刀具涂层材料研究进展

收稿日期: 2006年 2月 刀具涂层材料研究进展 余东海 � 王成勇 � 张凤林 广东工业大学 摘 � 要:随着涂层技术的进步, 刀具单涂层向着多元多层及纳米复合技术的方向发展。具有高硬度, 高耐磨性 及抗高温氧化性能的纳米技术刀具涂层是近来研究的热点, 并显示出良好的应用前景。具有低摩擦系数的软涂层 刀具的开发为刀具涂层的发展开辟了新的领域。 关键词:刀具, � 刀具涂层, � 涂层材料 Development of Cutting Tool Coating Material Yu Donghai � Wang Chengyong � Zhang Fenglin Abstract: Traditional monolayer cutting tool coatings develop into the multi�element and multilayer coatings along with the development of coating technology. Nano�technologic cutting tool coatings which have superior hardness, wear resistance and oxi� dation resistance become the hot point of research and display well applied prospects. Soft cutting tools are excellent in friction and wear resistance, which break a new field of coating technology. Keywords: cutting tool, � cutting tool coating , � coating materials � � 1 � 引言 涂层刀具是利用气相沉积 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 在高强度的硬质 合金或高速钢( HSS)基体表面涂覆几个微米的高硬 度、高耐磨性的难熔金属或非金属化合物涂层而获 得的。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性 能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特 性,涂层材料作为化学屏障和热屏障,减少了刀具与 工件间的扩散和化学反应,从而减少了月牙洼磨损, 切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命 3~ 5倍以上, 提高切削速度 20% ~ 70%, 提高加工精度 0�5~ 1 级,降低刀具消耗费用 20% ~ 50%。 表 1� 刀具涂层材料发展[1] 时间 涂层材料 涂层方法 主要应用 1968 TiC,TiN CVD 硬质合金刀具 1973 TiCN,TiCN+ Al2O3 CVD 硬质合金刀具 1979 TiN PVD 高速钢刀具 1981 TiC+ Al2O 3+ TiN CVD 硬质合金刀具 1982 TiCN MT�CVD 硬质合金刀具 1984 TiCN PVD 硬质合金,高速钢刀具 1986 Diamond, CBN CVD, PVD 硬质合金刀具 1989 TiAlN PVD 硬质合金高速刀具 1990 TiN,TiCN,TiC PCVD 硬质合金刀具 1993 CrN PVD 钛合金,铜合金加工 1994 MoS2 PVD 高速钢刀具 1995 CNx CVD, PVD 高速钢刀具 2000 TiAlCN PVD 硬质合金刀具 2000 TiN/AlN纳米多层 PVD 硬质合金,高速钢刀具 2003 TiN/a�Si3N 4 纳 米 复合 PCVD 硬质合金刀具 2004 AlCrN PVD 硬质合金,高速钢刀具 2005 Al2O3 PVD 硬质合金刀具 � � 涂层刀具的出现是刀具材料发展中的一次革 命。