涂层技术地进展及应用.docx

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涂层技术地进展及应用

刀具涂层技术在机械加工中的应用

赵剑

（中国第一拖沓机股分有限公司齿轮厂工装部）

摘要：

切削刀具表面涂层技术是应机械加工性能需求进展起来的材料表面改良性技术。

涂层技术可有效提高切削刀具利用寿命，降低刀具消耗，使刀具取得优良的综合机械性能，从而大幅度提高经济效益和机械加工效率。

为知足现代机械加工对高效率、高精度、高靠得住性的要求，尤其是机械传动行业，世界各国制造业对涂层技术的进展及其在刀具制造中的应用日趋重视。

关键词：

涂层技术，切削刀具，PVD，机械性能，经济效益。

Abstract：

Surfacecoatingtechnologyforcuttingtoolisanimprovingtechnologywiththedemandofmachingpropertydevelopment.Coatingtechnologycaneffectivelyimprovetheservicelifeoftool,reducethetoolconsumptionandmakethetoolgettingexcellentcomprehensivemechanicalproperties.Thus,itcanimproveeconomicreturnsandworkingeffiency.Inordertosatisfytherequirementsforhighefficiency,highprecisionandhighreliability,especiallyinthemechanicaldriveindustry.Everycountryofmanufacturingindustyintheworldshouldpaymoreattentiontothedevelopmentofcoatingtechnologyandapplicationinthetoolingmanufacturing

Keywords:

CoatingTechnology，CuttingTool，PVD，Mechanicalproperties，Economicbenefit。

1.绪论

切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求进展起来的材料表面改进性技术。

涂层刀具比未涂层刀具具有高速、高效、高精度、高质量、低本钱及长寿命的长处，使刀具取得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。

能够说，涂层刀具的出现是刀具材料进展的一次革命，因为它解决了刀具强度和韧性之间的矛盾。

因此，涂层技术与材料、切削加工工艺一路并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。

为知足现代机械加工对高效率、高精度、高靠得住性的要求，世界各国制造业对涂层技术的进展及其在刀具制造中的应用日趋重视，并有了长足的进展，为刀具切削性能的提高开创了新的历史篇章。

我国的刀具涂层技术通过连年进展，目前正处于关键时期，即原有技术已不能知足切削加工日趋提高的要求，而国内各大工具厂的涂层技术也远掉队于世界其他国家，到了必需更新换代的时期。

因此，充分了解国内外刀具涂层技术的现状及进展趋势，对准国际涂层技术先进水平，有计划、按步骤地进展刀具涂层技术（尤其是PVD技术），对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

2.涂层技术的进展及现状

刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积（CVD）技术和物理气相沉积（PVD）技术两大类，别离评述如下。

CVD技术的进展

二十世纪六十年代以来，CVD技术被普遍应用于硬质合金可转位刀具的表面处置。

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7-9μm，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置，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。

虽然CVD涂层具有专门好的耐磨性，但CVD工艺亦有其先天缺点：

一是工艺处置温度高，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，易致使刀具使历时产生微裂纹；三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染。

因此自九十年代中期以来，高温CVD技术的进展和应用受到必然制约。

九十年代中后期，中温化学气相沉积（MT—CVD）技术的出现使CVD技术发生了革命性变革。

采用MT—CVD技术可取得致

密纤维状结晶形态的涂层，涂层厚度可8—10μm，（新型MT—CVD涂层的剖面结构见图1）。

这种涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性，并可通太高温化学气相沉积工艺在刀片表面沉积AL2O3等抗高温氧化性能好、与被加工材料亲和力小、自润滑性能好的材料。

MT—CVD涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下利用，其寿命可比普通涂层刀片提高一倍左右。

图1

PVD技术的进展

PVD技术出现于二十世纪七十年代末，由于其工艺处置温度可控制在500°以下，因此可作为最终处置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，所以该技术取得了迅速推行，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%。

研究结果表明：

与CVD工艺相较，PVD工艺处置温度低，在600°以下时对刀具材料的抗弯强度无影响（实验结果见表1）；

表1不同温度下PVD涂层对硬质合金材料抗弯强度的影响

硬质合金牌号

平均抗弯强度

未涂层

涂层（300°）

涂层（600°）

涂层（700°）

M20

2109

2266

2129

2059

M30

2285

2469

2370

1894

随着高速切削加工时期的到来，高速钢刀具应用比例逐渐下降、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冲破性进展，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置。

通过几十年的研究和开发，各类刀具涂层工艺已普遍应用于硬质合金和高速钢切削刀具。

涂层工艺的主要进展阶段及应用领域见表2。

表2主要涂层工艺进展时段及应用领域

我国涂层技术的进展及现状

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非多，致使在随后的十连年里进展较为缓慢。

到八十年代初期，我国开始致力于PVD涂层技术的研究，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，国内前后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技术的开发烧潮，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切研究，致使国内PVD刀具涂层技术的进展徘徊不前。

