刀具表面涂层技术及发展

(呼和浩特职业学院 机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051)
摘 要：文章概述了刀具表面涂层技术的特点、种类及性 能，并阐述了其最新进展和发展趋势。
关键词：刀具；表面；涂层；技术
中图分类号：TG174∶TG711  文献标识码：A  文章编 号：1007—6921(2009)16—0120—01

随着材料科学与机械制造技术的不断发展，现代化的金属切削加工要求刀具具有高切削速度 、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。因此，刀具表面涂层技术 在金属切削加工中得到了广泛的应用。尤其是高速切削加工技术出现之后，涂层技术更是得 到了迅猛的发展与应用，并成为高速切削刀具制造的关键技术之一。该技术是在具有高强度 和韧性的基体材料上通过化学或物理的方法在刀具表面形成某种薄膜，使切削刀具获得优良 的综合切削性能，从而满足高速切削加工的要求。
1 刀具表面涂层技术的特点

由于刀具涂层具有很高的硬度和耐磨性，故与无涂层刀具相比，在不降低刀具强度的条 件下，可大幅度地提高刀具表面硬度、耐磨性和刀具的切削寿命。

随着涂层技术的不断发展，刀具涂层稳定性及高温抗氧化性更加突出，从而能够进行高 速切削加工，有效地提高切削加工效率。

采用涂层刀具进行加工时，可有效地改善零件加工质量，也适合于干式切削加工。
刀具涂层技术有效地减少刀具材料的消耗，可进行重复涂层工艺，降低加工成本；减少 冷却液的使用，利于环境保护。
2 涂层刀具的种类

目前，常用的刀具涂层方法有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、等离子体化学气相 沉积、盐浴浸镀法、等离子喷涂及化学涂敷法等，其中以CVD和PVD应用最为广泛。
2.1 化学气相沉积涂层

化学气相沉积涂层(CVD)是使挥发性化合物气体发生分解或化学反应，并在被镀工件上沉积 成膜的方法。其基本原理是沉积物以原子、离子、分子等原子尺度的形态在材料表面沉积， 形成金属或化合物的涂层。常用硬质合金刀的CVD涂层材料有TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃， 以及它们的复合材料，多用于普通钢材的普通半精及精加工；TiC/Al₂O₃和TiC/Al₂O₃/TiN复合材料还可用于高速及重负荷切削。
2.2 物理气相沉积涂层

物理气相沉积法(PVD)是通过气相反应过程使蒸发或溅射出来的金属原子发生气相反应，从 而在刀具表面沉积出所要求的化合物。其机理是在真空条件下，用物理的方法(蒸发或溅射 等物理形式)将涂层材料汽化成原子、分子或电离成离子，通过气相过程在硬质合金的表面 沉积成涂层。
按照涂层薄膜的结构形式，PVD涂层大致可分为以下几个类型：
2.2.1 单层涂层

涂层由某一种化合物或固溶体薄膜构成的涂层可称为单层涂层。TiC和TiN是最早出现的刀具 涂层材料，也是目前国内外应用较多的涂层。与未涂层刀具相比，具有较低的摩擦系数，提 高刀具的耐磨性等优点。此外常见的单涂层材料还有NbC、HfC、ZrC、ZrN、BN等。
2.2.2 多元涂层

由于单涂层刀具基材与涂层两者的结合力较弱，若在单涂层中加入Cr、、Zr、V、B和Hf等元 素，制出的多元涂层刀具，提高刀具的抗氧化性与抗磨损性。
最常用的多元刀具涂层是TiCN、TiAlN、TiBN和TiSiN。
2.2.3 梯度涂层

涂层成分沿薄膜纵向生长方向逐步发生变化， 这种变化可以是化合物各元素比例的变化， 如TiAl-CN中Ti、Al含量的变化，也可以由一种化合物逐渐过渡到另一种化合物。
2.2.4 多层涂层

多层涂层是根据不同的涂层材料性能和切削性能，由多种性能各异的薄膜叠加而成，每层膜 化学组分基本恒定。目前在实际应用中多由2种涂层或者层数在3～7层之间的多层复合涂层 。常见的多层涂层有TiC/TiN、TiAlN/TiN、AlN+TiN、TiC/TiCN/TiN、TiC/TiN/ Al₂O₃ 、TiC/Al₂O₃/TiN等。与单层涂层相比，多层涂层兼有了各单层涂层的优点，可有效地 改善涂层组织状况，抑制粗大晶粒组织的生长。
2.2.5 纳米多层涂层

这种结构的涂层与多层涂层类似，只是各层薄膜的尺寸为纳米数量级，用多种涂层材料的不 同组[CM(22]合满足不同的功能和性能要求，特别适合于高速干切削。纳米涂层主要有2种：纳米多 层结构和纳米复合结构。最典型刀具涂层是AlN+TiN、AlN+TiN+CrN涂层等。
2.2.6 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，具有极高的硬度和耐磨性，对有色金属及非金属材料高速镗 削和精车能获得很高的表面加工质量。刀具寿命是普通硬质合金刀具的50~10倍。

立方氮化硼(CBN)涂层是继人造金刚石之后出现的一种新型刀具材料，具有高硬度（仅次于 金刚石），高耐磨性，低摩擦系数，低热膨胀系数等，适合切削各种淬硬钢、各种冷硬铸铁 和耐磨铸铁等零件。
3 刀具涂层技术的发展

早在40多年前，瑞典Sandvik公司和德国Krupp公司研发了化学气相沉积涂层技术，1969年向 市场推出了CVD TiC涂层硬质合金刀片产品。此后，美国、日本等国也相继生产出同类产品 。1981年，PVD涂层刀具产品投入市场，欧洲刀具涂层技术水平最高，领先于其他国家和地 区，如Balzers公司自20世纪70年代开始从事物理涂层技术的研发，以工具精密零件涂层为 主，产品数量占全球30%。可以看出，在工业发达国家，人们对涂层技术的发展越来越重视 ，物理涂层技术更是备受青睐，PVD处于高速发展阶段。

目前，国内刀具涂层行业重点发展的方向是PVD技术，已经呈现多元化发展的趋势，归纳起 来主要有以下几种类型：①阴极电弧法；②热阴极法；③磁控溅射法；④磁控溅射附 加阴极电弧法；⑤空心阴极附加磁控溅射及阴极电弧法。

由于传统的单一涂层难以满足提高刀具综合机械性能的要求，而多元涂层具有加工效率高， 可提高加工精度，延长刀具使用寿命降低加工成本等优势；因此，涂层技术已由单层薄膜向 梯度、多层、纳米及纳米复合结构薄膜涂层发展。同时像金刚石和立方氮化硼(CBN)等超硬 刀具材料也将成为涂层技术中的热点方向。
4 结束语

涂层刀具在切削加工中的应用效果十分明显，不仅减少了刀具的消耗，延长了刀具使用寿命 ，增大了机械加工的切削用量，提高了被加工的零件表面质量。
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