1、6/6刀具涂層材料的分類及研究進展摘要:采用涂層技術可有效提高切削刀具的使用壽命,使刀具獲得優良的綜合機械性能,從而大幅度提高機械加工效率。我國的刀具涂層材料經過多年發展，目前正處于關鍵時期,充分了解國內外刀具涂層材料的現狀及發展趨勢,有計劃、按步驟地發展刀具涂層材料，對提高我國切削刀具制造水平具有重要意義。關鍵詞：涂層 刀具 硬度膜Proress n h oti tril rools and their asifictnAbc:Catn tecolgn e sed t ipovthe srie lfeof tin ols effcively and ee th ctg tols to oba

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3、mpornefrimprementoour lel nttn tolauctinKyWords: Caing ,uttng Too,Hardess， Flm 數控技術的發展離不開高壽命的切削工具-刀具自刀具涂層技術從問世以來，刀具的性能得到了很大的改善,對加工技術的進步起著非常重要的作用涂層刀具已經成為現代刀具的標志，西方國家新型數控機床所用切削刀具中有0左右使用涂層刀具，而且隨著1 世紀科技的發展，涂層刀具的比例將進一步增加。目前在制造業所用硬質合金刀具上采用較多的涂層有N、iC、CN、iAl 以及新出現的Alr、iiN 涂層等等,刀具壽命明顯提高。另外涂層在鉆頭、鉸刀、齒輪滾刀、絲錐上也都

4、獲得很好的應用效果。隨著科技的發展,刀具涂層技術將不斷提高，刀具涂層材料也日新月異。1 刀具涂層材料的種類 刀具涂層材料有多種分類方法，根據涂層材料的性質，刀具涂層材料可分為兩大類，即: “硬”刀具涂層材料和“軟刀具涂層材料。“硬”涂層刀具追求高的硬度和耐磨性。目前應用最多的刀具硬涂層材料有金剛石、類金剛石、氮化碳、立方氮化硼以及iC、N、TiCN、l2O3、Ti及其組合。“軟”刀具涂層材料追求低摩擦系數,與工件材料的摩擦系數很低，可減小粘結，減輕摩擦，降低切削力和切削溫度。“軟”涂層刀具材料主要有S2、W2、C、TaS2等及其組合，又稱為“自潤滑刀具”涂層材料.另外涂層方式有： 單涂層、多涂

5、層、梯度涂層、軟/硬復合涂層、納米涂層、超硬薄膜涂層等多種涂層方式，如圖 所示：2 常用“硬”刀具涂層材料的發展與應用 隨著現代工業產品中各種新型的、難加工材料的涌現以及工件加工精度的不斷提高,傳統的切削刀具材料在很多領域已不能滿足需要,于是超硬刀具材料的開發和應用越來越得到專業技術人員的重視.常用的超硬刀具涂層材料主要有金剛石薄膜、氮化碳涂層、iN、TC基涂層等，尤其是Ti、iC 基涂層應用最為廣泛。2。 金剛石薄膜 金剛石薄膜具有優異的力、熱、光、電等性能以及高彈性模量和低摩擦系數，具有廣泛的應用前景，特別是在金剛石涂層刀具領域，被認為是金剛石薄膜能夠最先實現產業化的領域之一,受到各國科學

6、界和有關公司的關注,各國都投入了大量人力物力進行研究.自上世紀80年代開展金剛石薄膜研究熱膜,現在,國外已有商業化的金剛石涂層刀具出售，我國雖有許多科研單位都報道在實驗室成功制備出高附著力的金剛石薄膜刀具，但離產品的完全市場化還有一段距離。關鍵問題是要進一步提高附著力的前提下,解決批量生產時產品質量的穩定性和可重復性問題 另外,金剛石薄膜的應用在許多方面取得突破，金剛石涂層工具能加工非鐵合金如S-合金、陶瓷、纖維增強塑料和木材等，具有巨大的前景。金剛石涂層具有一種高度小平面形的組織結構，這使得在刀片的前面呈顯微粗糙的表面.這種粗糙的金剛石小平面的作用可比喻為顯微斷屑器，而在刀片的后面,這種小平

7、面會導致工件加工表面光潔度變差。當今，汽車工業在加工硅鋁合金(特別是系列） 零件時，主要是使用金剛石涂層刀具。金剛石涂層刀具還有望在加工金屬基復合材料（C） 、碳碳復合材料和木材加工業等領域獲得應用.2。2 氮化碳涂層 近年來，氮化碳（CN4） 作為一種新型的超硬材料,已成為有實用價值的刀具涂層材料.對于高速鋼刀具，經過34涂層,對刀具耐磨性的提高極為顯著，其效果超過了TN 涂層； 高速鋼麻花鉆，經過N涂層,能使其耐用度大為提高，可取代常用的Ti 涂層麻花鉆; 硬質合金刀片( 刀具） ，經過C34涂層，亦能提高刀片（ 刀具） 的耐用度,但提高幅度不如高速鋼刀具那樣大.美國物理學家A。Lu和M。