虽然九十年代末国内成功开发出多元复合涂层工艺技术并达到实用水平，CNX涂层技术的研发也有重大冲破，但与国际进展水平相较，我国的刀具PVD涂层技术仍掉队十年左右。

目前国外刀具PVD涂层技术已进展到第四代，而国内尚处于第二代水平，且仍以单层TiN涂层为主。

3.切削刀具涂层技术研究进展

由于单涂层其性脆，不耐冲击，结合力较弱等缺点，所以无法知足现代加工的要求。

随着科技的进展，多元涂层和多层涂层接踵出现，较好的弥补了单涂层的不足。

多元涂层

单涂层刀具由于基材与涂层二者的硬度，弹性模量及热膨胀系数相差较远，晶格类型也不尽相同，致使残余应力增加，结合力较弱。

在单涂层中加入新的元素（如加入Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高抗磨损性，加入Si提高硬度和抗化学扩散）制备出多元的刀具涂层材料，大大提高了刀具的综合性能。

最常常利用的多元刀具涂层是TiCN、TiA1N涂层。

TiCN涂层兼有TiC和TiN涂层的良好韧性和硬度，它在涂覆进程中可通过持续改变C和N的成份来控TiCN的性质，降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层厚度，阻止裂纹扩展，减少崩刃。

最近几年来，以TiCN为基的四元成份新涂层材料（如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等）也纷纷出现。

TiA1N涂层材料是目前应用最普遍的高速硬质合金刀具涂层之一，TiA1N有很高的高温硬度和优良的抗氧化能力，抗氧化温度为800℃，在高速加工中表面会产生一层非晶态A12O3薄膜，对涂层起保护作用。

目前人们将研究重点放在对TiA1N涂层的改良上，以知足应用领域对诸如抗氧化性能、热稳固性能及热硬度等需求的不断提高。

多层涂层

随着涂层技术的进展，单层多元涂层也逐渐被多层的复合涂层所取代。

按照不同涂层材料的性能和切削条件，涂覆不同的涂层组合，以发挥各类涂层的优越性能。

TiC／TiN双层涂层兼有TiC涂层的高硬度和高耐磨性，并有TiN涂层良好的化学稳固性和高抗月牙洼磨损性能。

由于TiC的热膨胀系数比TiN更接近基体，涂层的残余应力较小，与基体结合牢固，所以常常利用作多层涂层的底层。

其它的双层涂层有TiN／CBN、Al203／CBN、TiC／TiBN及Al203／Ti2O3等。

三层涂层的组合方式很多，例如TiC／TiCN／TiN、TiC／TiCN／Ti2O3、TiC／TiN／Al203、TiC／Al203／TiN等，都是利用各个单涂层的长处按照不同的切削条件组合而成的。

最多见是TiC／TiCN／TiN涂层，这种涂层与TiC／TiN涂层相同，切削性能优于单层TiC和TiN涂层。

大多数刀具涂层厂家都有这种组合方式的涂层牌号，如美国Carmet公司的CA9443、CA9721；Kennametal公司的KC210、KC250等。

在TiC／TiCN／TiN涂层组合中再加入Al203涂层，成为更现代化的涂层。

如瑞典SandvikCoromant公司在CIMT2005上新的GC2015牌号刀具是具有TiCN—TiN／Al203/TiN结构的复合涂层，其中底层的TiCN与基体的结合强度高，并有良好的耐磨性。

TiN／Al203的多层结构既耐磨又能抑制裂痕的扩展，表面的TiN具有较好的化学稳固性，又易于观察刀具的磨损。

瑞典Seco刀具公司应用新的MT-CVD生产的TP3000刀片涂层内层的TiCN与基体有较强的结合力和强度，中间的Al203作为一种有效的热屏障可允许有更高的切削速度，外层的TiCN保证抗前刀面和后刀面磨损能力，最外一薄层金黄色的TiN使得容易辨别刀片的磨损状态。

纳米涂层

纳米涂层主要有两种：

钠米多层结构和纳米复合结构。

纳米多层涂层的结构主要有三种方式：

（1）金属氮化物纳米层与金属A1N纳米层交替徐覆；

（2）金属AlN纳米层与金属AlCN纳米层交替涂覆；

（3）金属氮化物纳米层与金属AlN纳米层及金属AlCN纳米层交替涂覆。

例如日本住友公司开发的ZX涂层是一种TiN与A1N交替的纳米多层涂层，层数可达2000层，每层厚度约为1nm。

这种新涂层与基体结合强度高，涂层硬度接近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，其寿命是TiN、TiAlN涂层的2～3倍。

