刀具的表面涂层技术

刀具的表面涂层技术（精选4篇）

刀具的表面涂层技术 篇1

1 引言

金刚石涂层刀具的涂层表面光滑度和涂层粘结力的提高是涂层刀具质量改善的两大课题[1]。作为新型刀具涂层材料, 金刚石涂层材料在切削时与刀具基体材料——硬质合金之间的粘结力大小是影响刀具表面涂层材料使用寿命的关键因素。热丝CVD沉积工艺制备金刚石涂层刀具时, 涂层与刀体之间的粘结力的提高、涂层厚度均匀性的改善是目前进行工艺改善的主要方向, 因为这两项指标直接关系着涂层刀具的切削性能及可靠性, 也是金刚石涂层刀具实现产业化必须面对的重要课题。

国内外学者对热丝CVD法金刚石涂层工艺进行了大量研究, 对金刚石涂层各项性能的测定进行了多方面的探索, 为金刚石涂层刀具的研究进展积累了丰富经验, 并取得了许多可贵的技术成果。但是对有关CVD法制备金刚石涂层的耐磨性能和失效机理方面的研究, 目前还处于起步阶段, 且CVD法制备金刚石涂层的评价体系尚未形成, 因而这方面的研究是值得进一步深入的。

以硬质合金作为刀具涂层的基底材料时, 硬质合金材料中钴元素的存在会对金刚石的沉积产生抑制效应, 具体表现在影响金刚石的形核以及促进金刚石相向石墨相转化。进行预处理工艺时, 应以提高基体材料表面激活能、增强金刚石涂膜与基体材料的粘结强度、缩小基体材料与金刚石涂膜之间的热膨胀系数、增大基体材料与碳源气体之间的有效接触为考量。因此, 对硬质合金刀体表面进行预处理首先就要去除其表面的钴元素。

2 酸碱两步预处理法原理

采用酸碱法对硬质合金基体表面的钴元素进行腐蚀处理。首先采用Murakami法 (氢氧化钾与铁氰化钾混合溶液) 移除硬质合金基体表面的WC, 然后利用浓硫酸与双氧水的混合溶液去除基体表面的 元素。元素作为硬质合金材料中的粘结剂, 在热丝CVD法制备金刚石涂层工艺中对石墨的生长有促进作用, 却不利于金刚石的沉积, 影响涂层材料与刀具基体之间的粘结力[2]。图1所示为Co的催石墨作用示意图。

3 实验方法

首先是碱洗, 氢氧化钾和铁氰化钾是用来腐蚀硬质合金表面碳化钨的碱性溶质, 配取不同浓度两种溶质的溶液三组, 编号为J1、J2、J3。然后是酸洗, 浓硫酸和双氧水是用来腐蚀硬质合金表面粘结剂Co的强酸, 配取两者不同组分的溶液三组, 编号为S1、S2、S3。表1所示为酸碱法实验中所需溶液的配比对照表。最后是酸洗, 将三组刀具D1～D3、D4～D6、D7～D9分别浸入强酸溶液中浸泡15s。酸洗过程中刀具浸泡部位产生大量气泡, 并释放大量热量。在碱洗完成后和酸洗完成后, 需要各穿插一步超声波清洗的工艺, 以完全清除硬质合金表面的溶液残留。

碱处理的目的是对硬质合金表面的WC进行腐蚀, Co不会参加与碱溶液的反应, 具体化学反应方程式如下:

酸溶液中, 硬质合金中的粘结剂Co会发生反应, 具体反应方程式如下:

Co+H2SO4→CoSO4+H2↑。 (4)