自涂层刀具问世以来,刀具涂层技术取得了飞 快的发展,涂层种类也越来越多。工业发达国家使 用的涂层刀具在切削刀具中占的比例越来越大, 约 占到 70~ 80% , 涂层刀具已经成为现代刀具的标 志。表 1所示为刀具涂层材料的发展状况, 从第一 代的单涂层逐渐发展到多元多层涂层以满足不同材 料及切削环境的切削加工, 随着涂层技术的发展,新 型的纳米技术涂层和软涂层逐步走向市场。 � � 2 � 单涂层 TiC和TiN是最早出现的刀具涂层材料,也是目 前国内外应用较多的涂层。TiC 涂层硬度高 (达 HV2500~ 4200) ,具有高的抗机械磨损和抗磨料磨损 性能,与未涂层刀具相比, 有较低的摩擦系数,较小 的切削力和较低的切削温度,具有良好的抗后刀面 磨损和抗月牙洼磨损能力,应用温度 500 � ,但其性 脆,不耐冲击。TiN 涂层是 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 最成熟和应用最广 泛的硬质涂层材料,其突出优点是摩擦系数小, 应用 温度达到 600 � , 适于加工钢材或切削易于粘在前 刀面上的材料。目前国内外的刀具公司都有这两种 涂层牌号的产品。 化学气相沉积( CVD)的 Al2O3涂层刀具的切削 性能高于TiN和TiC涂层刀具, 且切削速度愈高,刀 具耐用度提高的幅度也愈大。在高速范围切削钢件 时,Al2O3 涂层在高温下硬度降低较 TiC 涂层小, Al2O3 具有更好的化学稳定性和高温抗氧化能力,因 此具有更好的抗月牙洼磨损、抗后刀面磨损和抗刃 252007年第 41卷 6 口热塑性变形的能力, 在高温下有较高的耐用度。 第一代 Al2O3涂层切削刀具中,涂层常常是由 �- 和 ��Al2O3的混合物组成, 导致不均匀的涂层形貌, 严 重降低涂层性能[ 2]。过去的 10 年里, 在控制 �� Al2O3晶体成核和细颗粒微观结构方面取得了很大 进步。早期的��Al2O3 涂层(图 1a)出现热裂纹并且 易碎, 最近通过调节晶核表面的化学作用就可能完 全控制并使 ��Al2O3 相成核, 形成由细颗粒 ��Al2O3 组成的涂层, 避免了转化裂纹(图 1b) ,与早先技术 得到的��Al2O3 涂层相比, 表现出优异的韧性[ 3]。 ( a)早先技术��Al2O3 的微观结构 � ( b)控制成核和细颗粒尺寸的 现代��Al2O 3微观结构 图 1 � ��Al2O3的微观结构[ 3] Al2O3涂层的绝缘特性使物理气相沉积( PVD) 工艺相当难于控制, 且沉积速度很低, 如何能通过 PVD的方法制备 Al2O3涂层一直是刀具涂层业所关 心的问题。CemeCon公司[ 4]开发的高电离化脉冲技 术(HIPTM) , 使优异的 AlOx 涂层成为可能。该公司 新近开发的建立在磁控溅射 TiAlN 涂层基础上的 Al2O3涂层, 涂覆温度低于 450 � , 在铸铁和高性能 合金材料试验上取得了满意结果。 HfN热膨胀系数非常接近硬质合金基体, 涂镀 后产生的热应力很小,刀片抗弯强度降低少, 因热膨 胀系数不同而引起崩刃的危险性减少, 且 HfN 热稳 定性和化学稳定性高于很多高熔点材料, 在温度高 达817~ 1204 � 时仍有很高的硬度( 30GPa) , 耐磨性 好[ 5]。目前市场上美国 Teledyne公司牌号为 HN+ 及HN+ 4的刀片及德国Walter 公司牌号为WHN 的 刀片都是HfN涂层刀片。 