刀具涂层材料的分类及研究进展

刀具涂层材料的分类及研究进展摘要：采用涂层技术可有效提高切削刀具的使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。我国的刀具涂层材料经过多年发展，目前正处于关键时期，充分了解国内外刀具涂层材料的现状及发展趋势，有计划、按步骤地发展刀具涂层材料，对提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。关键词：涂层刀具硬度膜ProgressinthecoatingmaterialsfortoolsandtheirclassificationAbstract：Coatingtechnologycanbeusedtoimprovetheservicelifeofcuttingtoolseffectivelyandenablethecuttingtoolstoobtainexcellentandcomprehensivemechanicalpropertiesthatwillimprovemachiningefficiencysignificantly.AfteryearsofdevelopmentcurrentcoatingmaterialsforcuttingtoolsisatacrucialperiodinChina,fullunderstandingonpresentstatusanddevelopmenttrendoftoolcoatingmaterialsbothathomeandabroad,andaplannedstep-by-stepdevelopmentofthecoatingmaterialsforcuttingtoolswillbeoffarreachingimportanceforimprovementofourlevelincuttingtoolmanufacturing.KeyWords:Coating，CuttingTool，Hardness，Film数控技术的发展离不开高寿命的切削工具——刀具。自刀具涂层技术从问世以来，刀具的性能得到了很大的改善，对加工技术的进步起着非常重要的作用。涂层刀具已经成为现代刀具的标志，西方国家新型数控机床所用切削刀具中有80%左右使用涂层刀具，而且随着21世纪科技的发展，涂层刀具的比例将进一步增加。目前在制造业所用硬质合金刀具上采用较多的涂层有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出现的AlCrN、TiSiN涂层等等，刀具寿命明显提高。另外涂层在钻头、铰刀、齿轮滚刀、丝锥上也都获得很好的应用效果。随着科技的发展，刀具涂层技术将不断提高，刀具涂层材料也日新月异。1刀具涂层材料的种类刀具涂层材料有多种分类方法，根据涂层材料的性质，刀具涂层材料可分为两大类，即:“硬”刀具涂层材料和“软”刀具涂层材料。“硬”涂层刀具追求高的硬度和耐磨性。目前应用最多的刀具硬涂层材料有金刚石、类金刚石、氮化碳、立方氮化硼以及TiC、TiN、TiCN、Al2O3、TiAlN等及其组合。“软”刀具涂层材料追求低摩擦系数，与工件材料的摩擦系数很低，可减小粘结，减轻摩擦，降低切削力和切削温度。“软”涂层刀具材料主要有MoS2、WS2、CaS2、TaS2等及其组合，又称为“自润滑刀具”涂层材料。另外涂层方式有:单涂层、多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等多种涂层方式，如图1所示：2常用“硬”刀具涂层材料的发展与应用随着现代工业产品中各种新型的、难加工材料的涌现以及工件加工精度的不断提高，传统的切削刀具材料在很多领域已不能满足需要，于是超硬刀具材料的开发和应用越来越得到专业技术人员的重视。常用的超硬刀具涂层材料主要有金刚石薄膜、氮化碳涂层、TiN、TiC基涂层等，尤其是TiN、TiC基涂层应用最为广泛。2．1金刚石薄膜金刚石薄膜具有优异的力、热、光、电等性能以及高弹性模量和低摩擦系数，具有广泛的应用前景，特别是在金刚石涂层刀具领域，被认为是金刚石薄膜能够最先实现产业化的领域之一，受到各国科学界和有关公司的关注，各国都投入了大量人力物力进行研究。自上世纪80年代开展金刚石薄膜研究热膜，现在，国外已有商业化的金刚石涂层刀具出售，我国虽有许多科研单位都报道在实验室成功制备出高附着力的金刚石薄膜刀具，但离产品的完全市场化还有一段距离。关键问题是要进一步提高附着力的前提下，解决批量生产时产品质量的稳定性和可重复性问题。另外，金刚石薄膜的应用在许多方面取得突破，金刚石涂层工具能加工非铁合金如Si4.2立方氮化硼(CBN)涂层CBN是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬材料,它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性(如超高硬度,仅次于金刚石,高耐磨性,低摩擦系数,低热膨胀系数等外,同时还具有一些优于金刚石的特性。CBN对于铁、钢和氧化环境具有化学惰性,在氧化时形成一薄层氧化硼,此氧化物为涂层提供了化学稳定性,因此它在加工硬的铁材、灰铸铁时耐热性也极为优良,在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、淬火钢、钛合金等,并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的硅铝合金等难加工材料。自1987年Ina2gawa等成功地制备了出纯的CBN涂层以来,在国际上掀起了CBN硬质涂层的研究热潮。低压气相合成CBN涂层的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化学输运PCVD,热丝辅助加热PCVD,ECRCVD等;PVD则有反应离子束镀、活性反应蒸镀、激光蒸镀离子束辅助沉积法等。研究结果表明:在合成CBN相、对硬质合金基体的良好粘结和合适的硬度等方面已取得了进展,目前沉积在硬质合金上的立方氮化硼最大仅为012-015Lm,若想达到商品化,则必须采用可靠的技术来沉积高纯的经济的CBN涂层,其厚度应在3-5Lm,并在实际金属切削加工中证实其效果。4.3CNx涂层二十世代八十年代,美国科学家Liu和Co2hen设计了类似B2Si3N4的新型化合物B2C3N4,并采用固体物理和量子化学理论计算出它的硬度可能达到金刚石,这引起了世界各国科学家的关注。合成氮化碳成为世界材料科学领域的热门课题。日本Okayama大学的FFujimoto采用电子束蒸发离子束辅助沉积法获得的氮化碳涂层达到6317GPa,武汉大学[合成的氮化碳硬度分别达到50GPa,并沉积到高速钢麻花钻上,获得非常好的钻孔性能。合成氮化碳的主要方法有真流和射频反应溅射法、激光蒸发和离子束辅助沉积法ECR-CVD法、双离子束沉积法等。5结语目前刀具涂层材料的开发研究和在制造业的应用研究都有加速的趋势，涂层结构正向着纳米级多元化、复合化和多层化的方向发展。在多层涂层中尤其是纳米多层膜，各单一成分涂层的厚度将越来越薄，