国内刀具涂层的发展

国内刀具涂层的发展 刀具涂层 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)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，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，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%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。涂层刀具有四种:涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，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。但以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)，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种:物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。前者沉积温度为500?，涂层厚度为2~5µm;后者的沉积温度为900?~1100?，涂层厚度可达5~10µm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400?以下(目前涂覆温度已可降至180?~200?)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。金刚公司推出的各种新型涂层涂 层颜 色硬 度HV厚 度µm摩擦系数最高使用温度?说 明 ZrCN复合兰灰25001-4 0.3 550 通用性强 TiN单层 金黄23001-4 0.4 500 高性价比涂层 TiAlN复合 紫色32001-4 0.5 800 通用性强 AlTiN复合黑 34001-4 0.5 900 高速、高硬度加工 TiAlCrN 亚黑35001-4 0.6 1000特殊加工领域 TiCN渐层灰黑30001-4 0.4 400 高韧性通用涂层 CrN渐层 银亮20003-150.5 700 适用加工铜、钛、模具 DLC 黑彩1000~4000 0.5-2 0.05400 适用于有色金属、石墨、塑胶涂层材料涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前，又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是TiN，但TiN与基体结合强度不及TiC涂层，涂层易剥落，且硬度也不如TiC高，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧 蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点，它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性质，并形成不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩刃。所以，目前生产的一些刀片，如瑞典Sandvik(山多维克)公司推荐用于加工钢料的GC4000系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的CN系列刀片、日本东芝公司的T715X和T725X涂层刀片中均有TiCN涂层成份。TiCN基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可提高2~3倍。 TiAlN、CrN、TiAlCrN是近几年来开发的硬质涂层新材料。TiAlN涂层刀片已商品化。它的化学稳定性和抗氧化磨损性能好，用其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和镍合金时的刀具寿命可比TiN涂层高3~4倍。