由于TiC、TiN涂层与钛合金和铝合金材料之间 的亲和力会使摩擦力和粘结增大, 产生粘屑, 而 CrC、CrN和新开发的Mo2N、Cr2O3等涂层化学稳定性 好,不易产生粘屑, 适于切削钛、铜、铝及其合金材 料。此外常见的单涂层材料还有 NbC、HfC、ZrC、 ZrN、BN、VN等。 � � 3 � 多元涂层 单涂层刀具由于基材与涂层两者的硬度、弹性 模量及热膨胀系数相差较远,晶格类型也不尽相同, 导致残余应力增加,结合力较弱。在单涂层中加入 新的元素(如加入 Cr 和 Y 提高抗氧化性, 加入 Zr、 V、B和Hf提高抗磨损性, 加入 Si提高硬度和抗化 学扩散)制备出多元的刀具涂层材料,大大提高了刀 具的综合性能。 最常用的多元刀具涂层是 TiCN、TiAlN 涂层。 TiCN涂层兼有TiC和 TiN 涂层的良好韧性和硬度, 它在涂覆过程中可通过连续改变 C 和 N的成份来 控制 TiCN的性质,并可形成不同成份的梯度结构, 降低涂层的内应力, 提高韧性, 增加涂层厚度,阻止 裂纹扩展,减少崩刃。 TiCN涂层技术不断地在发展, 九十年代中期, 中温化学气相沉积( MT�CVD)新技术[ 6, 7]的出现, 使 CVD技术发生了革命性变革。MT�CVD技术是以有 机物乙腈( CH3CN)作为主要反应气体,在 700 � 以下 生成TiCN涂层。这种TiCN涂层方法有效控制了很 脆的 相( Co3W3C)生成, 提高了涂层的耐磨性、抗 热震性及韧性。研究表明: 在 PVD沉积 TiCN 涂层 时适当增加离子束轰击也可明显提高涂层的硬度及 耐磨性[ 8]。近年来,以TiCN为基的四元成分新涂层 材料(如 TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等)也纷纷出现。 TiAlN涂层材料是目前应用最广泛的高速硬质 合金刀具涂层之一, T iAlN有很高的高温硬度和优良 的抗氧化能力,涂层组成由原来的 Ti0�75Al0�25N转化 为优先使用的Ti0�5Al0�5N[ 9]。Ti0�5Al0�5N涂层抗氧化 温度为 800 � , 在高速加工中表面会产生一层非晶 态 Al2O3 薄膜, 对涂层起保护作用。目前人们将研 究重点放在对 TiAlN 涂层的改进上, 以满足应用领 域对诸如抗氧化性能、热稳定性能及热硬度等需求 的不断提高。目前德国 CemeCon公司采用高电离溅 射技术(HIS( r ) ) [ 10]获得先进的 TiAlN涂层,涂层与基 体有极好的结合力, 避免了采用多弧离子镀技术时 蒸发材料在熔融状态以液滴的形式沉积于工作表面 的现象, 从而可获得表面非常光滑平整的涂层。 Balzers公司新开发的 X. CEED涂层[ 4]也是一种单层 TiAlN涂层, 具有优异的红硬性和抗氧化性,即使在 恶劣的条件下,涂层与基体仍具有良好的结合强度。 三菱公司的 MIRACLE涂层是含 Al丰富的( Al, Ti) N 涂层,通过大幅提高膜硬度和抗氧化性而实现了对 淬火钢的直接加工。 26 工 具技 术 TiBN涂层是基于 TiN和 TiB2 发展起来的多元 涂层,它既增强了TiN涂层的硬度,又保持了良好的 韧性, 避免了 BN涂层和TiB2涂层的脆性, 涂覆刀具 耐磨性及抗腐蚀能力显著提高, 且磨擦系数较 低[ 11]。C Heau[ 12]等人通过溅射 Ti�B 靶材沉积出的 Ti�B�N涂层结合力得以改善, 且达到了 44GPa 的显 微硬度。CemeCon 公司开发的TiAlBN涂层, 通过硼 含量的变化,在加工过程中产生所谓!实时∀现象, 即 通过硼扩散,形成 BN、B2N3,从而得到有利于切削加 工的润滑膜层[ 4]。此外还有日立公司开发的高温下 具有低摩擦系数的TiBON涂层[ 13]。 在TiN 中加入 Si元素形成 TiSiN多元涂层, 其 抗高温氧化性较单涂层TiN明显提高。