对9把刀的表面进行扫描电镜SEM拍摄, 分析酸碱两步法后刀具表面形貌的差异。9个样品的反应结束后表面形貌的SEM对比图见图2。

对D3、D6、D9号样品进行热丝CVD法沉积金刚石薄膜。反应过程中, 控制通入沉积室内的丙酮/氢气体积分数为1%～3%, 控制反应室内压强为6kPa, 加热热丝温度升至2 000℃, 沉积工艺进行5h。利用SEM扫描电子显微镜观察9份样品表面的金刚石成核密度。图3所示为9个样品在不同预处理工艺条件下金刚石沉积效果的SEM照片。

4 实验结果分析

由图3中可以发现:D1、D2、D3号样品的碱处理时间较短 (低于45min) , 随着样品碱处理时间的延长, D4、D5、D6号样品表面的腐蚀程度提高, 表面粗糙度上升。进行沉积金刚石后, 金刚石的成核密度也在逐步增加 (由106cm-2逐次增加到107cm-2、108cm-2和109cm-2) 。其中尤其以D5、D6号样品成核密度的提高最为明显, 金刚石晶体几乎遍布样品表面, 这说明当控制酸碱两步法的处理时间在35min左右时, 是较为适合金刚石沉积的预处理时间。随着预处理时间的进一步延长, 样品表面粗糙度进一步提高, 而在其表面进行沉积金刚石涂膜后发现, 这一提高反而引起了成核密度的下降 (下降至105cm-2左右) , 图中可以看到金刚石晶体的积聚。这就说明酸碱两步法的反应时间过长对金刚石形核也有消极影响。

5 结语

(1) 通过对硬质合金涂层刀具的磨损及失效形貌做出了初步分析, 并提出了一种适合对硬质合金YG6进行表面预处理的工艺安排, 可以确定碱溶液中氢氧化钾、铁氰化钾与水的最佳配比为1∶1∶10, 硫酸与双氧水的最佳配比为3∶7。

(2) 根据对涂层后SEM照片的分析, 得出了适合于YG6表面去Co预处理方案的最佳工艺参数安排, 即利用酸碱两步法对硬质合金YG6表面进行处理的最佳工艺安排为碱处理时间45min左右, 酸洗时间为15s左右。

参考文献

[1]戴达煌, 周克崧.金刚石薄膜沉积制备工艺与应用[M].北京:冶金工业出版社, 2001.

[2]王季陶.非平衡定态相图[M].北京:科学出版社, 2000.

刀具的表面涂层技术 篇2

关键词：强流脉冲电子束,TiAlN涂层刀具,力学性能,切削性能

随着制造技术的高速发展, 汽车、航天、模具等行业对刀具的切削性能提出了更高要求, 高转速、小切深、大进给的加工技术要求对涂层刀具需求量日益提高[1]。TiAlN涂层刀具作为一种新型涂层刀具, 具有更为优异的硬度、耐磨损和抗高温氧化性能, 逐步替代了TiN涂层刀具[2]。但是, 由于TiAlN硬质涂层存在着很大的残余应力、表面液滴数量较多、涂层致密性差等缺点[3], 因而极大地影响涂层的微观结构和力学性能, 从而使其涂层的质量显著降低。因此, 采用TiAlN涂层刀具后处理的方法在刀具涂层完毕之后进行相应的表面处理以提高涂层性能, 不仅可以提高涂层表面的硬度和耐磨性, 而且可以降低涂层的残余应力, 提高涂层的表面光洁度, 使刀具在切削过程中的切削阻力明显减小, 提高加工效率。目前, 涂层刀具的后处理方法主要有激光表面处理、深冷处理、抛光处理技术[2]等, 但是, 由于这些方法存在控制温度准确、处理时间较长等缺点, 还未在工业生产中受到足够重视。

