硬质合金涂层刀具研究进展

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1、硬质合金涂层刀具研究进展1前言随着科学技术的进步，难加工材料的使用曰益增多，材料的力学性能不断提高，而且，对加工效率的要求也不断提高，传统的未涂层刀具常常不能适应新的要求。尽管硬质合金刀具的硬度为89-93.5HRA(1300-1850HV)，但是对于难加工材料的高效加工已不适用。虽然可以采取各种措施，提高刀具材料的硬度与耐磨性，但同时必然带来刀具材料抗弯强度和冲击韧性的下降，即材料变脆，从而影响刀具的使用性能。在硬质合金刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜（如TiC，TiA

2、IN，Al203等）的涂层刀具，结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，降低了刀具与工件之间的摩擦因数，提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。因此，涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性，延长了刀具的寿命，这是切削刀具发展的又一次变革。2硬质合金刀具涂层制备方法硬质合金刀具涂层的制备方法有很多，包括气相沉积、热喷涂、化学热处理、热反应扩散沉积、溶胶凝胶等。气相沉积应用比较多，制备涂层质量好，己经逐步成为刀具涂层制备方法的主导，气相沉积技术分为化学气相沉积(chemicalvapordepos

3、ition，CVD)和物理气相沉积（physicalvapordeposition，PVD)。2.1化学气相沉积（CVD)化学气相沉积（CVD)属于原子沉积类，是利用气态的先驱反应物通过原子、分子间化学反应的途径生成固态涂层的技术。基于此特点，CVD过程大多在相对较高的压力和较高的沉积温度环境下进行，因为较高的压力有助于提高涂层的沉积速率，较高的沉积温度可保证化学反应的顺利进行。早在40多年前，瑞典Sandvik公司和德国Crupp公司研发了化学气相沉积（CVD)涂层技术，1969年向市场推出了CVDT

4、iC涂层硬质合金刀片产品H。此后，美国、曰本等国也相继生产出同类产品。多年来，CVD涂层技术不断发展，改进了基体材料和涂层工艺，使用多种和多层涂层材料，出现了第二代、第三代直至第五代、第六代涂层刀具产品。CVD涂层工艺温度约为1000T，结合力可靠，但也带来了一些性能上的缺陷，如刀具切削刃需经过钝化预处理，刀具表面易出现残余拉应力，且不能用于高速钢刀具表面涂层；另外CVD技术的沉积温度太高，超过了许多材料的热处理温度，在这样高的沉积温度下，镀层和硬质合金基体材料都面临着晶粒长大和失碳问题，从而产生一种或

5、几种复式碳化物，即所谓的n相，且通常生成在涂层和基体的界面特别是刃口上。这种n相很脆，降低硬质合金的抗弯强度，同时增大刃口的脆性，从而导致刀刃在使用过程中过早损坏。人们不断努力，降低工艺温度，改变基体材料组分，改进切削刃钝化方法，使CVD涂层硬质合金的性能得到提高。20世纪80年代研发的中温化学气相沉积(moderatetemperaturechemicalvapordeposition，MTCVD)技术，在一定程度上推动了化学气相沉积的发展进步。2.2物理气相沉积（PVD)物理气相沉积是利用某种物理

6、过程（如物质的蒸发或受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象），实现物质原子从源物质到沉积涂层的可控转移过程，是在分子、原子的尺度上沉积涂层。与CVD涂层技术相比，PVD涂层技术有以下几个优点：(1)PVD技术的沉积温度低，可以在200~600T及以下沉积TiN等超硬涂层，因此不会降低基体材料原有抗弯强度，涂层和基体间也不会产生n相，因此不需采用特殊的硬质合金材料，扩大了应用范围；(2)涂层具有微细结构，在涂层内部产生压应力，抗裂纹扩展能力强；(3)涂层表面光滑，比CVD涂层更能有效地阻止前刀面的横裂纹扩

7、展，同时还可以降低摩擦系数；(4)可以使用刃口锋利的刀具作基体，这凿岩机械气动工具，2009(2)一点对于高速切削非常重要。20世纪80年代以来，PVD技术成功用于切削刀具的硬质涂层，有效提高表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命，引起刀具材料和性能的巨变。作为表面改性的新技术，PVD得到越来越广泛应用，已普遍应用于铣刀、钻头、铰刀、丝锥、异形刀具等的涂层处理，并扩展到模具和摩擦零件及装饰等防腐耐磨镀层，在先进制造技术中占有重要地位，引起材料和机械领域的广泛重视。目前，采用PV

8、D方法可以在硬质合金刀具上制备TiN、（Ti，Al)N以及各种难熔金属的碳化物和氮化物。工业发达国家自上世纪90年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD涂层技术的研究，已普遍应用于硬质合金铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异型刀具、焊接刀具等的涂层处理。国内PVD涂层技术的研发工作始于20世纪80年代初，80年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具TiN涂层工艺技术。由于对刀具涂层市场前景的看好，国内大型工具厂开