浅谈刀具涂层技术发展及应用 (1)

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1、浅谈刀具涂层技术发展及应用(1)近30余年来，刀具涂层技术迅速发展，涂层刀具得到了广泛应用。1969年德国克虏伯(Krupp)公司和瑞典山特维克(Sandvik)公司研发成功了化学气相沉积(CVD)涂层技术，并向市场推出了CVDTiC涂层硬质合金刀片产品。20世纪70年代初，美国本夏(R.Runshan)和拉格胡南(A.Raghuran)研发了物理气相沉积(PVD)工艺，并于1981年将PVDTiN高速钢刀具产品推向市场。当时CVD涂层工艺温度约1000℃，主要用于硬质合金刀具(刀片)的表面涂层;PVD涂层工艺温度为500℃和500℃以下，主要用于高速钢刀

2、具的表面涂层。　　后来，CVD和PVD涂层技术不断迅速发展，在涂层材料、涂层设备和工艺等方面都有了很大进步，而且发展了多层材料的涂覆技术，使涂层刀具(刀片)的使用性能有了很大的提高。PVD涂层技术过去主要用于高速钢刀具，而近年来随着PVD涂层技术飞跃发展，也成功用于硬质合金刀具(刀片)，占领了硬质合金涂层刀具(刀片)的一半阵地。现在，涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具(刀片)广泛应用，已占全部刀具使用总量的50%以上。　　涂层刀具的优越性　　在韧性较好的刀具(刀片)基体上进行表面涂层，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层(如TiN、TiC等)，使刀具(

3、刀片)具有全面、良好的综合性能。未涂层高速钢的硬度仅为62~68HRC(760~960HV)，硬质合金的硬度仅为89~93.5HRA(1300~1850HV);而涂层后的表面硬度可达2000~3000HV以上。　　①由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温。故与未涂层的刀具(刀片)相比，涂层刀具允许采用较高的切削速度，从而提高了切削加工效率;或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。　　②由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故涂层刀具(刀片)的切削力小于未涂层刀具(刀片)。　　③用涂层刀具(刀片)加工，零件的已加工表面质量较好。　　④由于涂层刀

4、具(刀片)的综合性能良好，故涂层硬质合金刀片有较好的通用性，一种涂层硬质合金牌号的刀片具有较宽的使用范围。　　刀具涂层技术的发展和进步　　笔者多次参观了国际机床工具展览会，收集到很多资料，并听取了各大工具公司的技术报告，从而了解到刀具产品表面涂层技术的发展和进步。　　CVD涂层技术的进展　　过去，硬质合金刀具表面涂层采用高温化学气相沉积(HTCVD)工艺。在常压或负压的沉积系统中，将纯净的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等气体根据沉积物的成分，按一定配比均匀混和，依次涂到具备一定温度(一般为1000~1050℃)的硬质合金刀片表面，即在刀

5、片表面沉积TiC、TiN、Ti、Al2O3或者它们的复合涂层。直到现在，HTCVD仍是使用最多的工艺方法，除HTCVD外，还有等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺，它是在硬质合金刀具(刀片)表面涂层的另一种方法，因这种涂层工艺温度较低(700~800℃)，故刀片的抗弯强度降低。因为TiC与基体材料的线膨胀系数最接近，通常用TiC薄层先涂在基体表面上，外面再涂TiN、Al2O3,如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/Ti/TiN等。　　后来，发展了各种不同组合的多层涂层。笔者在多次展览会上调查和统计了瑞典、德国、美国、日本、韩国、以色列和中国各公司的

6、CVD涂层硬质合金刀片产品，涂层材料有以下组合：Ti/Al2O3、Ti/TiC/TiN、Ti/TiC/Al2O3、Ti/Al2O3/TiN、Ti/TiC/Al2O3/TiN、Ti/Al2O3/Ti、TiN,TiC/Ti/TiN、TiN/Ti/TiN等。可以看出，近年多用Ti或TiN作底层，这是因为基体硬质合金有了改进，例如采用了梯度结构，才有可能用Ti或TiN垫底。此外，TiN涂层不宜单独使用，因为与硬质合金相比，TiN的硬度提高不多，TiN必须与TiC、Ti、Al2O3等组合使用。　　PVD涂层技术的进展　　早期，PVD涂层均采用“真空蒸镀法”,膜层往往

7、不均匀，与基体的结合不够牢固，后发展了“真空磁控溅射法”和“真空等离子镀工艺”,效果很好。现在刀具表面涂层主要用后两种方法。　　早年，PVD涂层只用于高速钢刀具，涂层材料几乎只用TiN一种。后来，改进了涂层工艺，发展了多种涂层材料和多层涂层，在硬质合金刀具上也得到了大量的应用。涂层效果比以往大有进步。TiN涂层材料仍在使用，新兴的涂层材料是TiAlN和AlTiN,其使用效果优于TiN。　　欧洲的PVD涂层技术水平最高，领先于其他国家和地区。知名的厂商有欧瑞康巴尔查斯(OerlkonBalzers)公司、德国PVT等离子真空技术公司和丹麦尤尼莫克(Unime

8、rco)公司等。他们的PVD涂层设备和工艺先进，涂层材料品种多，涂