此外，TiAlN涂层中如果有合适的铝浓度，切削时在刀具前刀面和切屑的界面上还会产生一层硬质的惰性保护膜，该膜有较好的隔热性，可更有效地用于高速切削。例如，美国Kennametal(肯纳)公司推出的H7刀片，系TiAlN涂层，是专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而的。CrN是一种无钛涂层，适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其它软材料，化学稳定性好，不产生粘屑。TiAlCrN是一种梯度结构涂层，不仅具有高的韧性和硬度，而且摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优于TiN。德国某公司开发了Supernitride涂层系列，其中超级氮化钛涂层有很高的含铝量，可形成稳定的氧化层(氧化温度达1000?)，它比一般的TiAlN涂层更硬、更致密、更耐高温，适用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高达58HRC以上的淬火钢。此外，纳米超薄膜涂层工艺已日趋成熟。据报道，日本某公司推出了一种高速强力型钻头，它是在韧性好的K类(WC+Co)硬质合金基体上交互涂覆了1,000层TiN和AlN超薄膜涂层，涂层厚度约2.5µm。使用表明，该钻头的抗弯强度与断裂韧性可大幅度提高，其硬度则与CBN相当，刀具寿命可提高2倍左右。该公司还开发出ZX涂层立铣刀，超薄膜镀层数达2,000层，每层厚度约1nm，用该立铣刀加工60HRC的高硬度材料，刀具寿命远高于TiCN和TiAlN涂层刀具。第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，瑞士某公司推出的纳米结构涂层(AITiN/SiN) 立铣刀，其涂层硬度为45GPa，氧化温度1100?，切削对比试验表明，其寿命比TiN涂层立铣刀高3倍，比TiAlCN涂层立铣刀高2倍。除上述AITiN/SiN、TiAlCN新涂层外，还有特定功能的涂层，如MoS2、DLC润滑涂层，其摩擦因数小(0.05)，适于涂覆丝锥、钻头等刀具，可改善排屑性能，或者作为复合涂层的表面涂层，减少切屑的粘结。 刀具公司 虽然中国是硬质合金原料出口最多的国家，但现在国内的刀具和 国际优秀的刀具相差可是有一段距离的，现在国内最好的就是株洲钻石，但是只能国际中等水平，像国际领先的刀具生产商ISCRA、瓦尔特、肯纳、山特维克、特固克都是有很大一段距离。像其他的一些刀具厂生产的只可使用于要求、精度不是很高的产品。 涂层 涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)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，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，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%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。涂层刀具有四种:涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，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。但以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)，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。涂层方法目前生产上常用的涂层方法有两种:物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。前者沉积温度为500?，涂层厚度为2~5µm;后者的沉积温度为900?~1100?