强流脉冲电子束 (High Current Pulsed Electron Beam, HCPEB) 作为一种新兴的高能束表面处理技术[4,5,6,7,8], 具有能量利用率高、加热和冷却速率快、定位准确、参数易于调节等优势。近年来, 宋振飞等[9]采用强流脉冲电子束对热障陶瓷涂层进行表面后处理, 涂层性能得到改善。Anthony等[10]对PVD沉积的TiN涂层硬质合金刀具采用不同束流密度进行电子束的后处理, 研究发现, 表面会出现一定裂纹, 但残余应力减小, 涂层致密度很高。束流密度在3J/cm2时可以大幅降低后刀面磨损, 明显提高了刀具的切削性能。本工作采用在不同的电子束能量条件下, 对TiAlN涂层刀具进行表面后处理, 研究不同的轰击次数对涂层表面性能的影响, 并在不同切削速率下测试涂层刀具的切削性能, 最终获得最佳的工艺参数及表面质量良好的TiAlN涂层刀具。

1 实验材料及过程

选取硬质合金TiAlN涂层刀具作为实验样品, 该样品是具有nc-TiAlN涂层和超细颗粒的WC-Co相强韧性基体, TiAlN晶粒尺寸约为50nm, 涂层厚度约为4μm。采用SOLO-HCPEB强流脉冲电子束设备对硬质合金刀具涂层进行轰击实验。刀具TiAlN涂层处理工艺参数:加速电压13kV, 脉冲电流180A/cm2, 脉宽5μs, 平均能量密度6J/cm2, 脉冲频率1Hz。轰击位置选择在刀具表面距刀尖处的前刀面, 轰击次数分别为0, 20, 30, 40次。

利用Ultima IV型X射线衍射仪 (XRD) 、S-3400N型扫描电子显微镜 (SEM) 、FM-300超微载荷显微硬度计和TR100粗糙度仪等观察样品的物相组成和表面形貌, 并检测显微硬度和样品的表面粗糙度。在普通车床上进行TC4钛合金 (HRC30) 切削实验, 并测量切削不同轴向长度时刀具后刀面最大磨损量VBmax, 一般失效标准取0.3mm[11], 并分析比较轰击前后涂层刀具的切削性能。

2 结果与分析

2.1 轰击次数对TiAlN涂层微观结构的影响

图1为不同轰击次数下硬质合金刀具TiAlN涂层的表面形貌。可以看出, 原始刀具涂层表面比较平整, 粗糙度经检测为0.28μm (图1 (a) ) ;经脉冲电子束轰击20次后 (图1 (b) ) , 表面粗糙度为0.24μm, 表面组织致密。而40次轰击则使刀具涂层大部分脱落 (图2 (d) ) , 暴露出基体, 表面粗糙度升高, 达到0.26μm。由温度场模拟结果[9]显示, 电子束轰击材料表面, 位于表面下的亚表层能量沉积最大, 亚表层首先形成熔坑喷发。但由于涂层材料热导率低的特点, 在较短时间内电子束轰击在涂层材料表层, 累积的能量来不及向深层传导, 所以涂层表层首先熔化[9,10,12]。而较少次数轰击时, 涂层表面注入能量较小, 形成了许多微小起伏, 刀具涂层表面较粗糙。随着轰击次数增加, 表层沉积的能量逐渐增多, 大部分微小起伏被烧蚀破坏, 而有一部分随着等离子体喷发, 反复熔融和烧蚀使表面起伏形态扩展, 在微区范围内呈现表面致密、光滑化特征[12,13]。

此外, 由图1还可以看出, 经轰击后的刀具涂层表面均出现了不同程度的微观裂纹, 且轰击次数增加到20次时, 微观裂纹明显减少。但随轰击次数继续增加, 微观裂纹数量又不断增加。微观裂纹的出现, 是由于强流脉冲电子束的功率密度非常高[5], 熔化层与未受到加热作用的基体之间的热传导作用, 造成涂层与基体形成很大的温度梯度产生热应力, 很容易在涂层间隙处诱发微裂纹[5,14]。随着轰击次数增多微观裂纹减少, 这是由于电子束轰击刀具涂层表面产生的冲击压应力以及热冲击作用对刀具涂层内部造成特殊的应力分布[14]。随后, 快速冷却后作用区域就会产生一定的残余应力, 在应力集中的地方而产生塑性变形, 进而导致微观裂纹的再次产生[10,14]。

