。 TiCN 和 TiAlN 的开发，又使涂层刀具的性能上了一个台阶。TiCN 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。将 TiCN 设置为涂层刀具的主耐磨层，可显著提高刀具的寿命。TiAlN 化学稳定性好，抗氧化磨损，加工高合金钢、不锈钢、钦合金、镍合金时，比TiN 涂层刀具提高寿命34倍。在 TiAlN 涂层中如果有较高的 Al 浓度，在切削时涂层表面会生成一层很薄的非品态 Al2O3，形成一层硬质惰性保护膜，该涂层刀具可更有效地用于高速切削加工。掺氧的氮碳化钛 TiCNO 具有很高的显微硬
10、度和化学稳定性，可以产生相当于 TiC+Al2O3复合涂层的作用。一些过渡金属氮化物、碳化物、硼化物以及它们的多元复合化合物，有的具有相当高的硬度，这些材料都可以开发出来应用于涂层刀具，将会使涂层刀具的性能有新的突破。 PVD 涂层技术的进展早期，PVD 涂层均采用“真空蒸镀法 ”，膜层往往不均匀，与基体的结合不够牢固，后发展了 “真空磁控溅射法” 和“ 真空等离子镀工艺” ，效果很好。现在刀具表面涂层主要用后两种方法。早年，PVD 涂层只用于高速钢刀具，涂层材料几乎只用 TiN 一种。后来，改进了涂层工艺，发展了多种涂层材料和多层涂层，在硬质合金刀具上也得到了大量的应用。涂层效果比以往大有进
11、步。TiN 涂层材料仍在使用，新兴的涂层材料是 TiAlN 和 AlTiN，其使用效果优于 TiN。欧洲的 PVD 涂层技术水平最高，领先于其他国家和地区。知名的厂商有欧瑞康巴尔查斯(OerlkonBalzers)公司、德国 PVT 等离子真空技术公司和丹麦尤尼莫克(Unimerco)公司等。他们的 PVD涂层设备和工艺先进，涂层材料品种多，涂层刀具和其他产品使用性能好。国外一些知名的高速钢和硬质合金工具厂，都有涂层刀具(刀片)产品，但涂层设备和工艺多购自涂层技术的专业公司，或与之合作，而不是自行研制。据悉，瑞典山特维克公司和以色列伊斯卡公司的 PVD 涂层设备都是从欧瑞康巴尔查斯公司购进的。
12、中国也应当这样做，这是一条既好又快的道路。例如，中国哈尔滨第一工具厂和德国 PVT 公司合作，成立了哈一工普威特镀膜合资股份公司。欧瑞康巴尔查斯公司在全球设有77个涂层中心，在中国苏州、天津和汉江各设有一个中心，中国邻近城市和地区的工具厂家，其涂层产品多在上述中心进行涂层。湖南株洲硬质合金厂和四川自贡长城硬质合金厂的涂层设备都是从国外引进的。低压气相合成金刚石薄膜的应用金刚石和石墨是同素异形体，金刚石品体是立方品系，属 Fd3m 空间群；而石墨是六角品系，属R3m 空间群。由于原子之间的键合方式不同，使其性能差异十分巨大。从热力学的理论来看，石墨比金刚石更稳定。低压气相生长金刚石，在碳的相图中
13、，是在石墨为稳态而金刚石为亚稳态的区域中进行。然而，由于两相的化学势十分接近，两相都能生成。低压气相合成金刚石的关键技术是抑制石墨相，促进金刚石相生长。常用的合成方法有热丝法，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，包括微波 PCVD、电子回旋共振 ECRPCVD、直流和射频 PCVD 等方法，直流和高频电弧放电热等离子体法等。反应过程中输入的能量(如射频功率、微波功率等)、反应气体的激活状态和最佳配比、沉积过程的成核模式等，对于生成金刚石膜有决定性作用。衬底材料的晶型和点阵常数对金刚石膜成核生长影响很大，当金刚石相和石墨相在衬底上同时成核时，石墨相就会迅速生长。如果存在高浓度的原于氢就会对长
14、出的石墨相起腐蚀作用而将石墨相除去，虽然它也能对金刚石相起腐蚀作用，但速度却慢得多，从而达到抑制石墨相生长的目的。许多沉积金刚石薄膜的温度要求为600-900，因此该技术常用于硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜。 立方氮化硼 CBN 薄膜技术尚待突破 与人工合成金刚石薄膜相比，人工合成 CBN 薄膜的研究工作开展得较晚。 BN 有 3 种异构体： CBN立方品系闪锌矿结构，F43m 空间群；hBN 六方品系石墨结构，P6/mmc 空间群；wBN 六方品系纤锌矿结构，P63mc 空间群。3 种异构体的性能差别很大，hBN 具有与石墨极为相似的结构，质地很软。而 wBN 和 CBN 中， B、N 原子
