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金刚石涂层刀具切削性能的研究摘要：金刚石具有高硬度、耐磨、耐腐蚀、摩擦系数低和高导热性能。用金刚石刀具切削硅铝合金等硬质材料时,具有加工精度高,切削寿命长,切削力小,加工效率高等优点金刚石涂层是一种新型材料，相对于硬质合金具有更高的切削性能。关键词:金刚石；涂层刀具；硬质合金；刀具耐用度近年来,为了减轻飞机\汽车零部件的重量,铝合金的使用量逐年增加。尽管加工铝合金比切削钢材的切削、阻力小，但由于铝合金比较软，切削时刀具刃部容易发生粘刀现象从而影响被加工工件的表面粗糙度，为了增加铝合金材料的强度，通常在铝合金中加入大量的硅元素。但由于硅元素以颗粒的形式散布在铝合金材料内部且这些硅粒子的硬度很高(1000HV左右),从而在切削加工时会导致刀具刃部严重磨损,因此这样的高硅铝合金材料是一种难切削加工的材料。而金刚石涂层刀具由碳元素转化而成，其晶体结构为面心立方体，它的硬度都大大高于由高速钢\硬质合金和陶瓷等材料形成的刀具。主要用于高速精密加工\数控加工\高硅铝合金\石墨及其它有色金属材料加工刀具及高耐磨材料和高级复合材料的加工刀具领域。金刚石刀具材料的发展历程及涂层方法：由于金刚石是碳的一种最致密的存在形式，因此采用了高压的方法制备金刚石。首次用气相法合成金刚石的是英国学者Hannav他将碳氢化合物\植物油和金属锂通过一个灼热的金属管所获得。1940年代初，以哈佛大学Bridgman教授为首，在美国通用电器公司赞助下进，行了金刚石合成的初次试验，到了50年代，高温高压合成金刚石获得了成功。80年代Derjaguin等人发现在用甲烷分解的化学气相沉积方法中采用加热或等离子体产生大量的氢原子，在非金刚石基体上能够合成连续性的金刚石膜。另外，生长金刚石膜的主要方法还有:直流等离子体射流CVD法\燃烧火焰法\激光增强CVD法。至90年代化学气相沉积方法已成为制备金刚石膜最有效的技术，因此，金刚石膜通常也被称为CVD金刚石。圆周刃后刀面磨损/mm目前形成金刚石涂层的方法主要有三类:等离子法\材料热电子放射法和化学反应法等离子法根据等离子发生方法的不同又可分为微波等离子法\高频等离子法及电弧等离子法；材料热电子放射法、热丝法是最早开发的金刚石气相合成法；化学反应法是用乙炔和氧的混合气体的燃烧焰内得到的乙炔过剩部分生成金刚石。从金刚石成膜的稳定性\速度及整体成本来看目前主要采用的是微波等离子法和热丝法对刀具进行涂层金刚石刀具加工铝合金。试验条件及试验参数：切削试验在MIKRONUCP600加工中心上进行，用金刚石涂层刀具与未涂层硬质合金刀具分别在铸造铝合金上进行螺旋槽加工，改变切削速度和进给量用数显工具显微镜观测刀具圆周刃后刀面磨损情况，在切削到1000m时即停止试验，试验的刀具磨损量数据如图刀具磨损量数据实验结论：（1）、从切削试验看出，用金刚石薄膜涂层刀具切削铝合金时，刀具初期切削时圆周刃后刀面磨损量急剧增加进入刀具正常磨损阶段,磨损量相对稳定,切削路程相当长,具有较好的切削性能，金刚石涂层刀具加工时可降低刀具/切屑及刀具/工件表面之间的摩擦系数,能承受高温,具有很高的热硬度,是铝材切削加工时最适宜的刀具之一。(2)、金刚石刀具有高硬度、耐磨、耐腐蚀、摩擦系数低和高导热性能切削铝合金时,金刚石薄膜涂层刀具的使用寿命远高于硬质合金。涂层刀具的特点：涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度高耐磨性的优点,提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广,加工范围显著扩大,使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用,因而可以大大减少刀具的品种和库存量,简化刀具管理,降低刀具和设备成本。但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后,因基体材料和涂层材料性质差别较大,涂层残留内应力大,涂层和基体之间的界面结合强度低,涂层易剥落,而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂贵、工要求高、涂层时间长刀具成本上升等缺点。