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              刀具涂層知識及金剛石、氮化碳、立方氮化硼CBN刀具涂層技術的研究

              關鍵詞 刀具涂層 , 金剛石 , 氮化碳 , 立方氮化硼 , CBN刀具|2019-11-14 09:47:03
              摘要 一、刀具涂層:通過化學或物理的方法在刀具表面形成某種薄膜,使切削刀具獲得優良的綜合切削性能,從而滿足高速切削加工的要求;自20世紀70年代初硬質涂層刀具問世以來,化學氣相沉積(CV...

              一、刀具涂層

              通過化學或物理的方法在刀具表面形成某種薄膜,使切削刀具獲得優良的綜合切削性能,從而滿足高速切削加工的要求;自20世紀70年代初硬質涂層刀具問世以來,化學氣相沉積(CVD)技術和物理氣相沉積(PVD)技術相繼得到發展,為刀具性能的提高開創了歷史的新篇章。涂層刀具與未涂層刀具相比,具有顯著的優越性:它可大幅度提高切削刀具壽命;有效地提高切削加工效率;提高加工精度并明顯提高被加工工件的表面質量;有效地減少刀具材料的消耗,降低加工成本;減少冷卻液的使用,降低成本,利于環境保護。

              二、刀具涂層的特點:

              1,采用涂層技術可在不降低刀具強度的條件下,大幅度地提高刀具表面硬度,目前所能達到的硬度已接近100GPa;

              2.隨著涂層技術的飛速發展,薄膜的化學穩定性及高溫抗氧化性更加突出,從而使高速切削加工成為可能。

              3.潤滑薄膜具有良好的固相潤滑性能,可有效地改善加工質量,也適合于干式切削加工;

              4.涂層技術作為刀具制造的最終工序,對刀具精度幾乎沒有影響,并可進行重復涂層工藝。

              三、常用的涂層:

              1,氮化鈦涂層: 氮化鈦(TiN)是一種通用型PVD涂層,可以提高刀具硬度并具有較高的氧化溫度。該涂層用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得很不錯的加工效果。

              2,氮化鉻涂層:CrN涂層良好的抗粘結性使其在容易產生積屑瘤的加工中成為首選涂層。涂覆了這種幾乎無形的涂層后,高速鋼刀具或硬質合金刀具和成形工具的加工性能將會大大改善。

              3,金剛石涂層CVD金剛石涂層可為非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能,是加工石墨、金屬基復合材料(MMC)、高硅鋁合金及許多其它高磨蝕材料的理想涂層(注意:純金剛石涂層刀具不能用于加工鋼件,因為加工鋼件時會產生大量切削熱,并導致發生化學反應,使涂層與刀具之間的粘附層遭到破壞)。

              4,氮碳化鈦涂層:氮碳化鈦(TiCN)涂層中添加的碳元素可提高刀具硬度并獲得更好的表面潤滑性,是高速鋼刀具的理想涂層。

              5,氮鋁鈦或氮鈦鋁涂層(TiAlN/AlTiN):TiAlN/AlTiN涂層中形成的氧化鋁層可以有效提高刀具的高溫加工壽命。主要用于干式或半干式切削加工的硬質合金刀具可選用該涂層。根據涂層中所含鋁和鈦的比例不同,AlTiN涂層可提供比TiAlN涂層更高的表面硬度,因此它是高速加工領域又一個可行的涂層選擇。

              四、涂層技術及刀具涂層知識:

              1,氮碳化鈦(TiCN)涂層比氮化鈦(TiN)涂層具有更高的硬度。由于增加了含碳量,使TiCN涂層的硬度提高了33%,其硬度變化范圍約為Hv3000~4000(取決于制造商)。

              2,CVD金剛石涂層:表面硬度高達Hv9000的CVD金剛石涂層在刀具上的應用已較為成熟,與PVD涂層刀具相比,CVD金剛石涂層刀具的壽命提高了10~20倍。金剛石涂層刀具的高硬度,使得切削速度可比未涂層的刀具提高2~3倍,使CVD金剛氧化溫度是指涂層開始分解時的溫度值。氧化溫度值越高,對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN涂層的常溫硬度也許低于TiCN涂層,但事實證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成數控微信號cncdar一層氧化鋁,氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比,硬質合金刀具的切削速度通常更高,這就使TiAlN成為硬質合金刀具的首選涂層,硬質合金鉆頭和立銑刀通常采用這種PVDTiAlN涂層石涂層刀具成為有色金屬和非金屬材料切削加工的不錯選擇。

              3,刀具表面的硬質薄膜對材料有如下要求:①硬度高、耐磨性能好;②化學性能穩定,不與工件材料發生化學反應;⑧耐熱耐氧化,摩擦系數低,與基體附著牢固等。單一涂層材料很難全部達到上述技術要求。涂層材料的發展,已由最初的單一TiN涂層、TiC涂層,經歷了 TiC—A12O3一TiN復合涂層和TiCN、TiAlN等多元復合涂層的發展階段,現在最新發展了TiN/NbN、TiN/CN,等多元復合薄膜材料,使刀具涂層的性能有了很大提高。

              4,在涂層刀具制造過程中,一般根據涂層的硬度,耐磨性,高溫抗氧化性,潤滑性以及抗粘結性等幾個方面來選擇,其中涂層氧化性是與切削溫度最直接相關的技術條件。氧化溫度是指涂層開始分解時的溫度值,氧化溫度值越高,對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN涂層的常溫硬度也許低于TiCN涂層,但事實證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁,氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比,硬質合金刀具的切削速度通常更高,這就使TiAlN成為硬質合金刀具的首選涂層,硬質合金鉆頭和立銑刀通常采用這種PVDTiAlN涂層.

