刀具涂层材料的分类及研究进展.docx
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刀具涂层材料的分类及研究进展
刀具涂层材料的分类及研究进展
刀具涂层材料的分类及研究进展
摘要：
采用涂层技术可有效提高切削刀具的使用寿命,使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。
我国的刀具涂层材料经过多年发展，目前正处于关键时期，充分了解国内外刀具涂层材料的现状及发展趋势，有计划、按步骤地发展刀具涂层材料，对提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。
关键词：
涂层刀具硬度膜
Progressinthecoatingmaterialsfortoolsandtheirclassification
Abstract：
Coatingtechnologycanbeusedtoimprovetheservicelifeofcuttingtoolseffectivelyandenablethecuttingtoolstoobtainexcellentandcomprehensivemechanicalpropertiesthatwillimprovemachiningefficiencysignificantly.AfteryearsofdevelopmentcurrentcoatingmaterialsforcuttingtoolsisatacrucialperiodinChina,fullunderstandingonpresentstatusanddevelopmenttrendoftoolcoatingmaterialsbothathomeandabroad,andaplannedstep-by-stepdevelopmentofthecoatingmaterialsforcuttingtoolswill
2常用“硬”刀具涂层材料的发展与应用
随着现代工业产品中各种新型的、难加工材料的涌现以及工件加工精度的不断提高，传统的切削刀具材料在很多领域已不能满足需要，于是超硬刀具材料的开发和应用越来越得到专业技术人员的重视。
常用的超硬刀具涂层材料主要有金刚石薄膜、氮化碳涂层、TiN、TiC基涂层等，尤其是TiN、TiC基涂层应用最为广泛。
2．1金刚石薄膜
金刚石薄膜具有优异的力、热、光、电等性能以及高弹性模量和低摩擦系数，具有广泛的应用前景，特别是在金刚石涂层刀具领域，被认为是金刚石薄膜能够最先实现产业化的领域之一，受到各国科学界和有关公司的关注，各国都投入了大量人力物力进行研究。
自上世纪80年代开展金刚石薄膜研究热膜，现在，国外已有商业化的金刚石涂层刀具出售，我国虽有许多科研单位都报道在实验室成功制备出高附着力的金刚石薄膜刀具，但离产品的完全市场化还有一段距离。
关键问题是要进一步提高附着力的前提下，解决批量生产时产品质量的稳定性和可重复性问题。
另外，金刚石薄膜的应用在许多方面取得突破，金刚石涂层工具能加工非铁合金如Si－Al合金、陶瓷、纤维增强塑料和木材等，具有巨大的前景。
金刚石涂层具有一种高度小平面形的组织结构，这使得在刀片的前面呈显微粗糙的表面。
这种粗糙的金刚石小平面的作用可比喻为显微断屑器，而在刀片的后面，这种小平面会导致工件加工表面光洁度变差。
当今，汽车工业在加工硅－铝合金（特别是300系列）零件时，主要是使用金刚石涂层刀具。
金刚石涂层刀具还有望在加工金属基复合材料（MMC）、碳－碳复合材料和木材加工业等领域获得应用。
2.2氮化碳涂层
近年来，氮化碳（C3N4）作为一种新型的超硬材料，已成为有实用价值的刀具涂层材料。
对于高速钢刀具，经过C3N4涂层，对刀具耐磨性的提高极为显著，其效果超过了TiN涂层;高速钢麻花钻，经过C3N4涂层，能使其耐用度大为提高，可取代常用的TiN涂层麻花钻;硬质合金刀片（刀具），经过C3N4涂层，亦能提高刀片（刀具）的耐用度，但提高幅度不如高速钢刀具那样大。
美国物理学家A.M.Liu和M．L．Cohen首先用分子工程理论，设计出超硬无
机化合物氮化碳，根据体弹性模量的计算，可能达到金刚石的硬度。
氮化碳作为一种超硬薄膜材料，除了具有高硬度外，还有低摩擦系数、高导热性能、很好的化学稳定性和抗氧化性能，能切削加工铁族元素，作为刀具涂层材料具有广阔的应用前景。
2．3TiN、TiC基涂层
TiC是一种高硬度的耐磨化合物，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力。
TiN涂层材料是目前应用最广的一种薄膜材料，它的硬度稍低，但它与金属的亲和力和润湿性能好，在空气中抗氧化能力比TiC好，但由于它的耐高温抗氧化性能不高限制了它的更广泛的应用。
