刀具涂层的分类与应用

1、时间：二O二一年七月二十九日刀具涂层的分类与应用之巴公并开创作时间：二O二一年七月二十九日1引言作为基础财富的制造业正在发生着革命性的变动，制造技术也已发生了质的变动.尤其是近几年高速切削加工技术的应用，在年夜幅度提高生产效率的同时也极年夜地提高了产物的质量，可以认为高速切削加工技术已成为切削制造业的主流.高速切削加工技术的发展与应用同时带动了相关技术的迅速发展.高速切削顾名思义，是高的速度、年夜的进给量、机床的快速移动、快速换刀等，最终体现为生产效率的年夜幅度提高.可是应该指出的是高速切削只是一个相对的概念，随着加工方式、工件资料以及刀具选择的变动，高速切削加工的速度存在很年夜变动范围.一般

2、认为高速加工的切削速度为惯例切削速度的510倍，如加工碳素钢切削速度为5002000m/min;铸铁为6003000m/min;铝合金为10007000m/min;铜为9005000m/min.高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一，而刀具资料的高温性能是影响高速切削刀具技术发展的重中之重.时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日由于在高速切削加工中所发生的切削热对刀具的磨损比惯例切削高很多，因此对刀具资料有更高的要求：高硬度、高强度和耐磨性；高的韧性和抗冲击能力；高的红硬性和化学稳定性；抗热冲击能力.刀具概况涂层技术是应市场需求而发展起来的一种概况改性技术，自上世纪60

3、年代呈现以来，该项技术在金属切削刀具制造业内获得了极为广泛的应用.尤其是高速切削加工技术呈现之后，涂层技术更是获得了迅猛的发展与应用，并成为高速切削刀具制造的关键技术之一.该项技术通过化学或物理的方法在刀具概况形成某种薄膜，使切削刀具获得优良的综合切削性能，从而满足高速切削加工的要求.归纳起来切削刀具概况涂层技术具有以下特点：1 .采纳涂层技术可在不降低刀具强度的条件下，年夜幅度地提高刀具概况硬度，目前所能到达的硬度已接近100GPq2 .随着涂层技术的飞速发展，薄膜的化学稳定性及高温抗氧化性更加突出，从而使高速切削加工成为可能；3 .润滑薄膜具有良好的固相润滑性能，可有效地改善加工质量，也适

4、合于干式切削加工；4 .涂层技术作为刀具制造的最终工序，对刀具精度几乎没有影响，并可进行重复涂层工艺.时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日涂层切削刀具所带来的益处：可年夜幅度提高切削刀具寿命；有效地提高切削加工效率；明显提高被加工工件的概况质量；有效地减少刀具资料的消耗，降低加工本钱；减少冷却液的使用，降低本钱，利于环境呵护.2刀具涂层的分类众所周知，传统刀具涂层技术主要可分为两年夜类，但由于市场需求的变动及涂层技术自己的特性，物理涂层技术的发展受到了更年夜的关注.PVD技术在获得飞跃性发展的同时,其应用市场也获得了广泛的拓展.与最初发展相比，不单涂层成份种类繁多，近几年来

5、在涂层结构上更是有了突破性的发展，并已为市场所接受.随着PVD技术在市场中愈来愈广泛的应用，认识了解各类涂层的特性及适用领域愈加显得重要.因此本文拟对以后PV格层进彳f分类，并分析各类薄膜所适用领域，目的是让使用者对各类涂层有一个较系统的了解，更加合理地使用涂层刀具.从PV限术的发展和应用角度，笔者认为PVD层可按2种方法进行分类.1 .按涂层成份分类按涂层成份对涂层进行分类简洁、明了，基于对资料性能的认识，使用者容易了解涂层的功能，易为市场所接受，因此目前时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日各涂层企业更多的是以分歧的涂层成份向用户介绍、推荐其技术及产物.按成份对涂层区分通

6、常可分为两年夜类，即硬涂层和软涂层.硬涂层以TiN、TiCN、TiAlN等为代表，包括了单层薄膜和复合薄膜，随着市场需求的变动及涂层技术的发展，新的涂层成份不竭被开发出来，到目前为止所应用的硬涂层成份已有几十种之多；软涂层顾名思义薄膜的硬度相对较低，通常为1000HV左右.软涂层目前种类其实未几，以MoS2碳基薄膜为主，在切削加工领域内，其目的是通过在硬涂层概况覆盖一层这种薄膜，试图增加涂层概况的润滑性，改善被加工工件概况质量，以满足某些应用领域的需要.2 .按涂层结构分类尽管按成份进行涂层分类具有良好的市场基础，但从PVD技术的发展来看，涂层的内部结构的变动已越来越多地影响着涂层刀具的应用效