，涂层厚度可达5~10µm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400?以下(目前涂覆温度已可降至180?~200?)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。金刚公司推出的各种新型涂层涂 层颜 色硬 度HV厚 度µm摩擦系数最高使用温度?说 明 ZrCN复合兰灰25001-4 0.3 550 通用性强 TiN单层 金黄23001-4 0.4 500 高性价比涂层 TiAlN复合 紫色32001-4 0.5 800 通用性强 AlTiN复合黑 34001-4 0.5 900 高速、高硬度加工 TiAlCrN 亚黑35001-4 0.6 1000特殊加工领域 TiCN渐层灰黑30001-4 0.4 400 高韧性通用涂层 CrN渐层 银亮20003-150.5 700 适用加工铜、钛、模具 DLC 黑彩 1000~4000 0.5-2 0.05400 适用于有色金属、石墨、塑胶涂层材料涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前，又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是TiN，但TiN与基体结合强度不及TiC涂层，涂层易剥落，且硬度也不如TiC高，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点，它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性质，并形成不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩刃。所以，目前生产的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推荐用于加工钢料的GC4000系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的CN系列刀片、日本东芝公司的T715X和T725X涂层刀片中均有TiCN涂层成份。TiCN基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可提高2~3倍。 TiAlN、CrN、TiAlCrN是近几年来开发的硬质涂层新材料。TiAlN涂层刀片已商品化。它的化学稳定性和抗氧化磨损性能好，用其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和镍合金时的刀具寿命可比TiN涂层高3~4倍。此外，TiAlN涂层中如果有合适的铝浓度，切削时在刀具前刀面和切屑的界面上还会产生一层硬质的惰性保护膜，该膜有较好的隔热性，可更有效地用于高速切削。例如，美国Kennametal公司推出的H7刀片，系TiAlN涂层，是专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而设计的。CrN是一种无钛涂层，适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其它软材料，化学稳定性好，不产生粘屑。TiAlCrN是一种梯度结构涂层，不仅具有高的韧性和硬度，而且摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优于TiN。德国某公司开发了Supernitride涂层系列，其中超级氮化钛涂层有很高的含铝量，可形成稳定的氧化层(氧化温度达1000?)，它比一般的TiAlN涂层更硬、更致密、更耐高温，适用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高达58HRC以上的淬火钢。此外，纳米超薄膜涂层工艺已日趋成熟。据报道，日本某公司推出了一种高速强力型钻头，它是在韧性好的K类(WC+Co)硬质合金基体上交互涂覆了1,000层TiN和AlN超薄膜涂层，涂层厚度约2.5µm。