硬質(zhì)合金涂層刀具的發(fā)展

/硬質(zhì)合金涂層刀具的進展硬質(zhì)合金刀具的硬涂層可提高刀具壽命和生產(chǎn)率?；瘜W氣相沉積（CVD）技術已從早期的單涂層進展到現(xiàn)在的由Tic、TiN、TiCN和Al2O3復合多涂層，而且通過選擇涂層的次序及涂層的總厚度來充足特種金屬切削的要求，尤其是Al2O3涂層可供給包括高的抗擴散性磨損、優(yōu)良的抗氧化性和高的熱硬度等極好的高溫性能，所以在鑄鐵及鋼等材料高速加工獲得廣泛應用。近年來，刀具制造商已引進中溫（MT）CVDTiCN涂層，當使用乙晴作為有機的C/N源，TiCN的沉積大約發(fā)生在850℃，而高溫CVDTiCN涂層要加熱高于1000℃。MT－TiCN涂層用于車削和銑削時具有很好的耐磨性能，它具有穩(wěn)定的C/N比，并可削減涂層與硬質(zhì)合金基體之間界面形成eta相的傾向。十多年前，物理氣相沉積（PVD）已應用于圓柱形硬質(zhì)合金刀具，包括間斷切削和/或一些需要鋒利刀刃的金屬切削刀片。最初PVD涂層只限于TiN,而現(xiàn)在工業(yè)上已有適用的PVDTiCN和TiAlN涂層，采納多種不同的PVD技術，如電子束蒸發(fā)、濺射、電弧蒸發(fā)等。CVD金剛石涂層采納了很多金剛石合成技術，最一般的是熱絲法、微波等離子法和d、c等離子噴射法。通過改進涂層方法和涂層的粘結，已生產(chǎn)出金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具，并在加工非鐵及非金屬材料方面起側緊要的作用。近來金剛石涂層刀具已在工業(yè)上得到應用。硬質(zhì)合金刀具的硬涂層硬涂層的性能切削刀具基體硬涂層的成功是由于涂層的物理和力學性能的復合作用。從使用的角度來年，涂層應具有穩(wěn)定的化學穩(wěn)定性能、熱硬度和與基體較強的粘結性能。優(yōu)化的涂層厚度、細的顯微結構及殘余壓應力可以進一步提高涂層性能。化學穩(wěn)定性涂層材料化學惰性的標準是它的形成標準，自由能的負數(shù)很高或在切削溫度下它在工件材料的溶解度很低。至今，CVDAl2O3硬涂層在材材加工中完全可充足這些要求。無定形PVDAl2O3涂層是軟的而且不穩(wěn)定，因此不如結晶的CVDAl2O3；PVDTiAlN涂層與TiN或TiCN相比，具有較高的穩(wěn)定性，因此有可能在高速切削加工中獲得應用。金剛石涂層刀具適用于加工含有第二相磨粒的非鐵合金（如硅鋁合金）以及不與硫反應的非金屬材料（如金屬基復合材料和纖維加強塑料）。硬度切削刀具的后面承受磨粒磨敲，在切削溫度下，只要硬涂層比基體的硬度高，就有助于加強抗磨粒磨損，雖然切削重要由化學磨損所掌控，但由于高的涂層硬度會使刀具前面在較高的溫度下，其抗月牙洼磨損性能得到加強。這一觀點目前尚存有爭議。顯微結構及形態(tài)涂層方法及過程參數(shù)影響硬涂層的顯微結構，反之，顯微結構（如顆粒尺寸、顆粒結構、顆粒邊界和相邊界）又影響硬涂層的力學性能和金屬切削性能。眾所周知，PVDTiN涂層具有較細的顆粒尺寸，相對于CVDTiN涂層具有較高的顯微硬度，具有高的點陣缺陷密度的PVD涂層還具有高的殘余應力，這也有助于提高其顯微硬度。硬質(zhì)合金刀具的Al2O3涂層通常是用CVD方法沉積的。Al2O3存在很多結晶形態(tài)；最普遍存在的多晶形態(tài)是穩(wěn)定的－Al2O3和亞穩(wěn)定的K－Al2O3。－Al2O3的顆粒形狀為柱狀，它和K－Al2O3相比，其位錯密度及孔隙較大，并且孔隙常存在于顆粒邊界。K－Al2O3涂層是細顆粒的2～0.5m，而且沒有位錯。粘結為了獲得充足的切削性能，刀具涂層與基體的粘結必需堅固。在基體上開始的涂層成核應當是涂層和基體原子在界面上的相互擴散，這在熱CVD方法中能夠達到，等離子輔佑襄助沉積法即使在較低的溫度下用高能轟擊產(chǎn)生晶格缺陷，亦可提高涂層試樣在界面的快速擴散，對于金剛石涂層，在涂層之前，待涂基體表面的鈷是衡量涂層與基體粘結強度好壞的關鍵，表面腐蝕和熱處理是用以促進金剛石膜對硬質(zhì)合金基體粘結的另一種方法。