常用涂层材料及性质：常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。根据化学键的特征,可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。金属键型涂层材料(如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等)熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好,具有良好的综合性能,是最普通的涂层材料。共价键型涂层材料(如B4C、SiC、BN、金刚石等)硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。而离子键型材料化学稳定性好、脆性大、热胀系数大、熔点较低、硬度不太高。在这些涂层材料中,用的最多的是TiC、TiN、Al2O3、金刚石以及复合涂层TiC耐磨性好[5,6],能有效地提高刀具的抗月牙洼磨损能力,适合于低速切削及磨损严重的场合;TiN涂层具有低的摩擦系数,润滑性能好,能减少切削热和切削力,适合于产生融合和磨损的切削;Al2O3的高温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比TiC和TiN好,月牙洼磨损率低,适合于高速、大切削热切削;金刚石涂层硬度和热导性高,摩擦系数很低,适合于有色金属合金的高速切削;而复合涂层综合几种涂层材料的特点,目前以双涂层和三涂层组合居多。常用涂层方法：目前常用的涂层方法是CVD(化学气相沉积法)和PVD(物理气相沉积法),其它方法如等离子喷涂、火焰喷涂、电镀、溶盐电解等还存在较大的应用局限性。CVD法是利用金属卤化物的蒸气、氢气和其它化学成分,在950～1050℃的高温下,进行分解、热合等气、固反应,或利用化学传输作用,在加热基体表面形成固态沉积层的一种方法。CVD法工艺要求高[7],而且由于氯的侵蚀及氢脆变形可能导致涂层易碎裂、基体断面强度下降,涂层硬质合金时还易产生脱碳现象而形成η相。近年来,中低温CVD法和PCVD法开发成功,改善了原有CVD工艺PVD法起步晚、发展快、温度低(约300～500℃),优点很多,但涂层的均匀性不如CVD法,涂层与基体结合不太牢固,涂层硬度比较低,涂层优越性未得到充分体现。PVD法工艺要求比CVD法高,设备更复杂,涂层循环周期长[9]。目前常用的PVD方法有低压电子束蒸发(LVEE)法、阴极电子弧沉积法(CAD)、三极管高压电子束蒸发法(THVEE)、非平衡磁控溅射法(UMS)、离子束协助沉积法(IAD)和动力学离子束混合法(DIM),其主要差别在于沉积材料的气化方法以及产生等离子体的方法不同而使得成膜速度和膜层质量存在差异。新型涂层材料：刀具涂层材料出现了很多新种类:TiCN基新涂层兼有TiC和TiN涂层良好的韧性和硬度,比常用的TiN刀具耐用度高2～4倍[11]。此外,以TiCN基的多元成分新涂层材料如(Ti,Zr)CN、(Ti,Al)CN、(Ti,Si)CN等纷纷出现[12]。AlON涂层刀具产生的月牙洼磨损极小[13]。TiAlN有很高的高温硬度和优良的抗氧化能力,涂层硬度高,抗氧化性能好,切削性能优于TiN涂层,用于加工航天合金材料时的刀具寿命可提高1～4倍。CrC和CrN涂层是无钛涂层,可有效地切削钛和钛合金以及铝合金等其它软材料。另外,Hf、Zr、Ta的碳化物与氮化物,Hf、Zr、Ti、N、Ta的硼化物,Hf、Zr、Ti、Be的氧等涂层材料均成功采用。值得一提的是美国Multi-ScientificCoating公司的类金刚石的碳涂层,使用热阴极蒸发技术把碳沉积到刀具表面后,类金刚石碳涂层和基体结合良好,有很多金刚石相似的性能,有高的耐磨性和低的摩擦系数。其它ZrN,TiZrN类金刚石膜涂层(DLC)的应用范围也不断拓展,主要用于加工有色合金。