Balzers公司开发并已被应用的FUTUNANANO和FUTUNATOP是两种TiAlN纳米结构涂层，涂层硬度平均为HV3300，开始氧化温度为900℃。

超硬材料涂层

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。

通过改良涂层方式和涂层的粘结，已生产出金刚石涂层刀具，并在工业上取得了应用。

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，可避免涂层脱落、龟裂和裂纹等缺点。

最近几年来，美国、日本和瑞典等国家都已接踵推出了金刚石涂层的丝锥、铰刀、铣刀。

CBN是继人工合成金刚石以后出现的另一种超硬材料，它除具有许多与金刚石类似的优良物理、化学特性外，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固性，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、渗碳淬火材料和对刀具磨损超级严峻的硅铝合金等难加工材料。

4.涂层刀具在金属切削加工中的应用

TiC和TiN是最先出现的刀具涂层材料，也是目前国内外应用较多的涂层。

TiC涂层硬度高（达HV2500～4200），具有较高的抗机械磨损和抗磨料磨损性能，与未涂层刀具相较，有较低的摩擦系数，较小的切削力和较低的切削温度，具有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力，应用温度500℃。

TiN涂层是工艺最成熟和应用最普遍的硬质涂层材料，其突出长处是摩擦系数小，应用温度达到600℃，适于加工钢材或切削易于粘在前刀面上的材料，是目前应用最为普遍的一种涂层材料。

我厂普遍应用的就是TiN涂层。

在2008年以前，除入口刀具之外，我厂几乎没有应用过涂层刀具，起步相对较晚。

由于近两年来我厂产品市场需求的扩大和加工能力的提高，现有的高速钢刀具无法知足加工的需求。

到2008年，我厂开始把目光放到涂层技术上来，由于其优良的加工性能，专门快取得了咱们的认可。

前期咱们曾与Balzers、金帝诚和天威赛利等公司合作，可是由于那时涂层价钱高、生产周期长、运输不便等原因，未能长期合作。

期间采购的哈一工的刀具偶尔带有TiN涂层，其涂层采用普维特的技术，耐费用及加工性能不错。

可是由于哈一工并非是我厂唯一供给商，所以无益于涂层的推行。

后来寻觅到西安宇杰有限公司，由于其低廉的价钱和便捷的运输途径，使得咱们一直合作到此刻。

下面主要叙述TiN涂层技术在我厂的实验推行应用进程。

.初期实验阶段

最初进行涂层实验时，对车间利用量大的滚刀、插齿刀等复杂刀具，按照其唯一性编号进行跟踪，深切生产现场对涂层前后的切削性能对比，从上线利用、刃磨直至报废，安排技术人员跟踪利用情形，随时了解切削进程中刀具磨损状态，分析磨损原因，写出总结报告并反馈涂层厂家，依据我厂涂层刀具切削数据和实际工艺状况，前后两次调整改良涂层工艺（第一次跟踪利用情形个别有涂层剥落现象，刀具耐费用低于涂层厂家推荐值，后对涂层工艺进行改良，再次应用于生产现场，但其耐费用仍未达到推荐值，又二次对涂层工艺进行调整，再进行切削实验），慢慢提高了刀具利用寿命。

