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ProgressinthecoatingmaterialsfortoolsandtheirclassificationAbstract：Coatingtechnologycanbeusedtoimprovetheservicelifeofcuttingtoolseffectivelyandenablethecuttingtoolstoobtainexcellentandcomprehensivemechanicalpropertiesthatwillimprovemachiningefficiencysignificantly.AfteryearsofdevelopmentcurrentcoatingmaterialsforcuttingtoolsisatacrucialperiodinChina,fullunderstandingonpresentstatusanddevelopmenttrendoftoolcoatingmaterialsbothathomeandabroad,andaplannedstep-by-stepdevelopmentofthecoatingmaterialsforcuttingtoolswillbeoffarreachingimportanceforimprovementofourlevelincuttingtoolmanufacturing.KeyWords:Coating，CuttingTool，Hardness，Film数控技术的发展离不开高寿命的切削工具——刀具。自刀具涂层技术从问世以来，刀具的性能得到了很大的改善，对加工技术的进步起着非常重要的作用。涂层刀具已经成为现代刀具的标志，西方国家新型数控机床所用切削刀具中有80%左右使用涂层刀具，而且随着21世纪科技的发展，涂层刀具的比例将进一步增加。目前在制造业所用硬质合金刀具上采用较多的涂层有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出现的AlCrN、TiSiN涂层等等，刀具寿命明显提高。另外涂层在钻头、铰刀、齿轮滚刀、丝锥上也都获得很好的应用效果。随着科技的发展，刀具涂层技术将不断提高，刀具涂层材料也日新月异。1刀具涂层材料的种类刀具涂层材料有多种分类方法，根据涂层材料的性质，刀具涂层材料可分为两大类，即:“硬”刀具涂层材料和“软”刀具涂层材料。“硬”涂层刀具追求高的硬度和耐磨性。目前应用最多的刀具硬涂层材料有金刚石、类金刚石、氮化碳、立方氮化硼以及TiC、TiN、TiCN、Al2O3、TiAlN等及其组合。“软”刀具涂层材料追求低摩擦系数，与工件材料的摩擦系数很低，可减小粘结，减轻摩擦，降低切削力和切削温度。“软”涂层刀具材料主要有MoS2、WS2、CaS2、TaS2等及其组合，又称为“自润滑刀具”涂层材料。另外涂层方式有:单涂层、多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等多种涂层方式，如图1所示：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