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刀具涂层的应用现状及发展趋势

  涂层技术是提升刀具性能的主要手段之一。通过涂层提高了切削刀具抗各种磨损的能力,延长了刀具的寿命,提高了被加工零件的表面精度,也提高了切 削速度和进给速度,从而提高了金属切削效率。今天,在切削刀具主流材料的硬质合金中,涂层硬质合金刀具占了80%,而其中CVD(化学涂层)又占了60% ~65%,其余为PVD(物理涂层)。

  在CVD涂层方面,包括TiCN、TiC、TiN、ZrCN和Al2O3等各种 化合物的多层复合涂层对改善涂层的综合性能,如结合强度、韧性、耐磨性和抗磨性及耐腐蚀性具有良好的效果。现在典型的VCDTiN(外层)+ Al2O3(中层)+TiCN(内层)多层式结构正在从涂层工艺上和涂膜的厚度上得到进一步改善。MTCVD(中温化学涂层)因有较低的工艺温度和较快的 沉积速率使得涂层与基体分界面上的脆性η相最小化,同时减少了在高温CVD涂层中常见的由高温导致的拉伸裂纹,因此,MTCVD TiCN涂层已成为CVD多层涂层中的一个主要构成,这种MTVCD已用于α- Al2O3涂层,如ISCAR的α-IC9150、α-IC9250、α-IC9350和α-IC4100等,提升了涂层与基体的结合强度和抗后面磨损、 前面磨损和抗粘附的能力。

  在PVD涂层方面,也从单一的TiN或TiCN或TiAlN涂层发展到现在的复合涂层即硬涂层+软涂层。为适应更高切削 速度和干式切削的要求,涂层刀具的红硬性成为近几年PVD技术的开发热点。TiAlN的改进涂层AlTiN提高了薄膜中Al的含量(Al含量大于 50%),提升了涂层的红硬性、化学稳定性和抗氧化的性能,如ISCAR的Al-IC910(加工铸铁和钢)、Al-IC900、Al-IC930(加工 钢、不锈钢、硬钢、铸铁、高温合金等)。

  现代刀具涂层发展的一个重要特征就是复合化,为了提高其综合性能,涂层材料复合、涂层层复合以及 CVD与PVD复合,如ISCAR的DT7150(K05-K25)通过MTCVD Al2O3和PVD TiAlN复合涂层,提高了材质的综合性能,用于高速加工灰铸铁和球墨铸铁。而多样化是刀具涂层发展的另一个趋势,有各种氮化物、氧化物涂层材料,还有 TiB、SN涂层、金刚石涂层、立方氮化硼涂层等等。多样化的深层次原因是专业化,即针对不同的需求采用不同的涂层,并能对涂层的组分、百分比、结构及厚 度在更大范围内加以控制和改变,以适应不同的被加工材料和不同的切削条件,从而显着地提高刀具的切削性能。如CrAlN涂层,以Cr元素替代Ti元素,具 有3200HV硬度和1100℃的氧化温度,与TiAlN相比韧性更好,更适合断续切削和难加工材料的加工;以Si元素代替Al元素的涂层可获得用于硬切 削的TiSiN,也可获得有润滑性的CrSiN,更适合用于铝、不锈钢等粘附性强的材料加工。此外,涂层材料的细微化是现代刀具涂层发展的另一个令人关注 的趋势,纳米复合涂层正在越来越多的地方得到应用。在未来,刀具涂层将是一个系统的概念,即刀具涂层必须根据不断变化的现代切削应用条件来进行系统的组 合,这是一种与传统观念中的“在刀具上涂覆一层薄膜”截然不同且复杂得多的系统工程方法,这需要我们进行系统思考。

 

  刀具涂层进展概况

  现代切削面临着不断发展的高速、高效、高精加工要求和愈来愈多的高强度、高韧性、难切削等高能级材料,加之硬加工、干切削等切削要求日新月异, 使得切削刀材料难以满足日趋复杂的综合切削性能要求。若在材料的整体性能上去满足要求,不仅在资源的利用上极不经济,同时在材料技术方面也是高难度,甚至 是难以达到的。考虑到切削过程表面作用是第一性的特点,就可通过材料表面改性技术的方法来赋予切削刀具的综合切削性能。实践表明,作为刀具材料表面改性技 术之一的化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)工艺技术,在现代切削刀具方面的应用取得了十分理想的效果。尤其是PVD,由于其工艺温度低于 CVD,不会影响刀具基材的性能,且工艺方案的变化灵活,其应用日趋广泛,已成为现代刀具制造的核心技术之一,由此可以说,现代刀具的发展成为了刀具涂层 发展的动力,并为其创造了非凡的发展空间,并几乎将发达国家所有从事涂层设备制造和涂层服务的企业都吸引到国内来,形成了群雄并起的局面。这也就是为什么 近两年来刀具涂层无论在数量上还是在技术水平上都得到快速发展的原因,并确实推动了我国涂层工艺技术和生产的发展。

  当前,单一涂层显然已无法满足现代刀具性能上的要求。高耐磨性、低摩擦系数的多元复合涂层、高韧性和抗冲击性能的多层涂和梯度涂层、具有氧化膜热障顶层和耐 热及抗热冲击的复合涂层、具有耐磨、耐热、低摩擦、高韧性等综合性能的纳米组份(颗粒)的多层涂、用于加工纤维增强复合材料的纯金刚石涂层,以及各类属专 有技术(专利)具有特殊功能的个性化涂层(如人体植入件涂层)等纷纷应运而生。另一方面,刀具涂层亦反作用于现代刀具,使现代刀具的技术水平不断跃上新的 台阶,达到了相互促进,共同发展的效果。

