刀具涂层技术现状与发展趋势.doc

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1、刀具涂层技术现状与发展趋势1引言刀具涂层技术（在刀具材料表面涂覆高硬、耐磨、耐高温薄层的技术）是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术，采用涂层技术可以有效解决刀具材料的硬度、耐磨性和抗弯强度、冲击韧性之间的矛盾，有效提高切削刀具使用寿命，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。涂层技术以其效果显著、适应性好、反应快等特点，对刀具性能的提高和切削技术的进步发挥十分重要的推动作用，被称为切削刀具制造领域的三大关键技术之一[1]。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。刀具涂层技术迅

2、速发展，涂层刀具得到了广泛应用。目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上，其CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具[]。本文对涂层刀具、涂层方法及涂层技术的国内外现状和发展趋势做了综合的阐述与介绍。2涂层刀具涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高基金项目：江南大学校创新基金项目（2012)收稿日期：2013年8月速钢基体表面上，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，涂层刀具的构成减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度

3、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，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%。涂层刀具有四种：高速钢涂层刀具，硬质合金涂层刀具，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。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），减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。2.1高速钢涂层刀具高速钢是综合性能较好、应用范围最广的一种刀具材料。热处理硬度达62-66HRC，抗弯强度约3.3GPa，耐热

4、性为600°C左右，此外还具有热处理变形小、能锻造、易磨出较锋利的刃口等优点。高速钢的使用占很大比例，特别是用于制造结构复杂的成形刀具。例如各类孔加工刀具、铣刀、拉刀、螺纹刀具、切齿刀具等[3]。高速钢涂层刀具一般采用物理气相沉积(PVD)方法，常用的涂层材料有TiN和TiC。TiC的硬度较高（可达3200HV左右，抗磨损性能好，适用于涂覆产生剧烈磨损的刀具;但它性脆，膜层内部的内聚力相对较低，并且在300°C的低温下就会开始分解。TiN的硬度（可达2000HV，相当于80-85HRC)虽比TiC低，但其化学稳定性好，与金属的亲和力小，摩擦系数低，润滑性好，在空气中抗氧化性能

5、比TiC好，刃口无倒圆，切削时可大大减少刀具的摩擦和磨损，防止黏结与冷焊，并且涂层呈金黄色、外观好，因而是一种较理想的涂层材料。江苏某机械制造厂在48x39.5x8和60x50.5x10两把高速钢花键滚刀上采用TiN涂层后，其耐用度比涂层前的滚刀提高了5-7倍。上海工具刃具厂使用TiN涂层后的高速钢拉刀耐用度可比未涂层的拉刀提高5-10倍，而且加工出孔的表面粗糙度值也较小。成都工具研究所对高速钢涂层刀具作断续冲击切削实验，结果表明其寿命比未涂层刀具提高3-5倍。因此涂层刀具不但适用于连续切削加工的刀具，也适用与铣刀、插齿刀等断续切削工作的刀具。但应指出，TiN涂层刀具一般不适

6、用来加工钛合金材料，否则涂层与工件材料之间会产生化学反应，从而影响使用效果[4]。除上述两种涂层材料外，还有新的涂层材料:TiCN、TiAlN、AlTiN、TiAlCN、DLC(类金刚石类涂层）等[3]。它们各有特点。TiCN复合涂层：蓝一灰色，耐热高温达400C。有高韧性，可用于丝锥、成形刀具。TiAlN高性能涂层：紫罗兰一黑色，耐热高温达800C，可适用高速加工。在基体65HRC的高速钢上涂2.5-3.5pm，刀具寿命比TiN明显提高约1-2倍，但涂层费用较高。AlTiN高铝涂层:耐热温度达800C，有高硬度、高耐热性，适合对硬材料加工。TiAlCN复合涂层：耐热温度达5

7、00C，有高韧性、高硬度、高耐热性、低摩擦性能，适合制造铣刀、钻头、丝锥。可加工60HRC的高硬度材料。DLC涂层:耐热温度400C，适用于加工硬木材的成形刀具。2.2硬质合金涂层刀具硬质合金是由高硬度、难熔的金属碳化物(WC、TiC等）微米级粉末采用Co、Mo、Ni等作粘结剂烧结而成的粉末冶金制品，其高温碳化物含量超过高速钢，允许的切削温度高达800-1000C，常温硬度达89-93HRA,在540C时为82-87HRA，与高速钢常温时硬度（83-86HRA)相同，760C时硬度达77-85HRA，并