15、都要被此形成四配位结构，它们都是超硬材料。用高温高压方法得到的 CBN 是颗粒状晶体，最高显微硬度可达84.3GPa，CBN 薄膜的最高显微硬度为 61.8GPa，其综合性能并不亚于金刚石薄膜。CBN 在硬度和导热率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至 1000也不发生氧化。CBN 对于铁族金属具有极为稳定的化学性能，与金刚石不宜加工钢材不同，它可以广泛用于钢铁制品的精加工、研磨等。CBN 涂层除具有优良的耐磨损性能外，还可以在相当高的切削速度下加工耐热钢、钛合金、淬火钢，能切削高硬度的冷硬轧辊、掺碳淬火材料和对刀具磨损非常严重的 Si-Al 合金等。低压气相合成 CBN 薄膜的方法
16、主要有 CVD 和 PVD法。 CVD 包括化学输运 PCVD，热丝辅助加热 PCVD、ECR-CVD 等；PVD 则有反应离子束镀、活性反应蒸镀、激光蒸镀离子束辅助沉积法等。 CBN 的合成技术，在基础研究和应用技术方面都还有不少工作要做，包括反应机制和成膜过程、等离子体诊断和质谱分析、最佳工艺条件的确定、高效率设备的开发等。 怎样提高涂层刀具的使用效果 刀具材料的选用决定于切削条件，也决定于哪个面将被重磨。例如，如果刀具的前刀面被重磨，使用含钻的高速钢会更有利，因为在刀具前刀面无涂层之后，这种钢更耐月牙洼磨损。刀具材料的进步，出现了高速钢、硬质合金、各种增韧陶瓷、铣基金属陶瓷、聚品金刚石和
17、 cBN 等材质刀具的使用，大大提高了金属切削的加工效率。每种材料的刀具有各自的优缺点，因而有特定的用途。 涂层刀具对刀具几何形状提出了新的要求。一般认为，刀具几何形状的改进，如前角、排屑空间等，应集中在排屑能力上，以适应在更高的进给量和更高的速度下切削量的增加。涂层刀具有较高的加工效率，它允许有较高的进给量和切削速度(可增至原切削速度的 2-3 倍)。对于难加工材料，涂层对刀具性能改善较大。 具有超硬涂层的刀具之所以磨损量小，是由于膜层超硬化合物的硬度高、熔点高、热化学稳定性优良所致。超硬化合物多为过渡金属的氮化物、碳化物和硼化物所组成。它们以强大的共价键结合，具有很低的标准生成自由能，构成
18、了十分稳定的体系，在高温下硬度也不显著降低。这些膜层较之硬质合金和高速钢等刀具材料显示出更高的耐机械磨损和耐热磨损等方面的能力。 镀膜条件、工艺参数、镀前基体预处理等对于优质涂层的制取是非常重要的。刀具表面的状态对涂层的附着力至关重要，被镀工件表面必须没有其它膜层、烧斑、锈斑、油污或其它沾污。工件要经过严格的喷砂和去油清洗，在真空中生长硬质膜前还要进行离子轰击清洗。不同涂层材料的刀具，使用效果是不一样的。低速切削，TiC 涂层占有优势；高速切削，TiN 较合适；HfN 的热化学稳定性比 TiN 更高，适合于在更高的切削速度下工作。TiN 和 A1203 涂层相比，高速切削时 A1203 涂层占
19、有明显优势，而低速切削时 TiN 涂层刀具的使用寿命更长。 刀具寿命与膜厚也有一定的关系。若以后刀面磨损为基准，随膜厚增加刀具寿命也会增加，但膜厚为 5m 时达到饱和，即寿命不再明显增加；但如果以前刀面月牙洼深度为刀具寿命的基准，刀具寿命与膜厚成正比，未发现饱和现象。膜层太厚时易引起剥离，现在车刀的涂层厚度多为 5m-10m。 对于铣刀的硬质涂层，膜厚的影响却不相同。对钢制工件进行铣削加工时，无论采用哪种膜层，膜厚大约 2m 时刀具寿命最长，膜厚再增加时寿命反而下降。但是对冲击作用较小的铸铁等进行加工时，最佳膜厚向更厚的方向变化。在铣削中，TiC 涂层具有最好的效果，而 Al2O3 涂层却显示
20、不出在车削加工中的优势。 硬质合金刀具通常采用 CVD 法镀膜，但 PVD 镀膜处理几乎不造成刃口强度下降， PVD 镀层硬质合金铣刀比 CVD 镀层更耐用。对于一般高速钢刀具的耐磨损性能， CVD 涂层要优于 PVD 涂层，但精密的、形状复杂、价格昂贵、不可重磨的高速钢刀具多为 PVD 镀膜。 要提高涂层刀具的使用效果、充分发挥硬质涂层的作用是一相当复杂的技术。为了达到优化组合，建立涂层刀具数据库，对不同的工件，通过计算机来选择刀具涂层材料和加工参数，情况就变得简单而有效，从而真正达到优质、高效、低成本的加工目标。【参考文献】1. 王西彬 机械工程学报 2000 第 8 期2. 贾晓鸣 王宝中 冯喜京 润滑与密封 2002 第 6 期3. 任家隆 新技术新工艺 2002 第 5 期4. 张广文 曾庆良 陈玉良 轻工机械 2004 第 2 期