图2为不同轰击次数下涂层刀具的截面形貌照片以及从刀具涂层表层向基体方向一定深度范围内的Al, W元素含量变化。可见, 随着轰击次数增多, 涂层厚度不断减小。涂层的减薄, 一方面是由于在裂纹成核和扩展过程中, 应力集中和空位扩散起主要作用, 裂纹扩展到表面就会产生涂层剥落[13];另一方面, 电子束作用在刀具涂层表面瞬间沉积巨大能量, 导致刀具涂层表面急剧升温, 并发生熔融、汽化、烧蚀现象, 造成刀具涂层表面部分TiAlN涂层发生汽化消失[5,9]。

对从刀具涂层表面向基体方向一定深度范围内的Al, W元素的定量分析结果可知, 随着轰击次数增加, 部分Al原子会扩散到基体中, 并且固溶在近涂层基体中, 起到固溶强化作用[15,16]。刀具基体和涂层界面变得模糊, 改善了刀具涂层和基体结合力。此外, 由于刀具涂层很薄, 基体中的WC和Co相也不同程度受到了连续的热冲击作用, 从图2 (b) , (c) 中发现近涂层的基体在沿着深度方向范围内产生影响, 形成空洞等缺陷, 并且, 随着轰击次数的增加, 缺陷数量也随之增加。近涂层基体缺陷的增加, 是由于HCPEB作用下瞬间实现材料表面的高能量密度沉积诱发热-力学效应, 在基体上产生冲击热应力和高强度反冲冲量, 形成由表及里传输高幅值应力波, 导致远大于电子射程的深度内富Co区域Co相发生了选择性脱落, 而WC相也会发生重熔现象[17,18]。正是由于Co相的脱落和WC相的无定型重熔, 使得涂层与涂层附近的基体产生缺陷。

2.2 轰击次数对涂层物相组成的影响

图3为不同轰击次数下TiAlN涂层的XRD图谱。可知, 原始刀具TiAlN涂层主要是由 (Ti, Al) N和Ti2AlN相组成。电子束轰击后的刀具涂层中没有新相形成, 与原始刀具涂层相比, 随着轰击次数的增加, 20次和30次的刀具涂层衍射峰逐渐宽化, 根据谢乐公式[19]计算得知, 刀具涂层表面的晶粒得到了细化, 这与一维温度场模拟所得到的结果相符[9]。同时, 从图3中还可以发现, 在经过脉冲电子束处理后, 涂层中的 (Ti, Al) N相和Ti2AlN相衍射峰有一定的高角度偏移, 偏移最严重的是30次轰击样品, (Ti, Al) N相偏移角度小于0.25°。由布拉格衍射公式[19]可知, 其晶面间距减小。这是由于电子束作用在刀具涂层表面, 在发生重熔、快速凝固过程中产生的冲击压应力, 使晶格收缩[20,21]。同时, 轰击后的 (Ti, Al) N涂层相内部也会产生残余热应力[21,22], 使晶格膨胀。因此, 脉冲电子束的多重作用使涂层 (Ti, Al) N衍射峰发生了一定的偏移。