涂層厚度為了達到最大的金屬切除率，涂層的厚度必需是最優(yōu)化的：太薄，在切削時保持的時間太短；太厚，它的作用就好象是整體的材料，失去了與基體組合的優(yōu)越性。經(jīng)確定，有新的刀具涂層厚度范圍是2～20m。CVD沉積的涂層厚度取決于應用場合，一般在5～20m范圍內(nèi)，而PVD涂層厚度通常小于5m。金剛石涂層的厚度一般比CVD或PVD涂層厚，與聚晶金剛石涂層一樣可適用于厚度為20～40m的范圍。硬涂層的沉積方法按其原始材料的揮發(fā)和反應需要的能量形式，有熱沉積和等離子輔佑襄助沉積之分。當今，金屬切削切具廣泛使用鈦基硬涂層TiN、TiCN、TiC和TiAlN以及陶瓷硬涂層Al2O3。很多不同熱沉積技術和等離子沉積技術用于制造具有相同成分的涂層。在多數(shù)情況下可使用幾種不同的涂層方法。涂層的顯微結構及涂層刀具的性能是由涂層方法和涂層過程參數(shù)來確定，通常，揮發(fā)的形式和沉積溫度可區(qū)分不同的涂層方法。熱高溫CVD法（HT—CVD）發(fā)生在900～1100℃，此溫度高于PVD法實行的300～600℃。熱中溫CVD（MT—CVD）方法的工作溫度介于HT—CVD和PVD方法之間，當使用乙晴（CH3CN）作為一種有機C/N源來沉積MT—TiCN涂層時，MT—CVD涂層溫度減至750～900℃。CVD硬涂層采納等離子輔佑襄助，進一步削減沉積溫度至750℃以下是可能的。在PA—CVD過程用脈沖低壓輝光放電催化反應氣體，能使在較低溫度下發(fā)生化學反應，與CVD法不同的是，PVD法的沉積溫度相當?shù)?，因此PVD等離子產(chǎn)生亞穩(wěn)結構，在基體上使用負偏壓引進離子轟擊，改進了PVD涂層的粘結并生長出細顆粒的抗磨層，激烈的離子轟擊也在PVD涂層內(nèi)引入高的內(nèi)應力。由于金屬性硬組分的揮發(fā)形式不同，其PVD方法和實行的等離子條件也不同。PVD濺射法是金屬汽不經(jīng)過液相，直接從金屬靶子揮發(fā)，重要優(yōu)點是能夠蒸發(fā)不同熔點的金屬（如TiAlN）。PVD電弧蒸發(fā)法比PVD濺射法采納的輸入能量要高。高能量電弧很快地通過揮發(fā)的金屬表面，使一塊小的、有限的面積揮發(fā)，這樣產(chǎn)生的等離子是由高度離子化的金屬汽構成的。PVD方法常采納一種高能電子束，此法的優(yōu)點是有很好的過程掌控和平衡的等離子離子化。目前，金剛石沉積采納三種方法：微波等離子法、熱絲法和等離子噴射法。高質(zhì)量的金剛石膜應存在大量的氫原子，以穩(wěn)定SP3金剛石鍵和削減膜中的石墨量。微波等離子法使用微波能源以產(chǎn)生沉積速率為2～3m/h的輝光放電。熱絲法是將耐火金屬絲加熱到2000～2500℃，以產(chǎn)生所需充足量的原子氫和金剛石原始粒子，沉積速率可達0.5～1.5m/h。等離子噴射法包括d、c和r、f等離子，它們的氣體溫度在5000～8000℃范圍。熱等離子促使氣體粒子分解，可達到極高的沉積速率（高至400m/h）。全部上述熱的和等離子輔佑襄助涂層方法都需要價格昂貴的設備，此外，涂層過程的多而雜性（技術上或經(jīng)濟上的原因）都難以去組合不同的涂層方法。涂層技術基本上分為兩個緊要的過程參數(shù)：沉積溫度和工作壓力，這些參數(shù)對沉積條件有很大影響，對涂層產(chǎn)品的性能也有很大的影響。由于涂層刀具具有抗磨粒磨損、抗月牙洼磨損等性能，并允許使用較高的切削速度，所以當今在美國和西歐超過60%的金屬切削刀片都是CVD涂層的。硬質(zhì)合金基體的脆性與早期的CVD涂層沉積技術形成的相有關，而現(xiàn)在由于基體的碳掌控較好和CVD方法的改進，形成相的情況已大大削減或已被除去，使涂層硬質(zhì)合金刀具應用范圍更廣，包括車、鏜、切絲、切槽、切割和銑削。這些刀具適用于加工硫、合金、不銹鋼、灰鑄鐵、韌性鑄鐵和高溫合金材料。