涂层刀具及其合理使用

1、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800900)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1.52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

2、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，

3、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

4、。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

5、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<0.81.25µm。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

6、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-C

7、o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

8、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100150m/min，钻头可达80100m/min；丝锥加工铸铁为2040m/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12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23倍，干切时寿命仅提高1倍。 涂层刀具使用时还

9、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

10、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35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46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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、在市场上只能维持46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 G

16、raham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

17、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

18、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

19、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

20、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标准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。Bal

21、zers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18324

22、4m/min，主轴转速为2000040000r/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78%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Al