2.3 轰击次数对TiAlN涂层刀具显微硬度的影响

采用0.49N的载荷、不同轰击次数下TiAlN涂层刀具的显微硬度测试结果如图4所示。轰击20次时的平均显微硬度HV为3114.61, 比原始样品提高了7.8%。而轰击30次和40次时显微硬度明显降低。TiAlN涂层刀具硬度的提高是由于材料表面受到电子束多次轰击后, 使涂层表面及基体内部结构发生了变化, 如快速加热冷凝、晶粒尺寸减小、存在一定的残余应力等, 这些变化的综合作用使涂层刀具表面的硬度提高[23]。然而, 当轰击次数增加到30次和40次时, 硬度有明显下降的趋势。其主要原因是, 一方面, 电子束轰击作用后的涂层刀具所产生的高硬度并非涂层的本征硬度, 涂层刀具经过多次轰击作用使得高硬度性能处于亚稳定状态, 这与文献[24]阐述的观点一致。另一方面, 涂层的高硬度还与内部残余应力状态有关, 这种快速的加热、熔化、凝固过程在热影响区所产生的残余应力, 一部分通过塑性变形产生的裂纹释放, 另一部分可以通过材料的高温蠕变来降低较高的残余应力。因而, 涂层内部产生的亚稳定状态和残余应力的释放等综合作用使得刀具的显微硬度和强度下降。

2.4 轰击前后TiAlN涂层刀具的切削性能

基于前述, 脉冲电子束轰击20次的刀具TiAlN涂层表面致密、光滑, 显微硬度有所提高, 因此, 选择轰击20次后的涂层刀具与原始涂层刀具进行钛合金切削实验对比。在切削实验中, 原始刀具的切削速率为77m/min, 脉冲电子束轰击20次后的刀具切削速率提高至88m/min, 切削速率提高了14%。对轰击前后涂层刀具的后刀面磨损量VBmax进行比较, 结果如图5所示。可见, 当轴向切削200mm时, 后刀面磨损量随着切削速率增加而明显减小。原因是电子束轰击后的涂层表面具有较小的粗糙度和高硬度等良好的力学性能, 从而在一定程度上提高了刀具表面耐磨性能。因此, 后处理后的TiAlN涂层刀具在较大切削速率下仍然保持良好的涂层质量, 切削力明显降低, 提高了加工效率, 切削性能进一步提高。然而, 随着切削速率的增加, 当刀具磨损量达到0.3mm时, 轴向切削长度由原来的950mm下降至710mm。这是因为切削速率的提高使得刀具与工件之间摩擦加剧, 刀具后刀面与加工表面、已加工表面的接触状态发生了变化, 特别是刀具后刀面发生严重磨损后, 直接影响刀具的切削温度、切削力以及加工的表面质量[25,26,27,28], 导致刀具切削寿命降低。

3 结论

(1) 经过强流脉冲电子束20次轰击后, 刀具TiAlN涂层表面粗糙度和表面微裂纹减少, 表面组织致密。但过多的轰击次数使刀具涂层不断减薄, 易对涂层刀具薄弱区域造成破坏。

(2) 脉冲电子束轰击后的刀具涂层中没有新相形成。随着轰击次数的增加, (Ti, Al) N衍射峰有逐渐宽化且峰位发生偏移的现象, 表明涂层中晶粒细化;同时, 显微硬度先小幅增加, 后急剧下降。其中, 与原始样品相比, 经20次轰击后的刀具表面硬度提高了7.8%。

精密复杂高速钢刀具涂层技术分析 篇3

精密复杂高速钢刀具有别于高速高效硬质合金可转位铣削刀具是工具行业的基本共识。可转位硬质合金刀片及涂层技术近年来发展迅速, 相关分析和报道颇多。精密复杂高速钢刀具由于刀具结构复杂、切削环境复杂, 还没有完全达到硬质合金刀片涂层技术的成熟应用, 精密复杂刀具涂层技术开发与应用有着广阔的前景。

2 精密复杂刀具材质及主要涂层方法

精密复杂刀具一般指被加工件形状复杂、专有专用机床不连续切削加工、精度要求高的复杂金属切削刀具, 一般包括:齿轮加工刀具、多齿复合结构拉削刀具、异型精密铣削刀具等, 精密复杂刀具材料一般由高性能高速钢制造。

在复杂金属切削加工方面, 高速钢刀具以其特有的综合机械性能与优良的可加工性、可成型性、可热处理及良好的强韧性等特点, 具有不可替代的复杂刀具材料而广泛应用。高速钢一般有3种选择类型:通用型、高性能、粉末高速钢。