日本日立公 司开发的适用于硬切削的TiSiN 涂层具有 36GPa 的 硬度和 1100 � 的开始氧化温度[ 13] , 此外日立公司还 以Cr 代替Ti元素,开发出具有润滑性, 更适合用于 铝、不锈钢等粘附性强的材料加工的 CrSiN 涂层以 及四元的具有超强耐氧化性的 AlCrSiN涂层。 Balzers公司另一具有代表性的多元涂层是以 Cr 元素替代 Ti元素的 AlCrN涂层,称为 G6,该涂层 具有 HV3200 的 显微硬度, 使用温 度可达 到 1000 � [ 13] , 它的韧性超过钛基涂层 ( 如 TiAlN、 TiCN) ,更适合断续切削和难加工材料的加工。 成都工具研究所开发了我国首创的 Ti�C�N�O� Al和 Ti�C�N�B两个系列共三种高性能多元复合涂 层,具有优异的复合机械性能和优良的切削性能, 主 要用于汽车刀具及 Hertel 系列螺纹梳刀片上[ 14]。 其他的多元涂层材料还有 TiMoN, TiCrN, NbCrN, NbZrN等。 � � 4 � 多层涂层 随着涂层技术的发展, 单层多元涂层也逐渐被 多层的复合涂层所取代。根据不同涂层材料的性能 和切削条件,涂覆不同的涂层组合,以发挥各种涂层 的优越性能。研究较多且有较好应用的是双层涂层 和层数在 3~ 7之间的多层复合涂层。 TiC/TiN双层涂层兼有 TiC涂层的高硬度和高 耐磨性,并有TiN 涂层良好的化学稳定性和高抗月 牙洼磨损性能。由于 TiC的热膨胀系数比TiN更接 近基体,涂层的残余应力较小,与基体结合牢固, 并 有较高的抗裂纹扩展能力, 所以常用作多层涂层的 底层。Al2O3 涂层有很多优良的性能,但 Al2O3 与基 体的结合强度较差, 在基体上先沉积一层TiC或 TiN (如TiC/ Al2O3, TiN/ Al2O3) , 可以改善 Al2O3 涂层的 结合强度。其它的双层涂层有 TiN/ CBN、Al2O3/ CBN、TiC/ TiBN及Al2O3/T i2O3 等。 三层涂层的组合方式很多,例如TiC/TiCN/ TiN、 TiC/T iCN/ Al2O3、TiC/T iN/ Al2O3、TiC/ Al2O3/ TiN、 TaC/TiC/T iN、TiN/ TiC/T iN 和 TiCN/TiC/ TCN 等[ 15] , 都是利用各个单涂层的优点根据不同的切削条件组 合而成的。最常见是 TiC/TiCN/TiN涂层,这种涂层 与TiC/ TiN涂层相同,切削性能优于单层TiC 和TiN 涂层。大多数刀具涂层厂家都有这种组合方式的涂 层牌号,如美国 Carmet公司的 CA9443、CA9721; Ken� nametal公司的KC210、KC250等。 在TiC/ TiCN/ TiN涂层组合中再加入 Al2O3 层成 为更现代化的涂层[ 2]。如瑞典 Sandvik Coromant 公 司在 CIMT2005 上新的 GC2015 牌号刀具是具有 TiCN�TiN/ Al2O3�TiN结构的复合涂层(见图 2) ,其中 底层的TiCN与基体的结合强度高,并有良好的耐磨 性。TiN/Al2O3 的多层结构既耐磨又能抑制裂缝的 扩展,表面的TiN具有较好的化学稳定性,又易于观 察刀具的磨损。日本不二越公司开发出一种称为 SG的新型涂层[ 16] , 其结构为 TiN/TiCN/Ti, 涂层与 基体结合强度高, 表层为 Ti系特殊膜层, 具有极好 的耐热性。瑞典 Seco 刀具公司应用新的 MT�CVD 生产的TP3000刀片涂层结构如图 3所示,其内层的 TiCN与基体有较强的结合力和强度, 中间的 Al2O3 作为一种有效的热屏障可允许有更高的切削速度, 外层的TiCN保证抗前刀面和后刀面磨损能力, 最外 一薄层金黄色的 TiN 使得容易辨别刀片的磨损状 态。 