8、L。Con首先用分子工程理論,設計出超硬無機化合物氮化碳，根據體彈性模量的計算,可能達到金剛石的硬度。氮化碳作為一種超硬薄膜材料,除了具有高硬度外,還有低摩擦系數、高導熱性能、很好的化學穩定性和抗氧化性能,能切削加工鐵族元素,作為刀具涂層材料具有廣闊的應用前景。3TiN、TiC 基涂層 TiC 是一種高硬度的耐磨化合物,有良好的抗后刀面磨損和抗月牙洼磨損能力. iN涂層材料是目前應用最廣的一種薄膜材料，它的硬度稍低，但它與金屬的親和力和潤濕性能好，在空氣中抗氧化能力比iC 好,但由于它的耐高溫抗氧化性能不高限制了它的更廣泛的應用為改善單層薄膜的性能，涂層的多元化（加入其它合金元素) 和多層化成

9、為了研究的熱點。 多元化薄膜如iCN 具有了T 和TiN 的綜合能力,其硬度高于Ti和TC,因此是一種較為理想的刀具涂層材料iAlN是含有抗氧化能力良好的l的一種涂層，通常采用PV（ 物理氣相沉積）方法來制備，在切削過程中 氧化而形成2O3，從而起到抗氧化和抗擴散磨損的作用，在高速切削時，iAlN涂層刀具的切削效果優于iN 和TiC 涂層刀具,主要原因是TiAN 涂層刀具的硬度、抗氧化和抗粘結能力高，尤其是由于TiAlN 涂層刀具具有很高的高溫硬度。多層化薄膜如TiAlN Al2多層PVD 涂層等目前研究也較多,其涂層硬度達4000 HV,涂層數為40層（總厚度5 ) 。最近又開發了納米涂層（

10、 Nano sald coting) 技術,這種方法可采用多種涂層材料的不同組合滿足不同功能和性能要求,特別適合于高速干切削。硬質合金刀具的多層納米涂層可分為5大類：氀化物氮化物:iN/VN，56GPa； N/NN,GP;2 ） 氮化物/碳化物： N/CNX, 455G; rN/CX，40 45P； 3)碳化物/碳化物: TiC /VC，Pa;TC/bC，5 -55GPa； ）氮化物或碳化物/金屬: TiN/N，52Ga;TAlN/Mo，1P； 5)氮化物/氧化物： TiAl/2O3,此外還有加入TiB2、 的體系等. 這些復合涂層每調制周期由兩種材料組合而成，厚度僅為幾納米，根據切削需要，可

11、相互疊加涂覆上百層，總厚度可達2 5。設計合理的納米涂層可使刀具的硬度和韌性顯著增加，使其具有優異的抗摩擦磨損及自潤滑性能，十分適合于干切削。 涂層的多層化及其相關技術的出現，使涂層既可提高與基體的結合強度又能提高其耐腐蝕性能、抗氧化性能等綜合性能，是最有發展前景材料。3“軟”刀具涂層材料的發展與應用 “硬涂層刀具技術已經逐漸成熟金色的TiN涂層的應用最為廣泛。 然而，諸如航空航天工業使用的許多高強度鋁合金、鈦合金或貴金屬材料等都不適合用“硬”涂層刀具加工,仍主要使用無涂層的高速鋼或硬質合金刀具。“軟”涂層刀具的開發則可較好地解決此類材料的加工問題。刀具“軟”涂層的主要成分為具有低摩擦系數的固

12、體潤滑材料，如：MoS2、WS2、CaS2、TaS2等，在特殊使用條件下具有優良的摩擦學特性，如:摩擦系數低、承載極限高、高溫下化學穩定性好、物性變化小、能適應12以上的工作溫度范圍和很寬的摩擦副運動速度范圍,適于在高溫、高速和大載荷等特殊環境條件下使用。該類涂層可在刀具表面形成固體潤滑膜，從而使刀具材料具有很低的摩擦系數。由于具有層狀結構的固體潤滑劑與摩擦表面具有較強的粘結能力，并且各層之間有較低的剪切強度，在切削過程中，存在于刀具表面的固體潤滑膜會轉移到工件材料表面,形成轉移膜，使切削過程中摩擦發生在轉移膜和潤滑膜之間,在固體潤滑膜內部，從而可達到減小摩擦、阻止粘結、降低切削力和切削溫度、