使用表明，该钻头的抗弯强度与断裂韧性可大幅度提高，其硬度则与CBN相当，刀具寿命可提高2倍左右。该公司还开发出ZX涂层立铣刀，超薄膜镀层数达2,000层，每层厚度约1nm，用该立铣刀加工60HRC的高硬度材料，刀具寿命远高于TiCN和TiAlN涂层刀具。第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，瑞士某公司推出的纳米结构涂层(AITiN/SiN) 立铣刀，其涂层硬度为45GPa，氧化温度1100?，切削对比试验表明，其寿命比TiN涂层立铣刀高3倍，比TiAlCN涂层立铣刀高2倍。除上述AITiN/SiN、TiAlCN新涂层外，还有特定功能的涂层，如MoS2、DLC润滑涂层，其摩擦 因数小(0.05)，适于涂覆丝锥、钻头等刀具，可改善排屑性能，或者作为复合涂层的表面涂层，减少切屑的粘结。 其它回答: 涂层刀具的基体材料与涂层材料应合理匹配，须根据不同的加工要求选用。涂层高速钢刀具的基体，既可用W6Mo5Cr4V2(M2)的通用型高速钢，也可用含钴的超硬高速钢和粉末冶金高速钢(PM HSS)。因粉末冶金的基体均匀，故使用效果好。加工钛合金时，推荐用含钴超硬高速钢如W2Mo9Cr4VCo8(M42)作为刀具的基体材料。对於涂层滚刀，当以正常切削速度(<45m/min)加工齿轮时，崩刃是滚刀磨损的主要原因，因此应选择韧性较好的W6Mo5Cr4V2高速钢作为刀具的基体材料;而在高速滚齿时(切削速度大於100m/min)，月牙洼磨损是滚刀磨损的主要原因，因此应选用耐热性和耐磨性较高的含钴超硬高速钢或 CW9Mo3Cr4VN高速钢为刀具的基体材料。 涂层硬质合金刀具的基体，在加工钢材时，宜选择加工钢材的硬质合金，如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co类合金(P30用得较多);加工铸铁和有色金属时，宜选择WC-Co类合金(K20用得较多)。 被加工材料的硬度及切削加工性，对涂层刀具的使用效果也有一定影响。试验证实，涂层刀具最适於切削高硬度和耐磨合金一类难加工材料。 涂层刀具就是指在刀具的表面“涂”上一些“特殊材料”的刀具，涂层分为两类: 1、化学涂层:涂上的“材料”和刀具基体本身发生化学反应而结合的; 2、物理涂层:涂上的“材料”和刀具基体本身是以物理形式附着结合的; 涂层好处: 1、隔热，以保护基体 2、提供高的红硬性，增加耐磨性 3、表面摩擦系数更低，使切屑流出畅快 4、有些金黄色涂层使刀具磨损更容易识别 坏处: 1、主要就是使刀具刃口变钝 涂层刀具基础知识 涂层刀具及其合理使用(二) 纳米结构 日本日立工具公司推出的GM20、GM25多层厚膜涂层刀片，它是在比普通CVD涂层稍低温度条件下(约800?~900?)进行的，以形成耐磨性很高的柱状结晶，为了提高刀片的抗粘附性，再在刀具表面上涂覆一层Al2O3膜。据称，这种镀膜的厚度大，韧性高，与基体结合紧密，抗崩刃性好，尤其适于断续切削的工作，刀具寿命可比一般涂层刀片高1.5~2倍以上。 美国Kennametal Hertel公司在KC9315型刀片上涂有16µm厚的厚涂层，这种刀片特别适于加工高强度铸铁(如球墨铸铁和蠕墨铸铁)，切削速度可达400m/min，并可在干切削和断续切削条件下使用。该刀片涂层总共有三层:氧化铝(Al2O3)、碳氮化钛(TiCN)和氮化钛(TiN)。 目前，金刚石薄膜涂层刀具的应用已进入实用阶段。它是在硬质合金基体(常用K类合金)上采用CVD法沉积一层由多晶组成的膜状金刚石而成，常称CVD金刚石刀具(简称CD刀具)。因基体易于制成复杂形状，故适用于几何形状复杂的刀具。美国和日本都相继推出了金刚石涂层的丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片(如 Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25)等产品，用于有色金属和非金属材料的高速精密加工，刀具寿命比未涂层的硬质合金刀具提高近十倍、甚至几十倍。而另一种适于加工钢铁材料的CBN涂层亦已开发成功，并正在走向工业试用阶段。