7、果.相同的涂层成份、分歧的结构形式，可以招致涂层刀具使用效果的截然分歧.因此认识了解目前PVD涂层薄膜的结构形式，对该项技术的实际应用有着十分重要的意义.就目前PV火术的发展状况，涂层薄膜结构年夜体可分类如下：a.单一层涂层时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日涂层由某一种化合物或固溶体薄膜构成，理论上讲在薄膜的纵向生长方向上涂层成份是恒定的，这种结构的涂层可称之为普通涂层.如果联系到PVD的发展历程，实际上在过去相当长的时期内一直采纳这种技术，其中包括众所周知TiN、TiCN、TiAlN等.随着应用市场要求的不竭提高，人们也愈加认识到这种涂层的局限性，无论是显微硬度、高温性

8、能、薄膜韧性等都难于年夜幅度提高，但这种涂层在市场中仍占有一定比例.b.复合涂层时间：二O二一年七月二十九日图1CrN+CBCM合薄膜图2TiAlCN梯度薄膜图3多层薄膜图4AlN+TiN+CrN纳米薄膜时间：二O二一年七月二十九日图5(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)纳米复合相结构薄膜由多种分歧功能（特性）薄膜组成的结构可以称之为复合涂层结构膜，具典范涂层为目前的硬涂层+软涂层，每层薄膜各具分歧的特征，从而使涂层更具良好的综合fi能.图1所示为CrN+CB（M合涂层其中CBS碳基薄膜.d.梯度涂层涂层成份沿薄膜纵向生长方向逐步发生变动，这种变动可以是化合物各元素比例的变动，如Ti

9、Al-CN中Ti、Al含量的变动，也可以由一种化合物逐渐过渡到另一种化合物，如由CrN逐渐过渡到CBC.可以预见这种结构能有效降低因成份突变而造成的内部微观应力的增加.图2所示为TiAlCN梯度薄膜.e.多层涂层多层涂层由多种性能各异的薄膜叠加而成，每层膜化学组分基本T1定.目前在实际应用中多由2种分歧薄膜组成，由于所采纳的工艺存在不同，分歧企业的多层涂层刀具，其各膜层的尺寸也不近相同，通常由十几层薄膜组成，每层薄膜尺寸年夜于几十纳米，最具代表性的有AlN+TiN、TiAlN+TiN涂层等.与单层涂层相比，多层涂层可有效地改善涂层组织状况，抑制粗年夜晶粒组织的生长，多层薄膜如图3所示.时间：二

10、O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日f.纳米多层涂层这种结构的涂层与多层涂层类似，只是各层薄膜的尺寸为纳米数量级，又可称为超显微结构.理论研究证实在纳米调制周期内(几纳米至几十纳米)，与传统的单层膜或普通多层膜相比，此类薄膜具有超硬度、超模量效应，具显微硬度超越40GPa是可以预期的，而且在相当高的温度下，薄膜仍可保管非常高的硬度.因此这类膜具有良好的市场应用前景，其典范代表为AlN+TiN、AlN+TiN+CrN涂层等.如图4所示，为AlN+TiN+CrN纳米月！系，其调制周期约为7nm.g.纳米复合结构涂层纳米复合名构涂层.以(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)纳米复

11、合相结构薄膜为例，在强等离子体作用下，纳米TiAlN晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4体内(见图5),当TiAlN晶体尺寸小于10nm时，位错增殖源难于启动，而非晶态相又可阻止晶体位错的迁移，即使在较高的应力下，位错也不能穿越非晶态晶界.这种结构薄膜的硬度可以到达50GPa以上，并可坚持相当优异的韧性，且当温度到达900c1100c日t,其显微硬度仍可坚持在30GPa以上；另外这种薄膜同时可获得优异的概况质量，因此工业应用前景广阔.3涂层的应用时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日随着PVD技术的迅速发展，在实际应用中涂层的合理选择愈加显得重要.目前涂层薄膜不单要解决硬度问题，其

12、韧性、抗氧化性、概况粗拙度及润滑性等都需要根据分歧的切削条件进行综合考虑.从实际的切削加工状况来看，仅凭涂层成份进行选择，在实际应用中已难以获取最佳经济效益.本文依据上述两种涂层分类，浅析实际切削加工中PVD涂层薄膜的选用.1 .车削加工车削加工的特点是连续、稳定、切削力及切削温度变动小，相对而言切削温度较高，因此在选择涂层类别时，涂层的硬度和高温抗氧化性是重点考虑因素.a.加工钢材时可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)及AlTiN薄膜，这两种薄膜都具有极高的概况硬度，且红硬性良好，使用温度可到达1100c.b.铸铁加工通常也可选择上述2种薄膜.c.铝及铝合金加