图 2 � TiCN/ Al2O3 / TiN多层涂层 其它的多层涂层组合有如德国 Widia 公司的 TiC/ TiCN/TiN/ Al(O,N) /T iN涂层,日本三菱金属公 司生产的牌号为 U66的 TiC/特殊陶瓷/Al2O3 涂层; 美国 VR/Wesson 公司生产的牌号为 680 刀片的 TaC/TiC/ Al2O3/TiN组合涂层,奥地利 Tizit金属加工 公司生产的牌号为Stamaster Sr17刀片的TiC/TiCN/ 272007年第 41卷 6 图 3� TP3000 涂层 TiN/陶瓷组合涂层等。 � � 5 � 纳米技术涂层 随着纳米技术的发展和涂镀技术的进步, 纳米 刀具涂层材料也引起广大研究者的关注。纳米涂层 主要有两种:纳米多层结构和纳米复合结构。纳米 多层涂层一般由高层数的同种结构材料、化学键和 原子半径及点阵相近的各单层材料组成, 可能得到 与组成它的各单层涂层的性能差异显著的全新涂 层。这是一种人为可控的一维周期结构, 交替沉积 单层涂层不超过 5~ 15nm[ 17]。Chu和Barnett [ 18]认为 纳米多层涂层的高硬度主要是由于层内或层间位错 运动困难所致。当涂层非常薄时,两层间的剪切模 量不同,如果层间位错能量有较大差异,则层间位错 运动困难, 即位错运动的能量决定了超点阵涂层的 硬度。纳米多层涂层的结构主要有三种方式: ( 1)金 属氮化物纳米层与金属AlN纳米层交替涂覆; ( 2)金 属AlN纳米层与金属AlCN 纳米层交替涂覆; ( 3)金 属氮化物纳米层与金属 AlN 纳米层及金属 AlCN 纳 米层交替涂覆。涂层过程中均可添加其他金属元素 (如钛、铌、铪、钒、钽、锆或铬) ,以进一步提高涂层的 硬度、化学稳定性、韧性和抗氧化性能[ 19]。研究表 明,对于TiN/AlN纳米多涂层,当层厚为 2~ 4nm时, AlN呈现立方 NaCl结构, 涂层显微硬度达到 30~ 40GPa,其抗氧化温度达到 1000 � ,采用等离子增强 化学气相沉积制得的 AlN/ TiAlN纳米多层膜具有高 硬度、高附着力和高耐磨性。 纳米多层涂层虽然达到了较高的硬度, 但研究 认为纳米多层涂层的性能与涂层的周期膜厚有很大 关系, 当在形状复杂的刀具或零件表面沉积纳米多 层膜时,很难控制各层的膜厚,同时在高温工作环境 下各层间的元素相互扩散也会导致涂层性能下降, 而采用单层的纳米复合涂层能解决这些问题。德国 材料科学家 Veprek[ 20]等根据 Koehler[ 21]的外延异质 结构理论, 提出了纳米复合超硬涂层的理论和 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 概念,并在由等离子体增强化学气相沉积法制备的 Ti�Si�N ( nc�TiN/ a�Si3N4 ) 系统中被证实, 同时 nc� W2N/ a�Si3N4 和 nc�VN/ a�Si3N4也都表现出了良好的 机械性能。以 nc�TiN/ a�Si3N4 为代表的纳米复合超 硬材料,以其优异的性能, 如超高硬度、高硬高韧性 及低的摩擦系数等, 引起了人们的极大兴趣。 Zhang [ 22]用离子束沉积了 nc�TiN/ a�Si3N4纳米复合涂 层,并系统的研究了其微观结构(见图 4)、表面形貌 和力学性能。结果显示,在 Si含量 11�4%时复合涂 层达到最大值 42GPa。Kim[ 23]等研究了闭合场非平 衡磁控反应溅射TiAlSiN涂层, 由纳米晶的 TiAlN和 非晶态的 Si3N4 组成, 显微硬度及弹性模量约为 42 和 490GPa。Nakonechan [ 24]等用阴极弧 PVD 制备了 (T i, Si,Al) N 涂层, 最大硬度 38~ 39GPa。