  在涂层设备方面,高度的集成化、模块化结构和智能化的运作,不仅实现了设备的现代化;同时使工艺精细、调节自如、高稳定性和高可靠性,因而可做到涂层的精益生产和清洁(绿色)生产,这是确保现代切削刀具成为高技术性能产品的有效手段。

  可以预期,我国的刀具涂层在不久的将来会步入一个快速发展期,会出现越来越多的由我国自行涂层加工的高性能涂层刀具,在不断地提高我国的切削加工技术水平,发展我国现代制造业方面,发挥越来越大的作用。

  最新的刀具涂层发展

  从1970年最先采用的CVD TiN/TiC/ TiCN 到1980年开始的PVD涂层技术,现代涂层技术现在已经广泛应用到刀具、模具、零部件和装饰产品上。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命,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。因此,涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。相对现在广泛应用的 TiC、TiCN、CrN、TiAlN、TiAlCN,为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求,下一代的涂层技术将向高性能涂层技术发展, 其开发的最新一代的高性能涂层专门针对高 档刀具,尤其是硬质合金刀具;现代CNC机床的高精度、高速、大切削量加工刀具;干切削;高效率加工、大批量生产等场合。铣 刀和齿轮滚刀上都有很好的表现。针对钻孔刀而开发的复合涂层(TiN+DLC, TiCN+DLC,AlTiN+DLC)在原有涂层的基础上加DLC涂层(类金刚石涂层),从而得到极为光滑的表面,降低摩擦系数,从根本上解决深孔加工 中的排屑问题而导致的孔径尺寸超差现象的发生。AlTiN能降低加工扭矩50%以上,从而极大地提高刀具的性能,基于TiSi涂层材料,针对硬、难加工材 料的高速切削。

  高性能涂层在滚刀上的应用有含Si高性能涂层,专门 针对加工速度大于120m/min,要求高速、高效的批量生产的滚齿加工。涂层针对高速干切削;涂层针对中要求涂层。在一组加工速度为180m/min的 干切削滚齿加工实验中,普通的AlTiN能生产的齿轮数为980个/把刀,而能生产的齿轮数为2000个,刀具寿命提高了1倍。

  涂层厂商应该在充分了解客户的产品应用、需求、加工参数、设备状况的基础上,根据客户的实际情况提供客户化的涂层参数设计,从而最大程度地发挥涂层的性能,达到刀具的最佳寿命,增强与客户的沟通和协作,在实际的涂层服务过程中是极为重要的。

 

  减少切削污染

  各种机电产品的过早失效破坏中约有70%是由磨损和腐蚀造成的,而这两种失效方式都与材料的表面状态(物理、化学和应力状态等)密切相关。因此,提高这类材料使用性能的关键是提高其表面性能。

  随着科技的发展,对材料的表面性能的要求越来越高。 近几十年来各种气相沉积技术的兴起,使表面工程技术的研究和应用都取得了突飞猛进的发展。这些技术不但实现了机械性能的要求,如耐磨、减摩和抗蚀,而且在 电磁、光学、光电子学、热学、超导和生物学等与表层有关的功能材料领域大显身手。表面工程学不仅使低廉的金属材料在性能与效益方面发挥出更大的优势,而且 已成为研制各种新型镀层和薄膜材料的重要手段,具有巨大的应用潜力。

  随着机械加工工业水平的提高,对刀具提出了新的要求。除了提高使用寿命外还要求减少切削时的污染,尽可能使用干切削。在不能完全取消切削液的时候,尽量做到其中只含防锈剂而无有机物,这样可以使循环回收的成本大为降低。

  切削刀具的多样性和使用时的工作状态特点决定了选择刀具镀层的不同。车削和钻孔不同,铣刀又应考虑其断续冲击的特点。早期发展的涂层以耐磨为主要着眼点,以 提高硬度为主要指标。以氮化钛为代表的此类涂层具有较高的摩擦系数(0.4~0.6),加工时与工件之间不断摩擦将产生大量热能。为避免刀具过热发生变形 影响加工精度和延长其使用寿命,通常使用切削液。

  要解决减少或免除切削液带来的问题,刀具镀层不仅应使刀具具有长寿命,且应有自润滑的功能。类金刚石涂层(DLC)的出现在对某些材料 (Al、Ti及其复合材料)的机械加工方面显示出优势,但经过多年的研究表明类金刚石涂层的内应力高、热稳定性差和与黑色金属间的触媒效应使SP3结构向 SP2转变等三种缺点,决定了它目前只能应用于加工有色金属,因而限制了它在机加工方面的进一步应用。但是近年来的研究表明,以SP2结构为主的类金刚石 涂层(也称为类石墨涂层)硬度也可达到20~40GPa,却不存在与黑色金属起触媒效应的问题,其摩擦系数很低又有很好的抗湿性,切削时可以用冷却剂也可 用于干切削,其寿命比非镀层刀有成倍的提高,加工钢铁材料不存在问题,因而引起了涂层公司、刀具厂家极大的兴趣。假以时日,这种新型的类金刚石涂层会在切 削领域得到广泛的应用。

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