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刀具涂層技術
作者:admin 發布時間:2015-10-08 15:44:09 瀏覽次數:

在相對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TiAlN、TiC、TiN、Al2O3等)而形成的涂層刀具,是切削刀具發展的一次革命。涂層刀具與未涂層刀具相比,具有明顯的優越性:顯著降低摩擦系數,改善刀具表面的摩擦學性能和排屑能力;顯著提高耐磨性和抗沖擊韌性,改善刀具的切削性能,提高加工效率和刀具壽命;提高刀具表面抗氧化性能,使刀具可以承受更高的切削熱,有利于提高切削速度及加工效率,并擴大了干切削的應用范圍。在先進制造業中,80%以上的硬質合金刀具及高性能高速鋼刀具都采用了表面涂層技術,而CNC機床上所用的切削刀具90%以上是涂層刀具。

  刀具涂層技術自從問世以來,對刀具技術的改善和加工技術起到了越來越重要的作用,已經成為現代刀具的標志。涂層刀具是通過在韌性較好的硬質合金基體或高速鋼基體上,涂覆一薄層耐磨性高的難熔金屬化合物而獲得的,使刀具性能發生了巨大的變化。常用的涂層材料有TiC、TiN、Al2O3等,其中TiC的硬度比TiN高,抗磨損性能更好。對硬質合金,一般采用化學氣相沉積法(CVD),層積溫度為1000℃;而對高速鋼刀具,一般采用物理氣相沉積法(PVD),層積溫度在500℃左右。隨著涂層工藝的日益成熟和不斷發展,從開始的單一涂層,進入到開發多元、多層、梯度、納米涂層的新階段。

     就目前PVD技術的發展狀況,涂層薄膜結構大體可以分為單一涂層、復合涂層、梯度涂層、多層涂層、納米多層涂層、納米復合結構涂層。

  1、復合涂層是由各種不同功能或特性的涂層薄膜組成的結構,也稱為復合涂層結構膜,其典型涂層為目前的硬涂層加軟涂層,每層薄膜各具不同的特征,從而使涂層具有更好的綜合性能。
  2、梯度涂層是指涂層成分沿著薄膜生長方向逐步變化,這種變化可以是化合物各元素比例的變化,如TiAlCN中Ti、Al含量的變化,也可以由一種化合物逐漸過渡到另一種化合物,如CrN逐漸過渡到CBC碳基涂層。
  3、多層涂層由多種性能各異的薄膜疊加而成,每層膜化學組成基本恒定。目前在實際應用中多有2種不同膜組成,由于所采用的工藝存在差異,各膜層的尺寸也不盡相同,通常由十幾層薄膜組成,每層薄膜尺寸大于幾十納米,最具代表性的有AlN+TiN、TiAlN+TiN涂層等。與單層涂層相比,多層涂層可有效改善涂層組織狀況,抑制粗大晶粒組織生長。
  4、納米多層涂層結構與多層涂層類似,只是各層薄膜的尺寸為納米數量級,又可稱為超顯微結構。理論研究證實在納米調制周期內(幾納米至幾十納米),與傳統的單層膜或普通多層膜相比,此類薄膜具有超硬度、超模量效應,其顯微硬度預計可以超過40GPa,并且在相當高的溫度下,薄膜仍可保留非常高的硬度。

  正因為涂層刀具既有硬度很高、化學穩定性好、摩擦系數小的表層,不易產生擴散磨損,同時又有基體的韌性,因而切削力、切削溫度都較低,能夠顯著提高刀具的切削性能。

  因此,涂層刀具已成為現代切削刀具的主流,西方工業發達國家使用的涂層刀具占可轉位刀片的比例已由20世紀80年代的26%上升到目前的90%,新型數控機床所用的刀具中80%左右是涂層刀具。瑞典山特維克可樂滿和美國肯納(肯納官方網站,肯納產品一覽)金屬公司的涂層刀片的比例已達85%以上;美國數控機床上使用的硬質合金涂層刀片的比例為80%;瑞典和德國車削用的涂層刀具都在70%以上。

  我國涂層刀具起步晚,但進步快,其涂層網點遍布全國。有不少城市都有自己的涂層中心,并承接對外加工業務。我國從1970年代初就開始進行CVD涂層技術研究,80年代中期,我國的CVD涂層技術就已經進入實用化水平,其工藝水平也達到國際水平。總體而言,國內CVD涂層技術水平與國際水平相差不大。但我國1980年初才開始研究PVD涂層技術,目前國外刀具PVD涂層技術已發展到第四代,而國內還處于第二代水平,且仍以單層TiN涂層為主。

  進入21世紀以來,隨著制造技術的全球化趨勢,制造業的競爭也越來越激烈。在由機床、刀具、夾具和工件組成的切削加工工藝系統中,刀具是最活躍的因素。因此在高速加工技術廣泛應用于生產的今天,高性能刀具越來越受到重視并大量取代傳統刀具。雖然高性能刀具與傳統刀具相比價格昂貴,甚至是傳統刀具的10倍,但是使用高性能刀具仍然可以有效地降低生產成本。刀具材料、幾何參數及其結構是高性能刀具設計制造最重要的關鍵技術。目前,先進刀具發展迅速,各種專用高性能刀具不斷推陳出新。在刀具材料方面,超細晶粒硬質合金刀具和超硬材料刀具獲得了廣泛運用;在涂層方面,多層梯度復合涂層和高強度耐熱納米涂層也得到了長足的發展,并在航空航天、汽車船舶等領域得到應用;在刀具結構方面,將朝可轉位、多功能、專用復合刀具和模塊式方向發展。

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