Ribeiro[ 25] 等研究了离子轰击对( Ti, Si, Al) N涂层的影响, 发现 系统中存在 TiAlN 和 SiNx 相, 并形成了 nc�TiN/ a� Si3N4复合纳米结构, 增加离子轰击可使硬度从 30GPa增大到 45GPa。 图 4� nc�TiN/ a�Si3N4纳米复合涂层 TEM图像[ 28] 尽管这些纳米结构的涂层大多是实验室里的结 果,但其结果显示出了纳米结构涂层在金属切削中 的良好前景。 日本住友公司开发的 AC105G, AC110G等牌号 的 ZX涂层[ 26] (见图 5)是一种TiN与 AlN 交替的纳 米多层涂层,层数可达 2000层,每层厚度约为 1nm。 这种新涂层与基体结合强度高, 涂层硬度接近 CBN, 抗氧化性能好,抗剥离性强,而且可显著改善刀具表 面粗糙度, 其寿命是 TiN、TiAlN 涂层的 2 ~ 3 倍。 Balzers公司开发并已被应用的 FUTUNA NANO 和 FUTUNA TOP是两种TiAlN纳米结构涂层,涂层硬度 平均为HV3300,开始氧化温度为 900 � 。瑞士 Platit 公司开发纳米多层涂层, 以 AlN作为主层, TiN�CrN 为中间层,两者相互交替形成多层结构[ 27]。试验表 明,当周期为 7nm 时涂层的硬度达到最高, 约 28 工 具技 术 45GPa。该公司利用 LARC ( r) ( Lateral Rotating ARC� Cathodes)技术开发的新一代 nc- TiAlN/ ( a�Si3N4)纳 米复合涂层(见图 6) 是在强等离子体作用下, 3nm 的TiAlN晶体被镶嵌在非晶态的 Si3N4 体内,在晶粒 之间为 1nm厚的Si3N4,这种结构使涂层硬度可达到 50GPa, 且高温硬度更是十分突出, 当温度达到 1200 � 时,其硬度值仍可保持在 30GPa[ 28]。日立公 司最近也开发了采用纳米结晶材料组成 TH 涂层 (TiSiN) , 实现了耐高温和高硬度。该涂层在从预硬 钢到淬火钢的高速切削加工、高效加工中有显著的 优越性,加工效率提高 2倍以上,与常用涂层的比较 如图 7所示,切削加工时由于耐高温,所以最适合干 铣削加工。同时日立公司还开发了纳米结构适用于 软钢加工领域的 CS 涂层 ( CrSiN) [ 29]。三菱综合材 料神户工具生产的! IMPACT MIRACLE立铣刀∀采用 先进的单相纳米结晶(Al, Ti, Si) N涂层, 氧化温度达 到了 1300 � , 与基材的结合力达 100N, 在加工 60HRC左右的高硬度材料时, 可大幅延长刀具的寿 命[ 30]。 图 5� ZX纳米多层涂层[ 32] 图 6� nc�TiAlN/ a�Si3N4纳米复合涂层[ 28] Cemecom 公司新的纳米结构 Supernitrides 涂 层[ 31] (见图 8)成分中含有可生成不同氧化物的高含 量元素。这类涂层将硬质涂层卓越的抗磨损性能及 传统的氧化涂层所具有的化学稳定性完美地结合起 来,在应用中表现出极佳的热稳定性及化学稳定性。 涂层的形态及构成(例如铝含量、结构、表面光洁程 度等)可根据应用的需要进行最佳设计。对多种不 同的被加工材料(如 CGI、42CrMo4、铸铁、工具钢等) 进行钻削、铣削、滚削和车削加工测试的结果证实了 Supernitrides 涂层的优越性能。 切削条件:被切削材料 SKD11( HRC62) 切削速度: V= 201m/ min ( N= 3200min- 1) 每刃进给量: f z= 0�15/ tooth ( F = 960mm/min) 切深 # 切宽: A d# Pf= 0�3# 0�5mm 切削液:干式切削,顺铣,气冷 图7 � TH涂层的硬度与铣削加工性能与比较[ 30] 图 8� Supernitrides涂层的显微结构与铣削加工性能 292007年第 41卷 6 � � 6 � 超硬材料涂层 6. 