刀具涂层的分类与应用.docVIP

刀具涂层的分类与应用1 引言 作为基础产业的制造业正在发生着革命性的变化，制造技术也已产生了质的变化。尤其是近几年高速切削加工技术的应用，在大幅度提高生产效率的同时也极大地提高了产品的质量，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、大的进给量、机床的快速移动、快速换刀等，最终体现为生产效率的大幅度提高。但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、工件材料以及刀具选择的变化，高速切削加工的速度存在很大变动范围。一般认为高速加工的切削速度为常规切削速度的5～10倍，如加工碳素钢切削速度为500～2000m/min；铸铁为600～3000m/min；铝合金为1000～7000m/min；铜为900～5000m/min。 高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一，而刀具材料的高温性能是影响高速切削刀具技术发展的重中之重。由于在高速切削加工中所产生的切削热对刀具的磨损比常规切削高得多，因此对刀具材料有更高的要求：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。 刀具表面涂层技术是应市场需求而发展起来的一种表面改性技术，自上世纪60年代出现以来，该项技术在金属切削刀具制造业内得到了极为广泛的应用。尤其是高速切削加工技术出现之后，涂层技术更是得到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表面形成某种薄膜，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。归纳起来切削刀具表面涂层技术具有以下特点： 采用涂层技术可在不降低刀具强度的条件下，大幅度地提高刀具表面硬度，目前所能达到的硬度已接近100GPa； 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； 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，也适合于干式切削加工； 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。 涂层切削刀具所带来的益处：可大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表面质量；有效地减少刀具材料的消耗，降低加工成本；减少冷却液的使用，降低成本，利于环境保护。 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大类，但由于市场需求的变化及涂层技术本身的特性，物理涂层技术的发展受到了更大的关注。PVD技术在得到飞跃性发展的同时，其应用市场也得到了广泛的拓展。与最初发展相比，不仅涂层成分种类繁多，近几年来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。因此本文拟对当前PVD涂层进行分类，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PVD技术的发展和应用角度，笔者认为PVD涂层可按2种方法进行分类。 按涂层成分分类 按涂层成分对涂层进行分类简洁、明了，基于对材料性能的认识，使用者容易了解涂层的功能，易为市场所接受，因此目前各涂层企业更多的是以不同的涂层成分向用户介绍、推荐其技术及产品。按成分对涂层区分通常可分为两大类，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，随着市场需求的变化及涂层技术的发展，新的涂层成分不断被开发出来，到目前为止所应用的硬涂层成分已有几十种之多；软涂层顾名思义薄膜的硬度相对较低，通常为1000HV左右。软涂层目前种类并不多，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表面覆盖一层这种薄膜，试图增加涂层表面的润滑性，改善被加工工件表面质量，以满足某些应用领域的需要。 按涂层结构分类 尽管按成分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化已越来越多地影响着涂层刀具的应用效果。相同的涂层成分、不同的结构形式，可以导致涂层刀具使用效果的截然不同。因此认识了解目前PVD涂层薄膜的结构形式，对于该项技术的实际应用有着十分重要的意义。就目前PVD技术的发展状况，涂层薄膜结构大体可分类如下： 单一层涂层 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分是恒定的，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用这种技术，其中包含众所周知TiN、TiCN、TiAlN 等。随着应用市场要求的不断提高，人们也愈加认识到这种涂层的局限性，无论是显微硬度、高温性能、薄膜韧性等都难于大幅度提高，但这种涂层在市场中仍占有一定比例