为改善单层薄膜的性能，涂层的多元化（加入其它合金元素）和多层化成为了研究的热点。
多元化薄膜如TiCN具有了TiC和TiN的综合能力，其硬度高于TiN和TiC，因此是一种较为理想的刀具涂层材料。
TiAlN是含有抗氧化能力良好的Al的一种涂层，通常采用PVD（物理气相沉积）方法来制备，在切削过程中Al氧化而形成Al2O3，从而起到抗氧化和抗扩散磨损的作用，在高速切削时，TiAlN涂层刀具的切削效果优于TiN和TiCN涂层刀具，主要原因是TiAlN涂层刀具的硬度、抗氧化和抗粘结能力高，尤其是由于TiAlN涂层刀具具有很高的高温硬度．多层化薄膜如TiAlN/Al2O3多层PVD涂层等目前研究也较多，其涂层硬度达4000HV，涂层数为400层（总厚度5μm）。
最近又开发了纳米涂层（Nano－scaledcoating）技术，这种方法可采用多种涂层材料的不同组合满足不同功能和性能要求，特别适合于高速干切削。
硬质合金刀具的多层纳米涂层可分为5大类:
1）氮化物/氮化物:
TiN/VN，56GPa;TiN/NbN，51GPa;2）氮化物/碳化物:
TiN/CNX，45－55GPa;ZrN/CNX，40－45GPa;3）碳化物/碳化物:
TiC/VC，52GPa;TiC/NbC，45－55GPa;4）氮化物或碳化物/金属:
TiN/Nb，52GPa;TiAlN/Mo，51GPa;5）氮化物/氧化物:
TiAlN/Al2O3，此外还有加入TiB2、BN的体系等。
这些复合涂层每调制周期由两种材料组合而成，厚度仅为几纳米，根据切削需要，可相互叠加涂覆上百层，总厚度可达2～5μm。
设计合理的纳米涂层可使刀具的硬度和韧性显著增加，使其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能，十分适合于干切削。
涂层的多层化及其相关技术的出现，使涂层既可提高与基体的结合强度又能提高其耐腐蚀性能、抗氧化性能等综合性能，是最有发展前景的一类涂层材料。
3“软”刀具涂层材料的发展与应用
“硬”涂层刀具技术已经逐渐成熟，其中以黄金色的TiN涂层的应用最为广泛。
然而，诸如航空航天工业使用的许多高强度铝合金、钛合金或贵金属材料等都不适合用“硬”涂层刀具加工，仍主要使用无涂层的高速钢或硬质合金刀具。
“软”涂层刀具的开发则可较好地解决此类材料的加工问题。
刀具“软”涂层的主要成分为具有低摩擦系数的固体润滑材料，如:
MoS2、WS2、CaS2、TaS2等，在特殊使用条件下具有优良的摩擦学特性，如:
摩擦系数低、承载极限高、高温下化学稳定性好、物性变化小、能适应1200℃以上的工作温度范围和很宽的摩擦副运动速度范围，适于在高温、高速和大载荷等特殊环境条件下使用。
该类涂层可在刀具表面形成固体润滑膜，从而使刀具材料具有很低的摩擦系数。
由于具有层状结构的固体润滑剂与摩擦表面具有较强的粘结能力，并且各层之间有较低的剪切强度，在切削过程中，存在于刀具表面的固体润滑膜会转移到工件材料表面，形成转移膜，使切削过程中摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，在固体润滑膜内部，从而可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。
目前“软”涂层刀具技术在国内研究较少，但“软”涂层刀具可应用与干切削，对阻止粘结、减小摩擦、提高刀具寿命、降低加工成本等具有
重大的理论和实际意义，具有广阔的应用前景。
4超硬材料涂层
4.1金刚石、类金刚石（DLC）涂层
金刚石涂层是新型刀具涂层材料之一。
它利用低压化学气相沉积技术在硬质合金基体上生长出一层由多晶组成的金刚石膜,用其加工硅铝合金和铜合金等有色金属、玻璃纤维等工程材料及硬质合金等材料,刀具寿命是普通硬质合金刀具的50-100倍。
金刚石涂层采用了许多金刚石合成技术,最普通的是热丝法、微波等离子法和DC等离子喷射法。
通过改进涂层方法和涂层的粘结,已生产出金刚石涂层刀具,并在工业上得到了应用。
近年来,美国、日本和瑞典等国家都已相继推出了金刚石涂层的丝锥、铰刀、铣刀以及用于加工印刷线路板上的小孔金刚石涂层硬质合金钻头及各种可转位刀片,如瑞典Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25等牌号产品。
美国Turchan公司开发的一种激光等离子体沉积金刚石的新工艺,用此法沉积金刚石,由于等离子场包围整个刀具,刀具上的涂层均匀,其沉积速度比常规CVD法快1000倍。
此法所成的金刚石涂层与基体之间产生真正的冶金结合,涂层强度高,可防止涂层脱落、龟裂和裂纹等缺陷。