1 � 金刚石、类金刚石(DLC)涂层 金刚石涂层是新型刀具涂层材料之一。它利用 低压化学气相沉积技术在硬质合金基体上生长出一 层由多晶组成的金刚石膜, 用其加工硅铝合金和铜 合金等有色金属、玻璃纤维等工程材料及硬质合金 等材料, 刀具寿命是普通硬质合金刀具的 50~ 100 倍。金刚石涂层采用了许多金刚石合成技术, 最普 通的是热丝法、微波等离子法和 DC 等离子喷射法。 通过改进涂层方法和涂层的粘结,已生产出金刚石 涂层刀具,并在工业上得到了应用。 近年来,美国、日本和瑞典等国家都已相继推出 了金刚石涂层的丝锥、铰刀、铣刀以及用于加工印刷 线路板上的小孔金刚石涂层硬质合金钻头及各种可 转位刀片, 如瑞典 Sandvik 公司的 CD1810 和美国 Kennametal 公司的 KCD25 等牌号产品[ 32, 33]。美国 Turchan公司开发的一种激光等离子体沉积金刚石 的新工艺,用此法沉积金刚石,由于等离子场包围整 个刀具, 刀具上的涂层均匀, 其沉积速度比常规 CVD法快 1000倍。此法所成的金刚石涂层与基体 之间产生真正的冶金结合,涂层强度高,可防止涂层 脱落、龟裂和裂纹等缺陷[ 34]。CemeCon 公司具有特 色的 CVD金刚石涂层技术, 2000 年建立生产线, 使 金刚石涂层技术达到工业化生产水平, 其技术含量 高,可以批量生产金刚石涂层。 类金刚石涂层在对某些材料( Al、Ti及其复合材 料)的机械加工方面具有明显优势。通过低压气相 沉积的类金刚石涂层, 其微观结构与天然金刚石相 比仍有较大差异。九十年代, 常采用激活氢存在下 的低压气相沉积 DLC,涂层中含有大量氢。含氢过 多将降低涂层的结合力和硬度, 增大内应力。DLC 中的氢在较高的温度下会慢慢释放出来, 引起涂层 工作不稳定。不含氢的 DLC硬度比含氢的 DLC高, 具有组织均匀、可大面积沉积、成本低、表面平整等 优点,已成为近年来 DLC涂层研究的热点。美国科 学家A.A.Voevodin[ 35]提出沉积超硬 DLC 涂层的结 构设计为Ti�TiC�DLC 梯度转变涂层, 使硬度由较软 的钢基体逐渐提高到表层超硬的 DLC 涂层。这类 复合涂层既保持了高硬度和低摩擦系数, 又降低了 脆性,提高了承载力、结合力及磨损抗力。日本住友 公司推出了在硬质合金刀片上涂覆金刚石 DLC 的 DL1000涂层,用于切削铝合金和非铁金属, 抗粘结, 能有效降低已加工表面的粗糙度。 经过多年的研究表明:由于类金刚石涂层的内 应力高、热稳定性差及与黑色金属间的触媒效应使 SP3结构向 SP2转变等缺点, 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, 其寿命比无涂层刀 具成倍提高,可以加工钢铁材料,因而引起了涂层公 司、刀具厂家的极大兴趣。假以时日,这种新型的类 金刚石涂层将会在切削领域得到广泛的应用[ 36]。 6. 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[ 37]。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 Ina� gawa[ 38]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, ECR- CVD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 0�2~ 0�5!m, 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~ 5!m, 并在实际金属切削 加工中证实其效果。 6. 