前几年，武汉大学研制出一种C3N4薄膜，膜的硬度接近超硬材料，用其涂覆在高速钢钻头上，可使钻头寿命大大提高。此外，美国一家涂层公司使用热阴极蒸发技术把碳蒸发沉积到高速钢刀具表面上，获得结合得很好的类金刚石碳涂层(DLC)。类金刚石是非晶体，但它有很多金刚石相似的性能，如高的抗压强度与硬度、低的摩擦因数和好的耐蚀性等，类金刚石刀具的问世，为涂层刀具的应用展现了一个新的前景。 除上述各种硬质涂层材料外，还开发了MoS2基的软涂层材料及WC/C“中硬”型滑性涂层材料。前者能大大改善刀具的切入性能，并防止积屑瘤的产生;后者切入时摩擦因数虽比MoS2涂层稍高，但它的抗磨损性能较好。软涂层可单独使用，也可先在刀具表面上进行硬质涂层，再在其上涂MoS2软涂层，无论是切钢或加工高硅铝合金都有好的效果(见图2)，而且对铸件也同样有效。例如，采用一种(Ti, Al)N+ MoS2软涂层的硬质合金钻头干钻削灰铸铁发动机缸体上的深孔，刀具寿命高达1600min，而只涂TiN或TiCN涂层的钻头，其寿命分别为19.6min和44min。 目前，一些工业发达国家还着手根据被加工材料的性质来设计涂层成份、涂层厚度及与之相匹配的基体材料，以求获得其最佳组成并取得最佳涂覆效果。同时，还在开发智能涂层，这种涂层在磨损、变形或暴露于高温的情况下，会引起电阻的变化，并发射电子而能被机床识别。 涂层刀具的合理使用 涂层刀具的使用效果除与涂层方法及设备、涂层工艺和涂层材料有关外，还有以下情况。 涂前刀具的表面质量 被涂刀具表面应是光亮的磨光面，刀具各工作表面上不得有锈斑、磨糊、氧化、崩刃等缺陷，要求刃口上无毛刺。前、后刀面上的表面粗糙度应达到Ra<0.8~1.25µm。表面粗糙度值愈小，涂层的结合度愈好。此外，刀具表面的清洗质量也十分重要。 刀具基体材料 涂层刀具的基体材料与涂层材料应合理匹配，须根据不同的加工要求选用。涂层高速钢刀具的基体，既可用W6Mo5Cr4V2(M2)的通用型高速钢，也可用含钴的超硬高速钢和粉末冶金高速钢(PM HSS)。因粉末冶金的基体均匀，故使用效果好。加工钛合金时，推荐用含钴超硬高速钢如W2Mo9Cr4VCo8(M42)作为刀具的基体材料。对于涂层滚刀，当以正常切削速度(小于45m/min)加工齿轮时，崩刃是滚刀磨损的主要原因，因此应选择韧性较好的W6Mo5Cr4V2高速钢作为刀具的基体材料;而在高速滚齿时(切削速度大于100m/min)，月牙洼磨损是滚刀磨损的主要原因，因此应选用耐热性和耐磨性较高的含钴超硬高速钢或CW9Mo3Cr4VN高速钢为刀具的基体材料。 涂层硬质合金刀具的基体，在加工钢材时，宜选择加工钢材的硬质合金，如WC-TiC-Co或WC-TiC-TaC-Co类合金(P30用得较多);加工铸铁和有色金属时，宜选择WC-Co类合金(K20用得较多)。 被加工材料的硬度及切削加工性，对涂层刀具的使用效果也有一定影响。试验证实，涂层刀具最适于切削高硬度和耐磨合金一类难加工材料。 刀具的几何角度 由于涂层的润滑性好，所以涂层刀具工作时常会在工件表面上打滑，为此涂层刀具上的后角应比未涂层刀具的后角略大。实践表明，对铰刀等一类精加工刀具，加大后角后，可使刃口锋利，切屑形成容易，打滑现象明显减少，刀具的使用性能提高。 切削用量和切削液 为了充分发挥涂层刀具的性能，必须正确选用切削用量和切削液。涂层刀具由于耐热性好，抗月牙洼磨损能力强，故可采用较大进给量和切削速度工作，但首先应选取较大进给量。通常涂层高速钢刀具采用的进给量比未涂层刀具提高10%~100%，提高20%~30%的切削速度是合适的。为了提高工效，涂层硬质合金刀具也可采用比未涂层刀具高25%~70%的切削速度进行切削。目前，用涂层硬质合 金通用刀具加工中碳结构钢时的切削速度，立铣刀可达100~150m/min，钻头可达80~100m/min;丝锥加工铸铁为20~40m/min。 实践证明，使用20号机械油加10%煤油冷却时，可使涂层高速钢镗刀的寿命提高1~2倍。TiN涂层高速钢滚刀加工20CrMnTi(197HBS)钢制斜齿圆柱齿轮(模数m=5)时，使用20号机械油和煤油混合润滑，刀具寿命可提高5倍左右，即使重磨后也可提高2~3倍，干切时寿命仅提高1倍。 