              5,從應用技術角度講:除了切削溫度外,切削深度、切削速度和冷卻液都可能對刀具涂層的應用效果產生影響。

              五、常用涂層材料進展及超硬涂層技術:

              硬質涂層材料中,工藝最成熟、應用最廣泛的是TiN。目前,工業發達國家TiN涂層高速鋼刀具的使用率已占高速鋼刀具的50%一70%,有的不可重磨的復 雜刀具的使用率已超過90%。由于現代金屬切削對刀具有很高的技術要求,TiN涂層日益不能適應。TiN涂層的耐氧化性較差,使用溫度達500℃時,膜層 明顯氧化而被燒蝕,而且它的硬度也滿足不了需要。TiC有較高的顯微硬度,因而該材料的耐磨性能較好。同時它與基體的附著牢固,在制備多層耐磨涂層時,常將TiC作為與基體接觸的底層膜,在涂層刀具中它是十分常用的涂層材料。

              TiCN和TiAlN的開發,又使涂層刀具的性能上了一個臺階。 TiCN可降低涂層的內應力,提高涂層的韌性,增加涂層的厚度,阻止裂紋的擴散,減少刀具崩刃。將TiCN設置為涂層刀具的主耐磨層,可顯著提高刀具的壽命。TiAlN化學穩定性好,抗氧化磨損,加工高合金鋼、不銹鋼、欽合金、鎳合金時,比 TiN涂層刀具提高壽命3—4倍。在TiAlN涂層中如果有較高的Al濃度,在切削時涂層表面會生成一層很薄的非品態A12O3,形成一層硬 質惰性保護膜,該涂層刀具可更有效地用于高速切削加工。摻氧的氮碳化鈦TiCNO具有很高的顯微硬度和化學穩定性,可以產生相當于TiC十A12O3復合 涂層的作用。

              在上述硬質薄膜材料中,顯微硬度HV能夠超過50GPa的有3種:金剛石薄膜、立方氮化硼CBN、氮化碳。

              許多沉積金剛石薄膜的溫度要求為600℃一900℃,因此該技術常用于硬質合金刀具表面沉積金剛石薄膜。金剛石硬質合金刀具的商品化,是近幾年涂層技術的重大成就。

              CBN在硬度和導熱率方面僅次于金剛石,熱穩定性極好,在大氣中加熱至1000℃也不發生氧化。CBN對于鐵族金屬具有極為穩定的化學性能,與金剛石不宜加工鋼材不同,它可以廣泛用于鋼鐵制品的精加工、研磨等。CBN涂層除具有優良的耐磨損性能外,還可以在相當高的切削速度下加工耐熱鋼、鈦合金、淬火鋼,能切削高硬度的冷硬軋輥、摻碳淬火材料和對刀具磨損非常嚴重的Si—Al合金等。低壓氣相合成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。 CVD包括化學輸運PCVD,熱絲輔助加熱PCVD、ECR—CVD等;PVD則有反應離子束鍍、活性反應蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。CBN的合成技術,在基礎研究和應用技術方面都還有不少工作要做,包括反應機制和成膜過程、等離子體診斷和質譜分析、最佳工藝條件的確定、高效率設備的開發等。

              氮化碳有可能具有達到或超過金剛石的硬度。合成氮化碳的成功,是分子工程學十分杰出的范例。作為超硬材料的氮化碳,預期還有其它許多寶貴的物理化學性質,研究氯化碳成為世界材料科學領域的熱門課題.

              (備注:CVD:化學涂層; PVD:物理涂層) 

              金屬切削加工必須滿足對生產率和加工速度不斷提高的要求。加工時產生的摩擦、工件和刀具的磨損是造成生產率損失的主要因素。根據德國摩擦學會的報告,在工業化國家,每年僅由摩擦和磨損造成的損失就占到社會生產總值的大約5%。

              刀具涂層可以改善刀具的摩擦和磨損性能,因此在切削加工中必不可少。多年來,表面處理技術提供商一直在開發定制化的涂層解決方案,以提高刀具的耐磨性、加工效率和使用壽命。獨特的挑戰來自于對以下四個要素的關注與優化:①刀具表面的涂前和涂后處理;②涂層材料;③涂層結構;④涂層刀具綜合加工技術。