3 � CNx涂层 二十世代八十年代, 美国科学家 Liu 和 Co� hen [ 39]设计了类似 ∀�Si3N4 的新型化合物 ∀�C3N4, 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 F Fujimoto[ 40]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 63�7GPa, 武 30 工 具技 术 汉大学[ 41]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。 � � 7 � 软涂层 软涂层刀具的研究开发为提高刀具性能开拓了 新途径,为新型涂层刀具的设计提供了新思路和新 的研究领域[ 42]。软涂层刀具在特殊使用条件下, 刀 具表面固体润滑膜会转移到工件材料表面, 形成转 移膜, 使切削过程中的摩擦发生在转移膜与润滑膜 之间,因而具有优良的摩擦学特性,如: 摩擦系数低、 承载极限高、高温下化学稳定性好、能适应 1000 � 以上的工作温度,适于在高温、大载荷等特殊环境条 件下使用,并可应用于干切削,能降低加工成本等, 具有重大的理论和实际意义, 具有广阔应用前 景[ 43]。软涂层材料主要有 MoS2 基的软涂层材料及 WC/ C中硬型滑性涂层材料。前者能大大改善刀具 的切入性能,并防止积屑瘤的产生;后者切入时摩擦 因数虽比MoS2 涂层稍高, 但它的抗磨损性能较好。 软涂层可单独使用,也可先在刀具表面上进行硬质 涂层, 再在其上涂 MoS2 软涂层, 无论是切钢或加工 高硅铝合金都有好的效果。 软涂层刀具技术在国外刚刚起步, 而国内这方 面的研究报道较少。最近瑞士开发出一种称为 !MOVIC∀软涂层的新工艺,在刀具表面镀一层MoS2, 在工业生产条件下试验,初步取得了良好效果。德 国Guhring 刀具公司新推出的 MolyGlide 软涂层的硬 度仅为HV20~ 50,它是在 TiN硬涂层基础上涂覆一 层0�2~ 0�5!m厚的 MoS2 减摩涂层, 摩擦系数仅为 0�05~ 0�10, 是 TiN涂层与钢材摩擦系数的 1/ 4, 具 有不粘附和自润滑的作用,避免加工高塑性、高韧性 工作材料时出现粘刀及积屑瘤现象,非常适合于干 式或微量润滑条件下钻削加工铝合金、钛合金等轻 金属材料。在 CIMT2005上展出的软硬结合的涂层 有 TiAlN/MoS2, T iAlN/ WC/ C 及 TiN/TiCN/ MoS2 等[ 44]。其它硫化物如WS2、TaS2 等软涂层的研究也 取得了一定的进展。 � � 8 � 结语 刀具涂层技术较好解决了刀具强度和韧性之间 的矛盾,通过优化涂层的晶格结构、添加合金元素及 多层涂层组合来提高涂层的强韧性,以适应不同的 切削条件, 大大提高了刀具的耐用度和切削速度。 目前研究的热点是开发具有纳米多层结构和纳米复 合涂层的新型刀具涂层材料,具有特殊性能的刀具 软涂层也将成为刀具涂层材料新的研究领域。 参考文献 1� http: / / www. moldbbs. com/ images/ upload/ 2006/ 01/ 01/ 175916. doc 2� 佘建芳. 山特维克可乐满公司切削刀具涂层技术的发展. 稀有金属与硬质合金, 2003, l31( 3) : 51~ 55 3� http: / / www. secotools. com/ template/ start. asp? id= 1927 4� 赵海波, 高 � 见,周 � 彬. 欧洲刀具涂层最新状况及发展 模式. 工具技术, 2005, 39( 4) : 3~ 9 5� 吴大维. 硬质薄膜材料的最新发展及应用. 真空, 2003, ( 6) : 1~ 5 6� 陈 � 旭. 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