高速钢归属于高碳、高合金工具钢。碳含量范围一般在0.7%~1.6%;W、Mo、Cr、V、Co等贵金属元素重量百分比之和在10%~40%间。根据合金元素配比的不同, 有普通及含Co、含Al、高V等高性能高速钢;而粉末冶金高速钢因改变了传统的浇铸工艺, 采用雾化制粉, 使钢水高压雾化后极快冷凝固, 合金粉末颗粒的粒度相当于一般铸锭的亿万分之一的“超细小钢锭”[1], 因此, 材料成分均匀、碳化物无偏析, 强韧性大幅提高, 尺寸稳定性好, 钢的可磨削性好。高速钢刀具材料的使用, 已由通用型逐渐向含Co等高性能高速钢及粉末高速钢方向发展。

通用型高速钢具有较高的硬度、耐磨性、红硬性及良好的韧性, M2钢 (W6Mo5Cr4V2) 是其中最具国际化的高速钢牌号, 应用也最广;M42、M35钢是我国工具行业多年以来首选的含Co高性能高速钢, 在欧美国家, M35市场占有率很高, 使用量远超过M42钢。粉末高速钢解决了碳化物偏析问题, 可实现高合金化。目前, 粉末高速钢生产主要集中在瑞典、美国、奥地利、法国、日本、前苏联等少数发达国家, 我国还不能自主生产粉末高速钢。最具代表的粉末高速钢有ASP2030、ASP2052、ASP2060等。

1970年, 美国人最早成功研制了物理气相沉积 (PVD) 工艺, 1980年代初, 高速钢刀具经过涂层的TiN产品开始在市场出现。发展到目前, 精密复杂高速钢刀具涂层仍以PVD为主, 但涂层的材料及涂层工艺已有了较大的发展。

3 刀具涂层技术分析

刀具涂层技术自从问世以来, 对刀具性能的改善和推进加工技术的进步起到了非常重要的作用, 涂层刀具已经成为现代切削刀具的一个标志符号, 在高性能高速钢刀具中的应用比例已超过80%。此外, 纳米级超薄、超多层涂层和氮化碳等新型涂层材料的开发应用速度已加快, 涂层成为改善刀具性能的主要途径。

3.1 刀具涂层分类

刀具涂层技术主要包括化学气相沉积 (CVD) 涂层技术、物理气相沉积 (PVD) 涂层技术两大类。另外还有等离子喷涂、化学涂敷法、盐浴浸镀法、热解沉积涂层等方法进行的涂层。在所有的涂层方法中, 以CVD和PVD应用最为广泛。

3.2 CVD涂层技术

CVD涂层一般采用高温工艺 (HTCVD) 。该类涂层主要用于硬质合金刀具 (刀片) 的表面涂层。化学气相沉积法大多是多层涂层。高温化学气相沉积, 通常在常压或负压的沉积环境下, 将符合沉积的气体如氢气、氮气、乙烷、二氧化碳以及TiCl4、AlCl3等根据最终沉积物的成分, 按一定配比进行均匀混合, 然后, 依次涂到硬质合金刀片表面, 在1000℃~1050℃温度范围下沉积TiC、TiN、TiCN、Al2O3等单一或复合的涂层。近来, 已发展了各种不同组合的多层涂层。涂层材料、涂层方法有多种方式的组合, 如:碳氮钛/氧化铝、碳氮钛/碳化钛/氮化钛、碳氮钛/氮化钛/碳化钛、碳氮钛/碳化钛/氧化铝、氮化钛/碳氮钛/氮化钛、碳化钛/碳氮钛/氮化钛、以及TiCN/Al2O3/TiN、TiCN/TiC/Al2O3/TiN、TiCN/Al2O3/TiCN、TiN等。根据涂层的性能特点, 多层涂层通常用TiCN或TiN作基础底层, 主要是TiCN、TiN与硬质合金基体材料有很好的结合力, 易于构筑梯度涂层结构以及易于实现梯度涂层的改进。此外, 对于硬质合金涂层, TiN的硬度提高不多, 不宜只使用TiN涂层, TiN应与TiC、TiCN、Al2O3等组合使用。目前, 国外知名大公司均有各类CVD涂层硬质合金刀片产品投放市场。