CemeCon公司具有特色的CVD金刚石涂层技术,2000年建立生产线,使金刚石涂层技术达到工业化生产水平,其技术含量高,可以批量生产金刚石涂层。
类金刚石涂层在对某些材料（Al、Ti及其复合材料）的机械加工方面具有明显优势。
通过低压气相沉积的类金刚石涂层,其微观结构与天然金刚石相比仍有较大差异。
九十年代,常采用激活氢存在下的低压气相沉积DLC,涂层中含有大量氢。
含氢过多将降低涂层的结合力和硬度,增大内应力。
DLC中的氢在较高的温度下会慢慢释放出来,引起涂层工作不稳定。
不含氢的DLC硬度比含氢的DLC高,具有组织均匀、可大面积沉积、成本低、表面平整等优点,已成为近年来DLC涂层研究的热点。
美国科学家A.A.Voevodin提出沉积超硬DLC涂层的结构设计为Ti2TiC2DLC梯度转变涂层,使硬度由较软的钢基体逐渐提高到表层超硬的DLC涂层。
这类复合涂层既保持了高硬度和低摩擦系数,又降低了脆性,提高了承载力、结合力及磨损抗力。
日本住友公司推出了在硬质合金刀片上涂覆金刚石DLC的DL1000涂层,用于切削铝合金和非铁金属,抗粘结,能有效降低已加工表面的粗糙度。
经过多年的研究表明:
由于类金刚石涂层的内应力高、热稳定性差及与黑色金属间的触媒效应使SP3结构向SP2转变等缺点,决定了它目前只能应用于加工有色金属,因而限制了它在机加工方面的进一步应用。
但是近年来的研究表明,以SP2结构为主的类金刚石涂层（也称为类石墨涂层）硬度也可达到20-40GPa,却不存在与黑色金属起触媒效应的问题,其摩擦系数很低又有很好的抗湿性,切削时可以用冷却剂也可用于干切削,其寿命比无涂层刀具成倍提高,可以加工钢铁材料,因而引起了涂层公司、刀具厂家的极大兴趣。
假以时日,这种新型的类金刚石涂层将会在切削领域得到广泛的应用。
4.2立方氮化硼（CBN）涂层
CBN是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬材料,它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性（如超高硬度,仅次于金刚石,高耐磨性,低摩擦系数,低热膨胀系数等外,同时还具有一些优于金刚石的特性。
CBN对于铁、钢和氧化环境具有化学惰性,在氧化时形成一薄层氧化硼,此氧化物为涂层提供了化学稳定性,因此它在加工硬的铁材、灰铸铁时耐热性也极为优良,在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、淬火钢、钛合金等,并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的硅铝合金等难加工材料。
自1987年Ina2gawa等成功地制备了出纯的CBN涂层以来,在国际上掀起了CBN硬质涂层的研究热潮。
低压气相合成CBN涂层的方法主要有CVD和PVD法。
CVD包括化学输运PCVD,热丝辅助加热PCVD,ECRCVD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。
研究结果表明:
在合成CBN相、对硬质合金基体的良好粘结和合适的硬度等方面已取得了进展,目前沉积在硬质合金上的立方氮化硼最大仅为012-015Lm,若想达到商品化,则必须采用可靠的技术来沉积高纯的经济的CBN涂层,其厚度应在3-5Lm,并在实际金属切削加工中证实其效果。
4.3CNx涂层
二十世代八十年代,美国科学家Liu和Co2hen设计了类似B2Si3N4的新型化合物B2C3N4,并采用固体物理和量子化学理论计算出它的硬度可能达到金刚石,这引起了世界各国科学家的关注。
合成氮化碳成为世界材料科学领域的热门课题。
日本Okayama大学的FFujimoto采用电子束蒸发离子束辅助沉积法获得的氮化碳涂层达到6317GPa,武汉大学[合成的氮化碳硬度分别达到50GPa,并沉积到高速钢麻花钻上,获得非常好的钻孔性能。
合成氮化碳的主要方法有真流和射频反应溅射法、激光蒸发和离子束辅助沉积法ECR-CVD法、双离子束沉积法等。
5结语
目前刀具涂层材料的开发研究和在制造业的应用研究都有加速的趋势，涂层结构正向着纳米级多元化、复合化和多层化的方向发展。
在多层涂层中尤其是纳米多层膜，各单一成分涂层的厚度将越来越薄，层数也越来越多，有的已达700多层，但这对涂层技术提出了很高的要求，且如何实现产业化也是其应用的难点之一，需要做大量的研究。
未来涂层的研究和开发过程中将更注重切削摩擦学的应用，切削摩擦学的理论和试验及涂层评定方法将有利于新涂层的开发和应用推广，新涂层工艺将为满足不同的切削加工要求，提供更具针对性的适用涂层。
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