13、工的特点是熔点低，在切削加工中极易形成积屑瘤，且氧化了的切屑可形成Al2O3,招致摩擦作用的增强.当硅含量在4%-13炕间时,硅在铝内形成固溶体+共晶体组织，这种脆性、针状的片状硅的夹杂，在切削过程中，具有磨料作用，招致刀具早期失效；而当Si含量进一步提高时粗年夜的组织使切削性能进一步下降.如果采纳干式切削，可加剧这种磨损的发展，加工这类有色金时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日属金刚石涂层刀具是最佳的选择方案之一，但考虑到可行性及经济性，对PVD而言，涂层应具有高的硬度及优异的润滑性.当Si含量小于12%t,可选择多层TiCN+MoS2M合薄膜及TiAlCN+CBC弟度薄

14、膜；而当Si含量年夜于12%1则可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)或单层的TiCN薄膜.d.高强度合金的加工具有变形年夜、加工硬化年夜、切削温度高的特点，另外由于该类合金中含有年夜量的碳化物、氮化物等，具显微硬度可达20003000HV.在选择用于此类涂层时，其显微硬度、高温性能、润滑性是应着重考虑的因素.通常可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)或TiAl-CN+CBC复合薄膜.e.对铜及其合金而言，涂层极具针对性，而与加工方式关联性较低.紫铜塑性、韧性年夜，易粘屑，因此需要有效地解决排屑问题，一般选用CrN膜；而对铜合金(黄铜

15、、青铜),由于资料强度的提高，通常采纳单层TiCN或多层TiCN薄膜.f.塑胶资料的加工特性是导热性差、磨料性、回弹性等，且年夜多采纳干式切削加工方式，因此薄膜时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日的显微硬度及热绝缘性是重点考虑的因素，除CVD的金刚石薄膜外，也可选用多层TiCN薄膜.2 .钻削加工钻削加工也属于连续加工切削方式，其涂层种类的选择基本与车削加工类似.但所需注意的是通孔加工存在载荷的突变，因此所选择薄膜应具有良好的韧性.如在普通钢材的加工中，可选用多层膜；若在一般的切削条件下，单层的TiN薄膜也会获得良好的应用效果.3 .铳削加工在高速加工领域，铳削加工占有极其

16、重要的位置，而PVD技术的发展也从整体铳刀的涂层扩展到可转位刀片范围，而且已取得了突破性的进展.铳削加工是一种断续加工方式，尤其在高速加工条件下，刀具受载状态极其复杂，刀具因不竭受到年夜小、位置分歧的机械冲击和热冲击载荷作用，可引发薄膜的破裂、脱落等现象的发生，从而招致刀具的早期失效.a.加工普通钢材时可选用TiCN、纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)、AlCrN薄膜，这三种薄膜都具有较好的韧性.b.与普通钢材相比，铸铁的铳削加工通常招致刀具磨料磨损，涂层刀具的概况硬度更为重要，因此可选择纳米复时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日合结构薄膜(nc

17、-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)、AlTiN、AlCrN薄膜.C.对铝及铝合金的加工，当Si含量小于12%t可选择多层TiCN+MoS2M合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜；而当Si含量年夜于12%时，则可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)及多层TiCN薄膜.d.高强度合金的铳削加工通常可选用多层TiCN+MoS2梯度TiAlCN+CBCAlCrN薄膜.4 .螺纹加工螺纹加工也一种连续切削方式，相对普通车削加工，这种加工属于成型加工模式，切削速度相对较低，不容易断屑，且对刀具的几何尺寸有严格要求，刀具刃口微小的缺陷也可招致工件的报废.因此薄膜的致密性、

18、韧性以及概况的润滑性是首要考虑的因素.a.加工普通钢和高强度合金时可选用TiCN+MoS密合薄膜、TiAlCN+CBC梯度薄膜及TiAlN纳米多层薄膜，这三种薄膜都具有良好的韧性及优异的润滑性.b.与普通钢材相比，铸铁的螺纹加工通常以磨料磨损为主薄膜的致密性、韧性、硬度同等重要，因此常可选择TiAlCN及TiCN多层薄膜.时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日c,对铝及铝合金的加工，当Si含量小于12%t可选择CrN+CB吸TiCN多层薄膜；而当Si含量年夜于12%t,则可选择TiAlCN+CBC及TiCN多层薄膜.I胸而函”亚硒人而卞丽r1图62003年TiN、TiCN、TiAlN涂层应用情况4结语近年来刀具概况涂层技术发展的特点是迅速及多元化,由图6可以看出，经过几年的历程,TiN涂层一统天