涂层刀具使用时还要求机床的精度好、刚性高和振动小，刀具或刀片的夹持也应牢固。 涂层刀具的重磨和重涂 涂层刀具磨损后必须进行重磨。涂层刀具重磨时，须将刀具上的磨损部分全部磨掉。对于只需重磨前刀面的刀具(如拉刀、齿轮滚刀和插齿刀等)或只需重磨后刀面的刀具(如钻头和铰刀等)，若在其毗连切削刃的另一个刀面(如钻头的螺旋出屑槽)上的涂层未受损伤，刀具耐磨性即可提高。重新刃磨后的涂层刀具，其刀具寿命可达原来新涂层刀具寿命50%左右或更长，仍比未涂层刀具的寿命要高。 刃磨涂层硬质合金刀具所用砂轮可采用金刚石砂轮。但刃磨涂层高速钢刀具时，用立方氮化硼(CBN)砂轮磨削有较好效果。刀具的磨损处应全部磨去，涂层不能剥落，又不能使刀具退火。 使用涂层刀具的一个重要问题是重磨后刀具切削性能恢复的问题，即刀具每次刃磨(开口)后可否再进行重复涂层(重涂)的问题。对于重磨的成形刀具，只有进行重涂，才能保证刀具的总寿命提高3~5倍以上。凡重涂刀具首先必须按工艺要求将各几何参数磨好，其磨光部分不允许存在各种质量缺陷，如磨糊、毛刺等。重涂时可采用局部屏蔽技术只对刃磨面进行涂层。对于不采用屏蔽技术的重涂，在重涂4~6次后，刀具的非刃磨面的涂层厚度就会过大，从而影响刀具的精度和产生局部剥落现象，此时要对刀具进行脱膜处理后再重涂。重涂后的刀具切削性能一般不低于第一次新涂层刀具，刀具可重涂多次，直到报废为止。 由上可知，重涂对提高刀具耐磨性和生产率是有很大潜力的。但重磨后是否要重涂，还要看该刀具在技术上可否重涂和在经济上是否合算而定。 涂层刀具在中国应用概况 中国对涂层刀具的研究与应用是从20世纪80年代开始的。目前，湖南株洲硬质合金厂已能提供YB系列、CN系列及CA系列的各种涂层刀具的产品。YB系列是用引进设备生产相当于瑞典Sandvik公司GC系列涂层刀片的产品，涂层材料为TiC、TiC+Al2O3及TiC+Al2O3+TiC;CN系列主要用于钢材的精加工，其涂层材料为TiC+Ti(C,N)+TiN;CA系列涂层材料为TiC+Al2O3，适于铸铁和有色金属材料的加工。四川自贡硬质合金厂用美国的涂层设备，生产ZC系列涂层刀片。但与制造技术先进的工业发达国家相比，中国应用涂层刀具的比例与涂层技术的水平均较低。为此，上海工具厂有限公司和湖南株洲硬质合金集团公司新近又从瑞士和德国分别引进了PLATIT公司和CemeCon公司的涂层设备，以使中国刀具的涂层技术和涂层刀具的性能迅速赶上并接近国际先进水平。与此同时，还成立了中瑞合资上海纳微涂层有限公司，这是一个大型涂层服务中心，开展刀具的涂层、重磨及重涂服务，该公司引进了4套涂层设备，可涂覆S-AlTiN(超级氮钛化铝)、S-TiN(超级氮化钛)、TiCN、DLC、CrN等多种涂层。可以预料，随着涂层刀具的推广与应用，必将促进中国高速切削、干式切削和硬切削等先进切削技术的发展，而先进切削技术的发展，又将进一步推动涂层刀具的应用。不断改进的铝—钛—氮刀具涂层 关于提高AlTiN涂层中铝的含量及其效果的争议一直持续不断。但有一点可以肯定:那就是提高AlTiN涂层的铝含量后，有利于改善刀具的性能。当然，用户应区分真实效果和夸大宣传的差别，并且应该懂得，最佳的涂层随使用条件而异，就象刀具的几何角度和基体一样。工业界的专家认为，AlTiN涂层适用于在高速和干式切削(或近似干式切削)的条件下，加工不锈钢、钛、高温超级合金的淬硬材料。 图1 Balzers公司的AlTiN纳米结构涂层--Balinit Futura Nano,在高速、大进给干式切削中，用于钻头、铣刀和铰刀，优点十分显著 Ion Bond公司(一家物理和化学气相沉积设备的供应商)的高级开发工程师Haron Gekonde说:“AlTiN涂层在刀具/工件接触区温度高达800?至900?时，仍能保持其硬度。”这是AlTiN涂层的主要优点。因为前面提到的被加工材料都会在切屑剪切区 产生大量的热。当然，在AlTiN涂层中的铝含量多少最合适，还是有争议。不断克服前进中的障碍尽管刀具涂层的开发取得了巨大的成功，但是广大的刀具涂层技术人员没有以此为满足。难加工合金不断进入工业领域，刀具涂层市场的竞争仍然十分激烈。Carboloy公司的车削工具部主任Don Graham说:“大家都在跳跃式的前进，彼此你追我赶超过对手。