近些年, 在超硬材料涂层方面出现了新变化、新进展。如“等离子体喷射CVD法”、“热丝CVD法”等, 可实现在硬质合金基体表面沉积金刚石薄膜 (类金刚石涂层DLC) 。类金刚石涂层通过工艺控制和增加沉积时间, 可在基体或硅片衬底上沉积出0.5mm以上的厚膜, 厚膜可通过切割、钎焊在硬质合金刀片基体上使用。该类涂层切削性能好, 物理性能、力学性能大大提高, 硬度虽稍逊于天然金刚石, 但强于热压聚晶PCD金刚石, 能够实现有色金属、复合材料、非金属硬材料等的高效加工。

新近研制的硬涂层还有氮化碳涂层, 氮铬铝 (AlCrN) 涂层, TiSiN涂层, CrSiN涂层, AlCrSiN涂层, 还有其他氮化物涂层、硼化物涂层等, 这类涂层刀具有良好的高温稳定性, 涂层材料、成分不同, 性能特点和优势也不尽相同, 可适用于硬切削、高效润滑切削、超强耐氧化能力切削等。这些涂层的开发应用为高速切削刀具产业化使用奠定了基础。

3.3 PVD涂层技术

早期物理气相沉积法采用“真空蒸镀法”用于高速钢刀具涂层, 涂层材料为TiN一种。如1990年代, 哈尔滨第一工具厂引进的美国涂层设备就是采用真空蒸镀法进行氮化钛涂层。氮化钛硬度高, 可有效提高高速钢刀具表面硬度和耐磨性, 该种涂层由于可降低刀具与工件摩擦系数, 减少刀具切削积屑瘤的形成, 提高刀具寿命, 一度得到广泛的应用。然而, 由于具有TiN膜层不均匀, 与基体的结合不够牢固等缺点, 后续发展受到了明显制约。伴随PVD涂层技术进步, 开发的“磁控溅射法”、“等离子真空镀”等涂层工艺技术, 效果好于真空蒸镀法, 已基本替代了早期采用的物理气相沉积“真空蒸镀法”。

物理涂层经过多年的发展, 已成为精密复杂刀具使用前不可或缺的必备工序。PVD技术与工艺发展十分迅速, 在涂层材料、涂层设备和工艺等方面都有了巨大进步, 甚至超出了人们的想象。随着梯度纳米结构涂层的开发, 不同功能的多层、多元和复合涂层技术屡屡推出, 涂层的性能有了新的突破, 应用范围逐步扩大, 涂层新品种开发的速度明显加快。目前, 针对高速钢涂层刀具使用较多的涂层材料一般是TiAlN和AlTiN, 其使用效果优于TiN。精密复杂高速钢刀具涂层技术也由单层薄膜发展到了多层、纳米及纳米复合结构梯度涂层, 这些先进涂层技术的开发应用, 为现代切削加工核心技术体系的形成和发展起到了良好推动和保障作用, 也使人们对精密复杂刀具涂层技术未来的发展充满了美好的憧憬。

3.4 精密复杂高速钢刀具涂层发展趋势分析

“高速、高效、高稳定性、专业化”, 是精密复杂高速钢刀具的发展趋势和方向。精密复杂刀具除掌握先进设计与制造技术、应用优质刀具材料外, 刀具涂层技术已成为推动其发展进步最为关键的核心技术之一。PVD与CVD涂层技术相结合的新趋势, 开创了PVD涂层领域的新概念。CVD技术可以涂覆Al2O3涂层, 适合于粗加工、半精加工的高速、干式重型切削领域。而PVD技术开发出的物理涂层, 适合于高效高速切削的精加工领域。将PVD涂层扩展到粗加工及半精加工领域应用, 也是涂层专业人士努力的目标。