              刀具磨損來源

              在切削過程中,一些磨損機理發生在刀具與工件材料的接觸區。例如,切屑與切削表面之間的粘結磨損、工件材料中的硬質點對刀具的磨料磨損,以及摩擦化學反應(由機械作用和高溫引起的材料化學反應)引起的磨損。由于這些摩擦應力會減小刀具的切削力和縮短刀具的使用壽命,因此它們主要影響刀具的加工效率。

              表面涂層可以減小摩擦力的影響,同時,刀具基體材料可對涂層起到支撐作用,并吸收機械應力。摩擦系統性能的改善除了可以提高生產率以外,還能節省材料和降低能源消耗。

              涂層對降低加工成本的作用

              在生產周期中,刀具的使用壽命是一個重要的成本因素。除了其他含義以外,可將刀具壽命理解為機床在需要維護之前能夠不間斷加工的時長。刀具壽命越長,因生產中斷而產生的成本就越低,機床的維護工作也越少。

              即使在切削溫度很高的情況下,使用涂層也可以延長刀具的使用壽命,從而大大降低加工成本。此外,刀具涂層還可以減少對潤滑液的需求。這不但可以降低物料成本,而且還有助于保護環境。

              涂層前和涂層后處理對生產率的影響

              在現代切削加工中,刀具要承受高壓(>2GPa)、高溫和不斷循環的熱應力。在刀具涂層之前和涂層以后,必須對其進行相應的工藝處理。

              在刀具涂層之前,可采用各種預處理方法使刀具為隨后的涂層工藝做好準備,同時顯著提高涂層的附著力。通過與涂層的共同作用,對刀具切削刃的制備也能提高切削速度和進給率,并延長刀具的使用壽命。

              涂層后處理(刃口制備、表面處理和結構化處理)對刀具的優化也起著決定性作用,尤其可以防止通過形成積屑瘤(工件材料粘結到刀具切削刃上)而可能造成的早期磨損。

              涂層考慮因素與選擇

              對涂層性能的要求可能迥然不同。在切削時刃口溫度很高的加工條件下,涂層的耐熱磨損性能就變得極其重要。人們期望,現代涂層還應具有以下特性:優異的高溫性能、抗氧化性能、高硬度(即使在高溫條件下),以及通過納米結構層設計而具有的微觀韌性(塑性)。

              對高效刀具而言,優化的涂層粘附性和合理分布的殘余應力是兩個決定性因素。首先,需要考慮基體材料與涂層材料的相互作用。其次,涂層材料與被加工材料之間應具有盡可能小的親和性。通過采用適當的刀具幾何形狀和對涂層進行拋光的方式,可以顯著降低涂層與工件發生粘結的可能性。

              鋁基涂層(如AlTiN)是切削加工行業常用的刀具涂層。在切削高溫作用下,這些鋁基涂層可以形成薄而致密的氧化鋁層,而氧化鋁層在加工中可以不斷自我更新,并保護涂層和其下的基體材料不被氧化侵蝕。

              通過改變鋁含量和涂層結構,可以調整涂層的硬度和抗氧化性能。例如,通過增加鋁含量,采用納米結構或微合金化(即與低含量元素合金化),就可以改善涂層的抗氧化性能。

              除了涂層材料的化學成分以外,涂層結構的變化也會顯著改變涂層的性能。不同的刀具性能取決于涂層微觀結構中各種元素的分布狀況。

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              通過改變各層涂層中不同元素的分布狀況,可以調整涂層性能(如各層硬度、材料相的穩定性和摩擦特性)

              如今,可將幾種具有不同化學成分的單一涂層組合成復合涂層,以獲得所需的性能。這種趨勢今后還將不斷發展——尤其是通過新的涂層系統與涂層工藝,如將三種高離子化涂層工藝組合到一起的HI3(High Ionization Triple)電弧蒸發與濺射混合涂層技術。

              作為一種全能型涂層,鈦硅基(TiSi)涂層可以提供優異的加工性能。此類涂層既可用于加工具有不同碳化物含量的高硬度鋼(芯部硬度高達HRC65),也能用于加工中等硬度鋼(芯部硬度HRC40)。為了適應不同的加工用途,可對涂層結構的設計進行相應調整。因此,鈦硅基涂層刀具可用于切削加工從高合金鋼、低合金鋼到淬硬鋼和鈦合金的各種工件材料。在平面工件(硬度為HRC44)上進行的高光潔度切削試驗表明,涂層刀具可使刀具壽命提高近兩倍,加工表面粗糙度減小10倍左右。

              鈦硅基涂層可最大限度地減少后續的表面拋光處理。此類涂層將有望應用于切削速度高、刃口溫度高、金屬去除率高的加工中。

              對于其他一些PVD涂層(尤其是微合金化涂層),涂層公司也與加工企業密切合作,研究開發各種優化的表面處理方案。因此,在加工效率、刀具使用、加工質量,以及材料、涂層與加工之間的相互作用等方面,都可能獲得很大的改善,并得到實際應用。通過與專業涂層伙伴合作,用戶就可以在刀具的整個生命周期中提高其使用效率。

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