最佳的涂层在市场上只能维持4,6个月的领先地位，很快就会有更好的涂层问世。” 改进AlTiN涂层的方法之一就是提高铝含量。(美国)表面工程涂层协会前主席、现任Teefer市场服务公司总裁Fred Teefer说:“提高铝含量可使涂层在高温下保持较高的强度，并且能提高抗氧化能力。” 图2 当刀具/工件接触区的温度超过749?时，铝原子会穿过涂层晶格到达刀具表面。在该处铝和氧发生反应，形成一套氧化铝薄膜。这层氧化皮保护了涂层，防止其进一步氧化。 最流行的说法是，当刀具/工件接触区温度超过约749?时，铝会“抓取”空气中的氧，使涂层的外表面转化成氧化铝，形成一层氧化皮。Carboloy公司的车削工具部主任Don Graham解释说:“每个人都相信这种说法是正确的，但迄今未得到客观证实。”这种氧化铝薄膜层能阻止进一步地氧化，并能在刀具/工件接触区产生高温时起保护刀具的作用。然而，提高铝含量说起来容易，做起来却很难。在PVD中，常用直流法将AlTiN涂覆到刀具上，但这种方法在涂层中的铝含量超过65%时，会产生电绝缘障碍而无法有效地进行。 Isoflux涂层设备制造公司总裁Dave Glocker解释说:“在涂层出现电绝缘时，单纯的100伏左右的直流偏压将不起作用，因为直流电压无法从绝缘材料上导出。所以必须改变工艺方法，以便能在绝缘体上加上偏压，也就是要在基体上加上交流或脉冲直流偏压，或者使用射频工艺。”与此同时他还指出，生产铝含量超过65%的AlTiN涂层时，还有一个额外的问题。例如在一个含铝70%的铝氮靶上溅射时，靶的表面也会形成电绝缘。所以，你可能既要对付一个绝缘的涂层，又要对付靶上的绝缘层。为了克服这些问题，涂层设备应具备沉积电绝缘材料的能力。Glocker说:“做到这一点是可能的，我们能做，其它公司也能做。但涂层设备不是目前在工业中使用的传统型设备。” 关于冷却液的一些考虑生产高铝含量AlTiN涂层的设备可能变得日益普遍使用。因为很多零部件制造商利用干式切削或近似干式切削来达到环保要求，以减少生产费用。更加耐热的AlTiN涂层，使切屑离开工件时带走更多的热量。这样，为了降低刀具/工件接触区的温度而使用冷却液的要求会变得很小，甚至可以不用，这对加工镍基合金特别有利，因为此时切削刃处的温度可能高达816?。美国Teefer市场服务公司总裁Teefer指出，虽然冷却液、过滤设备和处置费用占车间费用的15%，但减少冷却液消耗的主要动力是为了遵守环境法规。他指出，冷却液用得越少，零件需要清理的也越少。Isoflux涂层设备制造公司总裁Dave Glocker同意这种看法，并补充说:“同时也节省费用。” 超级氮化物涂层目前已经有一系列的刀具使用含铝超过65%的AlTiN涂层，例如，Carboloy公司的涂层铝含量为67%，Ion Bcnd公司的涂层铝含量为70%，Ceme Con公司则在2002年7月宣布开发了一种用于生产超级氮化物涂层的工艺，含铝量达到80%。据Ceme Con公司的技术经理Rainer Cremer介绍，超级氮化物是一种极细颗粒、致密结构的立方晶格金属氮化物基的硬质涂层。上述涂层是由Ceme Con公司开发的高度离子化脉冲工艺(H.I.P)生产的，这种工艺基于复式阴极、双极性、磁控溅射原理。脉冲产生的极高密度等离子体直接导向刀具，对正在生成的薄膜进行高度离子轰击，从而改善了涂层质量。 Cremer指出，H.I.P工艺既可在直流偏压下工作，也可在脉冲偏压下工作，这取决于涂层的导电性。H.I.P工艺可以沉积非导电体涂层，因为双极性法可使刀具和阴极进行有效的周期放电。 Cremer还指出，AlTiN涂层的硬度随含铝量的增加而提高，但是含铝80%氮化铝的切削性能是否最佳，有待进一步研究。关于硬度问题对于铝含量超过50%涂层，尽管有时仍按原来叫法称为TiAlN，但有些公司已把提高铝含量的涂层称为AlTiN，以区别于原来的TiAlN。例如Melin工具公司 自2002年6月起就停止使用原来的TiAlN涂层，并推荐用AlTiN涂层来替代。TiAlN涂层的硬度为2600HV，而AlTiN涂层的硬度可达4500HV。 图3 多涂层超级氮化物AlTiN涂层的显微组织 但是，对AlTiN硬度方面的见解并不统一，因为铝含量并不是影响硬度的唯一因素。