刀具涂层技术现状及其展望

清风明月

       刀具涂层技术现状及其展望

       对刀具进行涂层是机械加工行业前进道路上的一大变革，它是在刀具韧性较高的基体上涂覆一层、二层乃至多层耐磨的难熔化合物，从而使刀具的性能得到极大改善。经涂层的刀具可以提高加工效率、加工精度、延长寿命、降低成本，因而，受到世界各国普遍关注。
现状
       自20世纪60年代末第一代CVD气相沉积TiC硬质合金刀片问世以来，涂层技术对硬质合金刀具的发展起了巨大的促进作用。20世纪80年代初PVD气相沉积TiN在高速钢刀具上成功应用，被誉为高速钢刀具性能的一场革命。从此，涂层技术取得了飞速的发展，涂层工艺越来越成熟，涂层刀具应用范围越来越广泛。
; i! W6 i; @$ F2 d. Q) v       西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%，新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。瑞典山特维克可乐满和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达85%以上，美国数控机床上使用的硬质合金涂层刀片的比例为80%，瑞典和德国车削用的涂层刀具都在70%以上。日本、俄罗斯涂层技术开发和应用也走在世界前列。我国涂层刀具起步晚，但进步快，涂层网点遍布全国，不少城市都有自己的涂层中心，承接对外加工业务，厂矿也不甘示弱，国内几家大的工具厂拥有涂膜机都在10台以上，但多数应用在麻花钻等低端产品上。德国等工业发达国家的涂层公司纷纷在我国安营扎寨，大搞涂层刀具对外加工。由于资源匮乏和机械加工的高效化，以及数控技术进步及难加工材料增多，涂层刀具正以惊人的发展速度被动式向前挺进。
2 x8 Y/ }& A! m% Z涂层技术的新发展
# u" A" J# l1 b       纵观CVD、PVD技术的发展过程，可以发现几个共同的规律。当第一代涂层产品进入市场后，首先要解决的是涂层设备的国产化问题，以满足市场需要；其次是开发新一代的涂层成分，以提高刀具的加工效率；第三是研制多层涂层及控制技术，使被涂刀具表层具有多种材料的综合力学性能，对切削、拉铣等不同加工对象实施个性化服务。涂层技术的新发展主要表现在以下三个方面：
（1）膜系材料多元化
% G% G! d9 y) F1 E目前应用最多的涂层物质是TiC、TiN、TiCN和Al2O3。当今在硬质合金涂层刀具中应用最多的TiAlN三元涂层，并可以通过调整Al元素的成份比例来获得不同膜层性能。涂层材料由最初的TiC和TiN单层发展到现在的复合涂层。复合涂层及相关技术的出现，使涂层既可以提高与基体的结合强度，又具有多种材料的复合性能。近几年开发的TiN/NbN、TiN/CNx等多元复合薄材料，使涂层刀具寿命有很大的提高。涂层工艺组合的多样化带来了TiAlN、TiAlCN、CrSiN等多元复合涂层，使刀具获得高耐磨、低摩擦、热稳定好和抗氧化性能等优良的综合性能。
（2）软涂层高硬度是早期涂层技术开发追求的主要目标，然而并不是所有的材料都适合于硬涂层。如高强度铝合金、钛合金及某些贵重材料都不适合用硬涂层刀具加工，而软涂层则较好地解决了上述材料的难加工问题。软涂层主要有MoS2、WS2、TaS2等。
* y5 K" d" c+ b! m! Y5 F# Z- d7 W（3）纳米涂层
       近期美国学者开发出纳米涂层刀具，这种涂层刀具可采用多种涂层材料的不同组合，以满足不同功能和性能要求，设计合理的纳米涂层，可使刀具材料具有优异的减摩抗磨功能和自润滑性能，适用于高速干切削，尤其适于在数控机床上使用。具有一定代表性的是AlTiN晶粒与无定型的Si3N4纳米组分构成的纳米混合膜，其硬度可达到45GPa，膜层的稳定性和抗氧化性可达1000℃。
3 e4 q' o- J4 n( TPVD、CVD将长期共存
       早在20多年前，PVD涂层投入工业生产以来，人们一直在探索用PVD代替CVD的问题，几经周折，设想和实践都成为泡影。
  j) r* ]8 x+ M( |$ Z       尽管PVD有CVD难以比拟的优点，也可以进行Al2O3以外的多种硬质涂层，但事实表明：CVD车、铣刀具还是优于PVD。今后两种涂层在切削刀具涂层中将长期共存和相互补充，并因各自优点而在涂层产品中占据属于自己的份额。两种技术也可以相互结合，取长补短，如目前应用的PCVD涂层技术就是例证。
涂层刀具的应用
      涂层技术目前广泛应用于机械、电子、光学、航空航天、化工、轻纺及食品工业等各个部门。运用高科技手段不仅能沉积各类金属和合金，还能沉积多种化合物，不仅能在金属基体上沉积，而且在陶瓷、金刚石、玻璃甚至塑料等非金属上沉积，可以毫不夸张地讲，涂层技术已渗透到国民经济各个领域，其作用和效能有目共睹，不管是国内还是国外机床工具博览会上，人们都会看到品种繁多、方法各异的涂层工具，应用实例举不胜举。
8 I0 O2 {: x" C' r' S4 J- i涂层中应注意的几个问题：
（1）理想的刀具材料
( B5 e3 a" q% n9 m用于涂层的刀具材料必须是理想的好材料，不能停留在合格的水平上。俗话说好钢要用在刀刃上，目前刀具材料市场不规范，鱼龙混杂，假冒伪劣猖獗。在选材、用材时应加强检查，把好各道关卡，不然前功尽弃。
  t& C: R4 }$ O4 E（2）硬度检查
/ ~( T: U+ _$ A& R硬度不合适的刀具若涂层，涂层技术再高明也无济于世。例如65HRC以下的高速钢刀具，硬度大于68HRC的501钢立铣刀，以及所谓的低合金高速钢钻头，涂层效果就不一定好。通过适当的热处理，将刀具硬度控制在客户满意的范围内，再施以理想涂层，将是锦上添花。JB/T8365-96《氮化钛涂层刀具技术规范》，要求高速钢刀具涂层硬度≥2000HV，但目前市场上不少涂层产品达不到此值，往往是低硬度的装饰镀，或是涂层厚度达不到要求。
& g. a# x( [6 [- u（3）退磁
涂层前应进行退磁处理，因为磁性会影响涂层效果。