用于銑削工序抗磨的5mHT—CVD涂層，第一層是TiN,它可削減形成相的傾向；用于車削的涂層，第一層是13m厚的TiC（HT—CVD）。在第一層之上生長的重要作用層是TiCN,它優(yōu)化了硬度、抗月牙洼磨損和抗后面磨損的性能，表面層是TiN。尤其對于間斷切削的應用（銑削），用MT—CVD涂層可進一步改善CVD涂層硬質(zhì)合金刀具的韌性，MT—CVD方法較低的沉積溫度（～850℃）和較短的沉積時間削減了在涂層和基體界面形成脆性相的傾向，因此提高了涂層刀具在間斷切削應用中的性能。MT—CVD方法較高的沉積速率產(chǎn)生一種柱狀涂層結構。MT—CVD涂層可應用于全部HT—CVD涂層刀具應用的加工領域。CVDAl2O3涂層方法也有很大的改進，可生產(chǎn)肯定晶體結構、厚而均勻的Al2O3涂層。由于Al2O3的高溫性能，所以HT—Al2O3涂層刀具可應用于高速加工鋼和鑄鐵。Al2O3涂層能沉積為單層或交替多層的—Al2O3或K—Al2O3結構，用這些涂層幾乎可以達到陶瓷切削刀具同樣高的切削速度。目前已經(jīng)進展了既有Al2O3涂層極其優(yōu)良的高溫性能，又有MT—CVDTiCN涂層高韌性的復合CVD涂層，這些MT—TiCN—Al2O3復合涂層已成功地用于銑削和車削，在掌控條件下可沉積K—Al2O3和—Al2O3。PVD涂層的進展由于PVD方法具有沉積溫度低、能夠在鋒利的刀刃上涂的光滑的，細顆粒的無裂紋的涂層和良好的殘余內(nèi)應力等優(yōu)點，所以PVDTiN涂層已廣泛用于硬質(zhì)合金刀具和其它基體（如對涂層溫度敏感的金屬陶瓷基體）。PVD技術的進展已導致商品化的新化合物如TiCN、TiAlN及TiZrN和CrN等化合物的顯現(xiàn)。在涂層刀片的應用中，CVD涂層刀具占大多數(shù)。而在銑、鉆、螺紋加工、切槽和切斷等加工中，刀具PVD涂層已超過CVD涂層。PVD涂層在加工難加工材料如高溫合金和奧氏體不銹鋼時效果很好。金剛石涂層金剛石涂層具有硬度高、摩擦系數(shù)低、導熱性高和熱膨脹系數(shù)低等特點，然而金剛石會與周期表IVA族至VIIA族的元素起反應，所以金剛石涂層刀具只適于加工非鐵和非金屬工件材料。金剛石刀具的磨損方式有氧化、與工件材料起化學反應、微裂和嚴重斷裂等幾種情況及其組合。金剛石涂層具有一種高度小平面形的組織結構，這使得在刀片的前面呈顯微粗糙的表面。這種粗糙的金剛石小平面的作用好象是顯微斷屑器，而在刀片的后面，這種小平面會導致工件加工表面干凈度變差。當今，汽車工業(yè)在加工硅鋁合金（特別是300系列）零件時，重要是使用金剛石涂層刀具。金剛石涂層刀具還有望在加工金屬基復合材料（MMC）、碳碳復合材料和村材加工業(yè)等領域獲得應用。立方氮化硼（CBN）涂層立方氮化硼（CBN）是氮化硼的高溫高壓相，它是第二種最硬的材料（達60GPa），其結構仿佛于金剛石，但CBN對于熱鐵、熱鋼和氧化環(huán)境具有化學惰性，在氧化時，形成一薄層氧化硼，此氧化物層給涂層供給了化學穩(wěn)定性，因此它在加工硬的鐵材（50～65HRC）、灰鑄鐵、高溫合金和燒結的粉末金屬時具有明顯的優(yōu)越性。很多科研人員試圖用CVD和PVD技術沉積立方氮化硼薄膜。試驗結果表明，在合成CBN相、對硬質(zhì)合金基體的良好粘結和合適的顯微硬度等方面已取得肯定的進展。目前沉積在硬質(zhì)合金基體上的立方氮化硼膜厚最大僅為0.2～0.5m,若想達到商品化，則必需采納牢靠的技術來沉積高純的、經(jīng)濟的CBN薄膜，其膜厚應在3～5m,并在實際金屬切削加工中證明其效果。將來的潛力CVD涂層硬質(zhì)合金刀具的使用已取得快速進展，MT—CVD涂層的韌性超過HT—CVD涂層，但是除了沉積TiCN涂層之外，若想擴展這項涂層技術，至今還不能實現(xiàn)。等離子輔佑襄助CVD涂層也有仿佛的優(yōu)越性，但涂層成分也受到限制。人們期望采納低溫沉積方法能夠生產(chǎn)出新的涂層成分。