目前, PVD涂层领域的前沿开发研究已取得了突破, 实现了PVD与CVD涂层技术的相结合, 已开发出的新涂层刀具, 应用了复合涂层工艺方法, 内层涂层应用CVD法形成与基体间的高粘结能力涂层, 外层应用PVD法形成降低刀具切削力的物理气相沉积涂层, 使刀具具备高速切削的能力。在纳米复合结构涂层的实际应用方面, 已开发出了精密刀具涂层的达上百层的纳米涂层刀具。每层几纳米厚的刀具基体材料上的纳米涂层, 性能指标大幅提高, 高温硬度、强度、断裂韧性、耐磨性能提高, 纳米涂层的硬度可达HV23000以上。纵观涂层技术的发展现状, 欧洲的PVD涂层技术水平最高, 领先于其他国家。知名的厂商有德国、瑞士、丹麦等的专业涂层技术公司。这类公司从涂层设备、涂层工艺、涂层材料等各方面领先世界, 涂层刀具产品使用性能远远好于国内。国外知名工具厂大多使用购自涂层专业技术公司的涂层设备和最新工艺, 而不是自行研制[2]。这也使得欧洲的专业涂层技术公司研发新型涂层能力更强, 水平更高, 更具针对性。值得关注的是, 国外高效高性能齿轮刀具等精密复杂高速钢刀具几乎100%需要经过涂层后使用, 而中国不仅刀具涂层技术有很大差距, 涂层刀具的数量也差得很远, 精密复杂刀具采用涂层后使用的不足全部刀具20%。因此, 应大力推广应用涂层刀具, 促进切削加工和机械制造水平的提高。

4 结语

PVD涂层技术的新进展及新的高性能涂层, 显示了提高刀具性能的巨大潜力和独特优势。不同种类个性化的高性能复合涂层, 可最大化发挥和保证精密复杂刀具的高质量、高性能。我国涂层技术的研究应用与国外几乎同时起步, 但目前研发与应用水平远远落后于具有世界先进水平的涂层技术公司。因此, 振兴民族工具工业, 发展自我知识产权的工业化涂层应用技术, 具有极大的现实意义。

参考文献

[1]邓玉昆, 陈景榕, 王世章.高速工具钢[M].北京:冶金工业出版社, 2002.

刀具的表面涂层技术 篇4

近代金属切削刀具材料从碳素工具钢、高速钢发展到今日的硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼等超硬刀具材料, 使切削速度从每分钟几米飚升到千米乃至万米。随着数控机床和难加工材料的不断发展, 刀具实有难以招架之势。要实现高速切削、干切削、硬切削必须有好的刀具材料。在影响金属切削发展的诸多因素中, 刀具材料起着决定性作用。

2006年美国刀具消耗中刀片的材料消耗分别是:硬质合金占76.7%, 陶瓷刀片6.7%, 金属陶瓷刀片4.7%, cBN和PCD等超硬刀片8.8%, 其它刀片占3.1%;硬质合金刀具材料和涂层技术持续不断地发展, 使得其在现代切削中占有的市场份额越来越重, 不断地侵蚀着高速刀具的市场份额。高速钢材料也有长足的进步。对于某些刀具和加工状态而言, 高速钢刀具因具有良好的强韧性仍然占有一定份额。2003年全世界金属切削刀具 (不包括锯削刀具) 消费总额达到约110亿美元, 其中刀片和刀杆占48% (52.8亿美元) , 高速钢刀具占36% (39.6亿美元) , 整体或焊接硬质合金刀具占16% (17.6亿美元) 。