刀具涂层——材料表面与界面

1、涂层刀具涂层刀具姓名：张垒学号：1482050235涂层刀具涂层刀具 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35倍以上，提高切削速度20%70%，提高加工精度0.51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

2、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4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。涂层刀具涂层刀具 涂层刀具的适用范围：涂层刀具可用于加工各种工件材料。对于各种碳素结构钢、合金结构钢、易切钢、工具钢、合金铸铁

3、及铬不锈钢的高速精加工，一般精加工，以及从轻负荷到重负荷的粗加工，可优先选用涂层刀片。对于铸铁、镍铬不锈钢的高速精加工，一般精加工和轻负荷粗加工，最好也选用涂层刀片。涂层刀具涂层刀具 涂层刀具的缺点：1.由于硬质合金的强度和韧性都低于未涂层刀片，因此涂层刀具不适于特别重负荷下的粗加工和冲击大的间断切削。2.涂层刀片不适宜加工高强度材料（如HB300以上的材料，冷硬铸铁等）及带硬质夹杂物的材料。3.不适于进给量很小（如0.015mm）的精加工。4.涂层刀片在低速切削时，容易产生剥落、崩碎等现象，故不适于低速切削范围。5.钛化合物涂层刀片一般不太适合加工耐热合金、钛合金、非金属材料及有色金属。6.

4、一般涂层硬质合金对深孔钻削、切断、螺纹加工和切削难以排出的切削加工效果还不太好。涂层刀具涂层刀具 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。PVD沉积温度为500，涂层厚度为25m；CVD的沉积温度为9001100，涂层厚度可达510m，并且设备简单，涂层均匀。硬质合金大多采用CVD法，由于其沉积温度高，涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(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

5、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180200)，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。涂层刀具涂层刀具 涂层方法: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0.020.08mm，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P

6、CVD法，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。涂层刀具涂层刀具涂层涂层 颜颜色色 硬度硬度HVHV厚度厚度 摩擦摩擦系数系数最高使用最高使用温度温度说明说明ZrCN复合 兰灰 2500 140.3550 通用性强TiN单层金黄2300 140.4500 应用最为普遍，具有高硬度高耐磨性寄耐氧化性；适合大多数切削刀具，也适合多数成形模具及抗磨损工件.TiAlN复合紫蓝3200 140.5800 化学稳定性好，具有高热硬性，极好的抗氧化和耐磨性，适合干切削场合。AlTiN复合黑3400 140.5900高速、高硬度加工TiAlCrN亚黑3500 140.61000特殊加工领域

7、TiCN渐层灰黑3000 140.4500 具有较低的内应力，较高的韧性以及良好的润滑性能；适合要求较低的摩擦系数而高硬度的加工环境.CrN渐层银亮20003150.5700 有着显著的强润滑性能和耐高温特性，最适合铜类金属的切削刀具，以及耐磨耐腐零件的涂层.DLC黑100040000.520.05400 优良的耐磨、耐腐蚀性能，摩擦系数极低，与基体结合力强。用于刀具时，通常以TiAlN为基体配合使用，用以加工有色金属、石墨等材料.涂层硬度公次于金刚石涂层刀具涂层刀具 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，基体附着牢固等要求。显然，单

8、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、AlTiN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。涂层刀具涂层刀具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

9、刀具寿命可比TiN涂层高34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。硬质涂层硬质涂层 德国某公司开发了Supernitride涂层系列

10、，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。氮化钛涂层氮化钛涂层纳米超薄膜涂层纳米超薄膜涂层此外，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2.5m。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，

11、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。特固克涂层特固克涂层基于坚固及韧性基体，采用专业的加工工艺，特固克涂层牌号包含了CVD和PVD产品，可有效提高耐磨性和抗崩刃性，广泛用于各种切削加工。CVD涂层产品主要有两层涂层，强化的MTCVD TiN涂层，以及氧化铝微粒涂层。在特固克独有的纳米技术和残余应力的控制下，PVD涂层已升级为TiALN ,ALTIN , ALTiCrN的多层涂层。根据涂层工艺，特固克推出了“Gold Rush”概念。这种新型金黄色光滑涂层表面在加工过程中摩擦力小，不粘屑。每种应用中最好的切削效果都基于根据加工环境选择适合的牌号和槽型，包括工件材料、切削情况、冷却和机床等因素