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涂层刀具及其合理使用 (一)

作者:中国数控技术网 来源:数控机床网 日期:2011/4/22 9:52:41 人气: 标签:

涂层刀具有效地解决了刀具材料的硬度和耐磨性愈高而强度和韧性愈低的矛盾。本文就涂层方法、涂层材料、涂前刀具处理以及涂层刀具合理使用等问题作了综述。

引言  

   涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上,利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障,减少了刀具与工件间的扩散和化学反应,从而减少了月牙洼磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性,切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上,提高切削速度20%~70%,提高加工精度0.5~1级,降低刀具消耗费用20%~50%。因此,涂层刀具已成为现代切削刀具的标志,在刀具中的使用比例已超过50%。目前,切削加工中使用的各种刀具,包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。  

   涂层刀具有四种:涂层高速钢刀具,涂层硬质合金刀具,以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料,目的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上),可减少刀片的崩刃及破损,扩大应用範围。  

   涂层方法  

   目前生产上常用的涂层方法有两种:物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。前者沉积温度为500℃,涂层厚度为2~5µm;后者的沉积温度为900℃~1100℃,涂层厚度可达5~10µm,并且设备简单,涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度,故高速钢刀具一般采用PVD法,硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时,由于其沉积温度高,故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相),导致刀片脆性破裂。近十几年来,随着涂覆技术的进步,硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术,开发了复合的涂层工艺,称为PCVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应,可把涂覆温度降至600℃以下(目前涂覆温度已可降至180℃~200℃),使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应,可保持刀片原有的韧性。据报道,这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。  

   用CVD法涂层时,切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm,切削刃强度随钝圆半径增大而提高),故刃口没有未涂层刀片锋利。所以,对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外,还可涂覆到整体刀具上,目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道,日本三菱公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法,结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍,效率提高5倍。 

表1 瑞士PLATIT公司推出的各种新型涂层 
涂 层 颜 色 硬 度GPa 厚 度µm 摩擦系数 最高使用温度℃ 说 明 

TiAlN单层 紫黑 35 1-4 0.5 800 通用高性能涂层 
TiAlN多层 紫黑 28 1-4 0.6 700 适用断续切削 
TiCN-MP 红-铜 32 1-4 0.2 400 高韧性通用涂层 
MOVIC 绿-灰 - 0.5-1.5 0.15 400 MoS2基涂层 
CrN 银亮 18 1-4 0.3 700 适用加工铜、钛 
TiAlCN 红-紫 28 1-4 0.25 500 高性能通用涂层 
CBC(DLC) 灰 20 0.5-4 0.15 400 润滑涂层 
GRADVIC 灰 28 1.5-6 0.15 400 TiAlCN+CBC 
AlTiN 黑 38 1-4 0.7 800 属高性能涂层 
µAlTiN 黑 38 1-2 0.3 800 涂层表面质量好 
AlTiN/SiN 紫兰 45 1-4 0.45 1100 纳米结构  

   涂层材料  

   涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低,以及与基体附着牢固等要求。显然,单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3,进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN、TiAlCN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合,加上新型的抗塑性变形基体,在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前,又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术,全面提高了刀具的性能。  

   工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是TiN,但TiN与基体结合强度不及TiC涂层,涂层易剥落,且硬度也不如TiC高,在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性,抗氧化性也好,但其性脆,不耐冲击。TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点,它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性质,并形成不同成份的多层结构,可降低涂层的内应力,提高韧性,增加涂层的厚度,阻止裂纹的扩展,减少崩刃。所以,目前生产的一些刀片,如瑞典Sandvik公司推荐用于加工钢料的GC4000系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的CN系列刀片、日本东芝公司的T715X和T725X涂层刀片中均有TiCN涂层成份。TiCN基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料,用它加工工件时的材料切除率可提高2~3倍。  

   TiAlN、CrC、CrN、TiAlCN是近几年来开发的硬质涂层新材料。TiAlN涂层刀片已商品化。它的化学稳定性和抗氧化磨损性能好,用其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和镍合金时的刀具寿命可比TiN涂层高3~4倍。此外,TiAlN涂层中如果有合适的铝浓度,切削时在刀具前刀面和切屑的界面上还会产生一层硬质的惰性保护膜,该膜有较好的隔热性,可更有效地用于高速切削。例如,美国Kennametal公司推出的H7刀片,系TiAlN涂层,是专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而设计的。CrC和CrN是一种无钛涂层,适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其它软材料,化学稳定性好,不产生粘屑。TiAlCN是一种梯度结构涂层,不仅具有高的韧性和硬度,而且摩擦因数也较小,适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具,切削性能明显优于TiN。  

   德国CemeCon公司开发了Supernitride涂层系列,其中超级氮铝钛涂层有很高的含铝量,可形成稳定的氧化层(氧化温度达1000℃),它比一般的TiAlN涂层更硬、更致密、更耐高温,适用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具,可加工硬度高达58HRC以上的淬火钢。  

   此外,纳米超薄膜涂层工艺已日趋成熟。据报道,日本住友电工公司推出了一种高速强力型钻头,它是在韧性好的K类(WC+Co)硬质合金基体上交互涂覆了1,000层TiN和AlN超薄膜涂层,涂层厚度约2.5µm。使用表明,该钻头的抗弯强度与断裂韧性可大幅度提高,其硬度则与CBN相当,刀具寿命可提高2倍左右。该公司还开发出ZX涂层立铣刀,超薄膜镀层数达2,000层,每层厚度约1nm,用该立铣刀加工60HRC的高硬度材料,刀具寿命远高于TiCN和TiAlN涂层刀具。第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上,瑞士PLATIT公司推出的纳米结构涂层(AITiN/SiN) 立铣刀,其涂层硬度为45GPa,氧化温度1100℃,切削对比试验表明,其寿命比TiN涂层立铣刀高3倍,比TiAlCN涂层立铣刀高2倍。表1是PLATIT公司推出的各种新型涂层,除上述AITiN/SiN、TiAlCN新涂层外,还有特定功能的涂层,如CBC、DLC润滑涂层,其摩擦因数小(0.15),适于涂覆丝锥、钻头等刀具,可改善排屑性能,或者作为复合涂层的表面涂层,减少切屑的粘结。 

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