刀具涂層材料的分類及研究進(jìn)展

刀具涂層材料的分類及研究進(jìn)展摘要：采用涂層技術(shù)可有效提高切削刀具的使用壽命,使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，從而大幅度提高機(jī)械加工效率。我國的刀具涂層材料經(jīng)過多年發(fā)展，目前正處于關(guān)鍵時(shí)期，充分了解國內(nèi)外刀具涂層材料的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，有計(jì)劃、按步驟地發(fā)展刀具涂層材料，對(duì)提高我國切削刀具制造水平具有重要意義。關(guān)鍵詞：涂層刀具硬度膜ProgressinthecoatingmaterialsfortoolsandtheirclassificationAbstract：Coatingtechnologycanbeusedtoimprovetheservicelifeofcuttingtoolseffectivelyandenablethecuttingtoolstoobtainexcellentandcomprehensivemechanicalpropertiesthatwillimprovemachiningefficiencysignificantly.AfteryearsofdevelopmentcurrentcoatingmaterialsforcuttingtoolsisatacrucialperiodinChina,fullunderstandingonpresentstatusanddevelopmenttrendoftoolcoatingmaterialsbothathomeandabroad,andaplannedstep-by-stepdevelopmentofthecoatingmaterialsforcuttingtoolswillbeoffarreachingimportanceforimprovementofourlevelincuttingtoolmanufacturing.KeyWords:Coating，CuttingTool，Hardness，F(xiàn)ilm數(shù)控技術(shù)的發(fā)展離不開高壽命的切削工具——刀具。自刀具涂層技術(shù)從問世以來，刀具的性能得到了很大的改善，對(duì)加工技術(shù)的進(jìn)步起著非常重要的作用。涂層刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志，西方國家新型數(shù)控機(jī)床所用切削刀具中有80%左右使用涂層刀具，而且隨著21世紀(jì)科技的發(fā)展，涂層刀具的比例將進(jìn)一步增加。目前在制造業(yè)所用硬質(zhì)合金刀具上采用較多的涂層有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出現(xiàn)的AlCrN、TiSiN涂層等等，刀具壽命明顯提高。另外涂層在鉆頭、鉸刀、齒輪滾刀、絲錐上也都獲得很好的應(yīng)用效果。隨著科技的發(fā)展，刀具涂層技術(shù)將不斷提高，刀具涂層材料也日新月異。1刀具涂層材料的種類刀具涂層材料有多種分類方法，根據(jù)涂層材料的性質(zhì)，刀具涂層材料可分為兩大類，即:“硬”刀具涂層材料和“軟”刀具涂層材料。“硬”涂層刀具追求高的硬度和耐磨性。目前應(yīng)用最多的刀具硬涂層材料有金剛石、類金剛石、氮化碳、立方氮化硼以及TiC、TiN、TiCN、Al2O3、TiAlN等及其組合。“軟”刀具涂層材料追求低摩擦系數(shù)，與工件材料的摩擦系數(shù)很低，可減小粘結(jié)，減輕摩擦，降低切削力和切削溫度?！败洝蓖繉拥毒卟牧现饕蠱oS2、WS2、CaS2、TaS2等及其組合，又稱為“自潤滑刀具”涂層材料。另外涂層方式有:單涂層、多涂層、梯度涂層、軟/硬復(fù)合涂層、納米涂層、超硬薄膜涂層等多種涂層方式，如圖1所示：2常用“硬”刀具涂層材料的發(fā)展與應(yīng)用隨著現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中各種新型的、難加工材料的涌現(xiàn)以及工件加工精度的不斷提高，傳統(tǒng)的切削刀具材料在很多領(lǐng)域已不能滿足需要，于是超硬刀具材料的開發(fā)和應(yīng)用越來越得到專業(yè)技術(shù)人員的重視。