刀具涂层材料研究进展

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1、刀具涂层材料研究进展1引言    涂层刀具是利用气相沉积方法在高强度的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面涂覆几个微米的高硬度，高耐磨性的难熔金属或非金属化合物涂层而获得的。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、摩擦系数小和热导率低等特性，涂层材料作为化学屏障和热屏障，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，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%。    涂层刀具的出现

2、是刀具材料发展中的一次革命。自涂层刀具问世以来，刀具涂层技术取得了快速发展，涂层种类也越来越多。工业发达国家使用的涂层刀具在切削刀具中占的比例越来越大，约占到70%～80%，涂层刀具已经成为现代刀具的标志。表1所示为刀具涂层材料的发展状况，从第一代的单涂层逐渐发展到多元多层涂层以满足不同材料及切削环境的切削加工，随着涂层技术的发展，新型的纳米技术涂层和软涂层逐步走向市场。    表1刀具涂层材料的发展    时间－涂层材料－涂层方法－主要应用    1968－TiC,TiN－CVD－硬质合金刀具 

3、   1973－TiCN,TiCN+Al2O3－CVD－硬质合金刀具    1979－TiN－PVD－高速钢刀具    1981－TiC+Al2O3+TiN－CVD－硬质合金刀具    1982－TiCN－MT-CVD－硬质合金刀具    1984－TiCN－PVD－硬质合金，高速钢刀具    1986－Diamond,CBN－CVD,PVD－硬质合金刀具    1989－TiAlN－PVD－硬质合金高速刀具    1990－TiN,TiCN,TiC－PCVD－硬质合金刀具    1993－CrN

4、－PVD－钛合金，铜合金加工    1994－MoS2－PVD－高速钢刀具    1995－CNx－CVD,PVD－高速钢刀具    2000－TiAlCN－PVD－硬质合金刀具  2000－TiN/AlN纳米多层－PVD－硬质合金，高速钢刀具    2003－TiN/a-Si3N4纳米复合－PCVD－硬质合金刀具    2004－AlCrN－PVD－硬质合金，高速钢刀具    2005－Al2O3－PVD－硬质合金刀具    2单涂层    TiC和TiN是最早出现的刀具涂层材料，也是目前国内外

5、应用较多的涂层。TiC涂层硬度高（达HV2500～4200），具有高的抗机械磨损和抗磨料磨损性能，与未涂层刀具相比，有较低的摩擦系数，较小的切削力和较低的切削温度，具有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力，应用温度500℃，但其性脆，不耐冲击。TiN涂层是工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料，其突出优点是摩擦系数小，应用温度达到600℃，适于加工钢材或切削易于粘在前刀面上的材料。目前国内外的刀具公司都有这两种涂层牌号的产品。    化学气相沉积（CVD）的Al2O3涂层刀具的切削性能高于TiN和T

6、iC涂层刀具，且切削速度愈高，刀具耐用度提高的幅度也愈大。在高速范围切削钢件时，Al2O3涂层在高温下硬度降低较TiC涂层小，Al2O3具有更好的化学稳定性和高温抗氧化能力，因此具有更好的抗月牙洼磨损、抗后刀面磨损和抗刃口热塑性变形的能力，在高温下有较高的耐用度。第一代Al2O3涂层切削刀具中，涂层常常是由a-和κ-Al2O3的混合物组成，导致不均匀的涂层形貌，严重降低涂层性能。过去的10年里，在控制a-Al2O3晶体成核和细颗粒微观结构方面取得了很大进步。早期的a-Al2O3涂层出现热裂纹并且易

7、碎，最近通过调节晶核表面的化学作用就可能完全控制并使a-Al2O3相成核，形成由细颗粒a-Al2O3组成的涂层，避免了转化裂纹，与早先技术得到的a-Al2O3涂层相比，表现出优异的韧性。    Al2O3涂层的绝缘特性使物理气相沉积（PVD）工艺相当难于控制，且沉积速度很低，如何能通过PVD的方法制备Al2O3涂层一直是刀具涂层业所关心的问题。CemeCon公司开发的高电离化脉冲技术(HIPTM)，使优异的AlOx涂层成为可能。该公司新近开发的建立在磁控溅射TiAlN涂层基础上Al2O3涂层，涂覆

8、温度低于450℃，在铸铁和高性能和合金材料试验上取得了满意结果。    HfN热膨胀系数非常接近硬质合金基体，涂镀后产生的热应力很小，刀片抗弯强度降低少，因热膨胀系数不同而引起的和崩刃的危险性减少，且HfN热稳定性和化学稳定性较很多高熔点材料的高，在温度高达817～1204℃时仍有很高的硬度(30GPa)，耐磨性好。目前市场上美国Teledyne公司牌号为HN＋及HN＋4的刀片及德国Walter公司牌号为WHN的刀片都是HfN涂层刀片。  由于TiC、TiN涂层与钛合金和铝合金材料