以下为第一次跟踪实验数据记录及结论：

插齿刀：

所加工零件参数：

Z=17，α=20°，，齿全高，齿宽26mm，公法线尺寸（跨3个齿）。

零件材料为20CrMnTi。

机床调整参数：

圆周进给量／每冲程，S200*110%次／分钟（110%是机床倍率，下同），F29*120%。

未利用涂层刀具时，刃磨一次大约加工零件84件。

利用刃磨一次后的涂层刀具，刃磨一次平均加工零件165件，耐费用提高一倍。

（注：

此结果为涂层后平均加工量，并非涂层后第一次利用情形）。

滚刀：

一、普通滚刀c091-0028所加工零件5118912参数：

Z=21，α=20°，。

齿宽，齿厚，公法线尺寸（跨3齿）。

零件材料为20CrMnTi。

机床调整参数：

S=100ｒ／min，切削速度25m／min，每分钟进刀量，一次两件同时加工。

切削参数

加工零件数量

磨损值

备注

相同

涂层刀具

未涂层

涂层刀具

未涂层

新刀

360

130

一次刃磨后

260

126

二次刃磨后

260

120

三次刃磨后

210

130

四次刃磨后

230

130

五次刃磨后

210

130

六次刃磨后

180

130

七次刃磨后

150

130

八次刃磨后

130

130

未利用涂层刀具时，每刃磨一次加工130件。

利用涂层刀具时，涂层后第一次利用，可加工360件，约是原来加工件数的3倍，耐费用提高快要两倍。

前刀面刃磨后，平均加工210件，耐费用明显下降，但相对于未涂层的刀具，耐费用仍有%的提高。

二、花键滚刀所加工零件参数：

Z=42，，α=30°，花键大径φ，底径φ50mm，有效长度51mm。

零件材料为40CrMo。

机床参数：

切削速度／min，进刀量（）／２.９，转数125r／min。

未利用涂层刀具时，每刃磨一次加工20件。

利用涂层刀具时，涂层后第一次利用，加工零件数可达到40件，是原来加工件数的2倍，耐费用提高1倍。

前刀面刃磨后，平均加工30件，耐费用明显下降，但相对于未涂层的刀具，耐费用仍有50%的提高。

注：

这次跟踪刀具均有后刀面涂层磨损、剥落情形。

由于涂层有剥落现象，对涂层工艺进行了改良后，进行了第二次跟踪实验，以下为试验记录及分析：

这次主要对数控用插齿刀进行了跟踪统计，刀具涂层后，耐费用有明显提高，尤其是涂层后第一次利用。

可是刃磨后耐费用逐渐降低，下面以两种插齿刀为例，来具体说明利用情形。

一、刀具参数：

，α30°，Z=15，涂层材料TiN。

零件参数：

Z=35，，α30°，齿全高H=，大径φ0+，小径φ0+，分度圆φ，齿端M=+，dP=φ；零件材料为20CrMnTi，硬度HB170~~210。

机床调整参数：

冲程500次/min，圆周进给量冲程，径向进给量冲程。

刀具涂层后第一次利用，现已加工771件，刃口处有明显的磨损痕迹，部份齿后刀面涂层有剥落痕迹，但刀具未达到规定刃磨标准，按照现场加工情形，估计可再加工300~~350件，即可加工1100件后进行第一次刃磨。

同样加工条件下，未涂层刀具平均加工400件左右前刀面就要进行刃磨。

能够看到，涂层后刀具的耐费用为原来的倍，即耐费用提高175%。

二、刀具参数：

M2，α=20°，Z=12，涂层材料TiN。

零件参数：

Z=28，α=20°，M2，齿全高H=。

零件材料为20CrMnTi。

硬度HB170~~210。

调整参数：

圆周进给量／每冲程，径向进给量每冲程，冲程500次/min。

按照现场具体利用情形，利用未涂层刀具，每刃磨一次平均加工零件430件。

利用涂层刀具后，第一次利用加工1351件，可是刀具超磨严峻，若正常利用，可加工1300件左右（后50件为猛烈磨损阶段，致使超磨）。

刃磨一次后，加工零件849件，刀具未超磨，但磨损较大，部份齿后刀面涂层有磨损痕迹。

能够看到，涂层后第一次利用刀具的耐费用为原来的倍，即耐费用提高202%。

可是刃磨后，刀具耐费用下降较大，但仍可提高%。

总结：

数控用插齿刀在涂层后，刀具的耐费用有专门大提高，提高为原来的3倍上下，可是刃磨后耐费用下降很明显，若将刃磨后刀具进行重涂，可解决此问题。

实验总结分析

现将我部技术人员跟踪调查不同车间加工的三个不同零件利用的插齿刀、滚刀进行涂层（TiN）前后对比，主要对比切制件单件齿轮的刀具消耗和刀具利用寿命。

结果分析：

从以上实验数据表中能够看出，在相同的切削条件下，涂层刀具的利用寿命比未涂层刀具提高40%～%。

专门是涂后第一次利用，能提高到原来的100%～300%倍。

其中α30°插齿刀效果更明显，刀具耐费用（平均）提高300%。

第一次刃磨后（当刀具利用到规定的磨损值后，刀具失去其锋利的切削性能，需进行刃磨，将磨损部位修磨掉后，再进行切削，这时前刀面上涂层被磨掉），前刀面涂层被磨掉，后刀面尚保留涂层，刀具寿命较第一次涂层刀具有明显下降，但仍比未涂层刀具性能好，寿命仍提高30%～70%。

涂层刀具磨损量由原～左右降低到左右，由于磨损量小刀具刃磨次数也增加25%左右。

整体来看涂层刀具寿命平均增加了%左右。

本钱改善及创效分析

2009年全年涂层刀具上千余件，其中滚刀530件，插齿刀110件，丝锥206件，三面刃铣刀35件，机夹刀片数百片，涂层后寿命平均提高%。

2009年涂层刀具为我厂节约刀具费用支出为：

（原刀具价值）%（涂层费用）=元

2010年上半年涂层刀具节约费用支出为：

×%=1082元

刀具涂层技术的应用，提高的不可是经济效益，生产效率也有专门大的提高，尤其是数控机床，其切削效率最大可提高2—3倍。

大大提高了我厂的生产效率和产品质量，而且应用在普通机床上，可节约换刀和刃磨时刻，提高了机械加工时刻，提高了工人的加工效率。

参考文献

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