氮化铝钛涂层也由原先常使用的Ti0.75Al0.25N转化为优先使用Ti0.5Al0.5N,Ti0.5Al0.5N涂层抗氧化温度为700℃,在空气中加热会在表面产生一层非晶态Al2O3薄膜,可以对涂层起保护作用日本不二越公司开发出一种称为SG的新型涂层,它由TiN、TiCN及Ti系膜三层组成,耐磨性优于TiN涂层,且涂层与基体的结合强度高,表层为Ti系特殊膜层,具有极好的耐热性。瑞士还开发出一种称为”MOVIC”软涂层的新工艺,即在刀具表面涂复一层固体润滑膜二硫化钼,刀具切削寿命数倍增加,且能获得优良的加工表面。其它硫族元素如WS2等软涂层也取得了一定进展。这些软涂层在加工高强度铝合金和贵重金属方面有良好的应用前景。近年来,高硬度的涂层开始出现。包括立方氮化硼(CBN)涂层、氮化碳(CNX)、多晶氮化物超点阵涂层等。CBN涂层硬度达5200kgf/mm2,仅次于金刚石,可有效的切削淬火钢和其它难加工合金。如果氮化碳(CNX)涂层能够形成β-C3N4,理论上可以计算出其硬度将超过金刚石[16]。已经有氮化碳合成的报道[17]。多晶氮化物超点阵涂层是一种很有希望的新型刀具涂层,多晶TiN/NbN和TiN/VN超点阵涂层的硬度分别为5200kgf/mm2和5600kgf/mm2,超点阵涂层由于层内或层间位错困难导致其硬度很高。新的涂层工艺方法：随着涂层技术的发展,出现了综合PVD和CVD的PACVD法,另外,还有离子束溅射方法,中能离子束辅助沉积技术(IBAD)也可用于涂层,离子束辅助沉积兼有气相沉积与离子注入的优点。等离子辅助化学气相沉积(PCVD)利用等离子体来促进化学反应,可使沉积温度降低到200～500℃。Sol-Gel法由于其自身的优点也越来越受到人们的重视。MT-CVD(中温化学气相沉积)则在一定程度上克服了一般HT-CVD(高温化学气相沉积)的缺点,其沉积温度低(700～900℃),沉积速度快,涂层厚,工艺环镀性好,对于形体复杂的工件涂层均匀,而且涂层附着力高,涂层内部残余应力小,是一种优于HT-CVD的涂层工艺方法。涂层所用的基体范围也在扩大,包括高速钢、硬质合金和陶瓷都可以进行涂层。近几年来陶瓷涂层硬质合金刀具发展迅速,特别是Al2O3陶瓷由于其高化学稳定性和耐氧化性特别适用于高速切削,在陶瓷涂层中所占比例较大。涂层在刀具切削过程中的作用模型：我们将涂层刀具分为全涂型（前、后刃面都有涂层），一新涂刀具为此型。后涂型（前刃面无涂层，后刃面有涂层）如重磨后的滚刀、插齿刀。前涂型（前刃面有涂层，后刃面无涂层）如重磨后的剃齿刀、钻头。在全涂型和前涂型刀具上，涂层起硬隔膜作用，表现为减少了刀具的粘蚀磨损，降低了扩散磨损和热电磨损，由于降低了切削力和切削温度，因而可降低刀具的弹塑性变形。在后涂型刀具上，当刃口处的涂层被磨掉或剥落而使基体裸露后，在磨损区域边界上的涂层有如堤防，限制了边界附近裸露基体的表面物质随切屑的流动，同时限制了磨损区域的扩大，称作堤岸作用。由于前刃面无涂层，使得刀具的抗月牙洼磨损及弹塑性变形的能力小于全涂型刀具，但优于不涂层刀具。在前涂型刀具上，刃口处前刃面涂层的存在，除起硬隔膜作用外，还对后刃面起一个房檐作用，保护了后刃面使后刃面的磨损减少。在切削过程中，虽然由于涂层的磨损或微剥落，涂层的作用逐渐减小，但使用效果仍然好于不涂层刀具。在全涂型刀具切削过程中，前后刃面都有涂层时，涂层起硬隔膜作用和房檐作用，这时涂层刀具形成月牙洼磨损的主要原因是塑性变形，塑性变形的产生加速了涂层的剥落，随着切削的继续，涂层不断被磨损或剥落，基体裸露增大，后刃面涂层的作用由硬隔膜作用转化为堤岸作用。影响涂层刀具性能的因素：同样的一把涂层刀具，随着加工材料的不同，其切削寿命的差别亦很大。一般情况下，涂层刀具加工调质材料、高合金钢、不锈钢、耐热钢等难加工材料时，寿命可提高到5倍以上，当加工一般45钢时，其寿命可提高3倍左右。涂层刀具在高的切削用量的情况下会反映出高的寿命和高的耐用度，就这个意义上讲，涂层刀具更适合于高速切削机床和做粗加工，但在低用量下进行切削，涂层刀具也具有好的耐磨性，并可得到高的表面加工质量。采用PVD方法涂层高速钢刀具，涂层和刀具基体基本上是机械结合。薄膜和刀具基体并没有扩散层。因此这里面就存在着涂层的剥落问题。一把优质的涂层刀具在正常切削情况下涂层不会剥落，显示出优良的切削性能。但如果机床在切