常用的超硬刀具涂層材料主要有金剛石薄膜、氮化碳涂層、TiN、TiC基涂層等，尤其是TiN、TiC基涂層應(yīng)用最為廣泛。2．1金剛石薄膜金剛石薄膜具有優(yōu)異的力、熱、光、電等性能以及高彈性模量和低摩擦系數(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在金剛石涂層刀具領(lǐng)域，被認(rèn)為是金剛石薄膜能夠最先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)域之一，受到各國科學(xué)界和有關(guān)公司的關(guān)注，各國都投入了大量人力物力進(jìn)行研究。自上世紀(jì)80年代開展金剛石薄膜研究熱膜，現(xiàn)在，國外已有商業(yè)化的金剛石涂層刀具出售，我國雖有許多科研單位都報(bào)道在實(shí)驗(yàn)室成功制備出高附著力的金剛石薄膜刀具，但離產(chǎn)品的完全市場化還有一段距離。關(guān)鍵問題是要進(jìn)一步提高附著力的前提下，解決批量生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可重復(fù)性問題。另外，金剛石薄膜的應(yīng)用在許多方面取得突破，金剛石涂層工具能加工非鐵合金如Si4.2立方氮化硼(CBN)涂層CBN是繼人工合成金剛石之后出現(xiàn)的另一種超硬材料,它除了具有許多與金剛石類似的優(yōu)異物理、化學(xué)特性(如超高硬度,僅次于金剛石,高耐磨性,低摩擦系數(shù),低熱膨脹系數(shù)等外,同時(shí)還具有一些優(yōu)于金剛石的特性。CBN對(duì)于鐵、鋼和氧化環(huán)境具有化學(xué)惰性,在氧化時(shí)形成一薄層氧化硼,此氧化物為涂層提供了化學(xué)穩(wěn)定性,因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時(shí)耐熱性也極為優(yōu)良,在相當(dāng)高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、淬火鋼、鈦合金等,并能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對(duì)刀具磨損非常嚴(yán)重的硅鋁合金等難加工材料。自1987年Ina2gawa等成功地制備了出純的CBN涂層以來,在國際上掀起了CBN硬質(zhì)涂層的研究熱潮。低壓氣相合成CBN涂層的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化學(xué)輸運(yùn)PCVD,熱絲輔助加熱PCVD,ECRCVD等;PVD則有反應(yīng)離子束鍍、活性反應(yīng)蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。研究結(jié)果表明:在合成CBN相、對(duì)硬質(zhì)合金基體的良好粘結(jié)和合適的硬度等方面已取得了進(jìn)展,目前沉積在硬質(zhì)合金上的立方氮化硼最大僅為012-015Lm,若想達(dá)到商品化,則必須采用可靠的技術(shù)來沉積高純的經(jīng)濟(jì)的CBN涂層,其厚度應(yīng)在3-5Lm,并在實(shí)際金屬切削加工中證實(shí)其效果。4.3CNx涂層二十世代八十年代,美國科學(xué)家Liu和Co2hen設(shè)計(jì)了類似B2Si3N4的新型化合物B2C3N4,并采用固體物理和量子化學(xué)理論計(jì)算出它的硬度可能達(dá)到金剛石,這引起了世界各國科學(xué)家的關(guān)注。合成氮化碳成為世界材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門課題。日本Okayama大學(xué)的FFujimoto采用電子束蒸發(fā)離子束輔助沉積法獲得的氮化碳涂層達(dá)到6317GPa,武漢大學(xué)[合成的氮化碳硬度分別達(dá)到50GPa,并沉積到高速鋼麻花鉆上,獲得非常好的鉆孔性能。合成氮化碳的主要方法有真流和射頻反應(yīng)濺射法、激光蒸發(fā)和離子束輔助沉積法ECR-CVD法、雙離子束沉積法等。5結(jié)語目前刀具涂層材料的開發(fā)研究和在制造業(yè)的應(yīng)用研究都有加速的趨勢，涂層結(jié)構(gòu)正向著納米級(jí)多元化、復(fù)合化和多層化的方向發(fā)展。在多層涂層中尤其是納米多層膜，各單一成分涂層的厚度將越來越薄，