Balzers公司的研究开发部经理Wolfgang Kalss就不相信随着铝含量上升，涂层硬度相应提高这种观点。他说:“把铝含量提高到超过65%是可能的。但是提高铝含量后，也会形成较软的AlN相，使硬度降低。”他还补充谈到，Balzers曾收集分析各种数据，发现在铝、钛比达到1:1时，涂层硬度最高。虽然对AlTiN涂层在切削过程中的硬度值存在争议，但是对于涂层表面在切削过程中氧化形成Al2O3覆盖层的说明却没有分歧。冶金工艺公司的销售经理Kris Lang说:“因为切削过程中形成了氧化物覆盖层，使脆性的涂层在抗热性提高的同时也提高了硬度。” 他补充说明，AlTiN涂层刀具的理想工作速度为183,244m/min，主轴转速为20000,40000r/min或更高，并且切削深度较浅。在这种条件下工作，生产效率较高，主轴所受压力较小，表面较光洁，切屑较细有利于带走较多的切削热。这对切屑下侧的涂层耐久性要求也不象低速切削那么高。这种工作条件对于切削可加工性标准值低达7,8%镍基合金来说是很需要的。 AlTiN涂层中还可加入碳，这样在切削镍基合金时可增加刀具韧性。Lang补充说，正在进行的一项试验是在涂层中加入硅，作为粘结剂强化涂层的显微结构，以改善其性能。 图4 CC800/9.I.P炉子有一个高压脉冲刻蚀阶段，对工件进行涂前清理。这个功能对于形状复杂的刀具(铰刀、复合立铣刀)等特别有利 Lang指出，随着越来越多的厂家购买加工中心，AlTiN涂层刀具的使用也增加了。他的公司已有40%的涂层采用AlTiN，其中的40%两年前已开始使用。尽管如此，还应了解某种AlTiN涂层和另一种AlTiN涂层性能各不相同。而且，在不同的使用条件下，AlTiN涂层并不总是最经济的或最佳的选择。 Lang说:“铝基涂层的种类很多，要找出一种标准的常用涂层，并且要求它对各种具体的使用条件都达到最佳性能却十分困难。实际上，涂层的成分应随具体使用条件而变。本公司有能力按用户需要设计涂层。包括涂层的显微结构、主要成分、涂层的总体布置(如单层、多层或梯度涂层等)及涂层厚度。”他最后指出，要把涂层看成是刀具的一个组成部分，就象刀具的基体和几何角度那样，是可以通过调整来获得最佳性能。研究工作在继续对使用者来说，不管涂层的成分如何，但要求性能和效率不断提高。Balzers公司的Kalss说:“为提高涂层的抗氧化能力，我们正在探索多种可能性。提高铝含量是方法之一，还有改进涂层的成分和涂层的结构等。”这些方法还包括在高速干式切削时，在涂层中加入金属和非金属元素，以提高涂层性能。在AlTiN涂层沉积的刀具数量日益增加的同时，一项旨在开发含100%氧化铝的PVD工艺正在研究之中，Kalss说:“有PVD沉积氧化铝是一个热门话量，所有的刀片制造商都在寻求这个答案。” 然而，究竟何时才能用PVD法涂覆Al2O3仍然无法确定(CVD涂覆Al2O3很普遍，但其效果不及低温沉积的PVD方法好)。与此同时，各公司用钛合金和镍基合金来制造零件日益增多，特别是航空航天、核工业和医药工业。所以将会继续寻求在基体、几何参数和涂层多方面综合优化的刀具来满足其特定的需求。 Isoflux公司的Glocker说:“这些AlTiN涂层都是新近才开发的，说明涂层的优化改进工作仍在不断的进行之中。” PVT 常州普威特涂层有限公司，是世界上最先进的镀膜技术公司——德国PVT公司合资。 公司的涂层车间配有最先进的涂层设备和清洗系统。全部涂层工艺和技术均由欧洲引进，并且采用德方的管理模式。 本公司的涂层设备是采用目前世界上最先进的、具有专利技术的磁控电弧蒸发工艺，使用大面积矩形电弧源,以及全自动的工艺控制。系统可提供 TiN、 TiCN、 AlCrTiN、CrN、CrC、CrC-AC、AlTiN、 PLC等单层的或复合涂层。具有超硬耐磨，超强结合力，抗氧化，摩擦系数低，防腐蚀，耐高温等特性。 这些镀膜被广泛的应用于工具，例如硬质合金和高速钢制造的刀片，钻头，铣刀，滚刀，丝锥，锯片等，以及各种冷热成型模具和金属耐磨件。 涂层产品的寿命可提高5~10倍，从而提高了生产效率、加工能力，并可以大幅度降低工具、模具、零部件的使用成本。