13、減小刀具磨損的目的.目前“軟”涂層刀具技術在國內研究較少,但“軟”涂層刀具可應用與干切削,對阻止粘結、減小摩擦、提高刀具壽命、降低加工成本等具有重大的理論和實際意義,具有廣闊的應用前景。超硬材料涂層4。1金剛石、類金剛石（DLC） 涂層 金剛石涂層是新型刀具涂層材料之一。它利用低壓化學氣相沉積技術在硬質合金基體上生長出一層由多晶組成的金剛石膜,用其加工硅鋁合金和銅合金等有色金屬、玻璃纖維等工程材料及硬質合金等材料， 刀具壽命是普通硬質合金刀具的500倍.金剛石涂層采用了許多金剛石合成技術,最普通的是熱絲法、微波等離子法和C 等離子噴射法。通過改進涂層方法和涂層的粘結， 已生產出金剛石涂層刀具,

14、 并在工業上得到了應用近年來， 美國、日本和瑞典等國家都已相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉸刀、銑刀以及用于加工印刷線路板上的小孔金剛石涂層硬質合金鉆頭及各種可轉位刀片, 如瑞典Sandvk 公司的D和美國nnmetal公司的KC2 等牌號產品。美國Trcan 公司開發的一種激光等離子體沉積金剛石的新工藝， 用此法沉積金剛石，由于等離子場包圍整個刀具, 刀具上的涂層均勻， 其沉積速度比常規CVD法快10倍。此法所成的金剛石涂層與基體之間產生真正的冶金結合，涂層強度高,可防止涂層脫落、龜裂和裂紋等缺陷。Cemeon 公司具有特色的V金剛石涂層技術， 200年建立生產線， 使金剛石涂層技術達到工業化生

15、產水平,其技術含量高,可以批量生產金剛石涂層.類金剛石涂層在對某些材料(Al、Ti 及其復合材料) 的機械加工方面具有明顯優勢.通過低壓氣相沉積的類金剛石涂層， 其微觀結構與天然金剛石相比仍有較大差異。九十年代, 常采用激活氫存在下的低壓氣相沉積D，涂層中含有大量氫含氫過多將降低涂層的結合力和硬度， 增大內應力。DC中的氫在較高的溫度下會慢慢釋放出來， 引起涂層工作不穩定.不含氫的DLC硬度比含氫的D高，具有組織均勻、可大面積沉積、成本低、表面平整等優點，已成為近年來D 涂層研究的熱點。美國科學家A。A.oin 提出沉積超硬DC 涂層的結構設計為Ti2iC2LC梯度轉變涂層,使硬度由較軟的鋼基

16、體逐漸提高到表層超硬的LC 涂層.這類復合涂層既保持了高硬度和低摩擦系數,又降低了脆性, 提高了承載力、結合力及磨損抗力。日本住友公司推出了在硬質合金刀片上涂覆金剛石 的D10 涂層, 用于切削鋁合金和非鐵金屬，抗粘結,能有效降低已加工表面的粗糙度. 經過多年的研究表明： 由于類金剛石涂層的內應力高、熱穩定性差及與黑色金屬間的觸媒效應使SP結構向S2 轉變等缺點,決定了它目前只能應用于加工有色金屬， 因而限制了它在機加工方面的進一步應用.但是近年來的研究表明，以SP2結構為主的類金剛石涂層（也稱為類石墨涂層）硬度也可達到0GP,卻不存在與黑色金屬起觸媒效應的問題,其摩擦系數很低又有很好的抗濕性

17、，切削時可以用冷卻劑也可用于干切削，其壽命比無涂層刀具成倍提高, 可以加工鋼鐵材料, 因而引起了涂層公司、刀具廠家的極大興趣。假以時日, 這種新型的類金剛石涂層將會在切削領域得到廣泛的應用。4.2 立方氮化硼（CBN） 涂層 CBN 是繼人工合成金剛石之后出現的另一種超硬材料, 它除了具有許多與金剛石類似的優異物理、化學特性（ 如超高硬度， 僅次于金剛石, 高耐磨性，低摩擦系數， 低熱膨脹系數等外， 同時還具有一些優于金剛石的特性。CBN 對于鐵、鋼和氧化環境具有化學惰性，在氧化時形成一薄層氧化硼,此氧化物為涂層提供了化學穩定性, 因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時耐熱性也極為優良,在相當高的切削

18、溫度下也能切削耐熱鋼、淬火鋼、鈦合金等， 并能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對刀具磨損非常嚴重的硅鋁合金等難加工材料。自1 年Ia2gawa等成功地制備了出純的CBN涂層以來， 在國際上掀起了CN硬質涂層的研究熱潮。低壓氣相合成CBN 涂層的方法主要有D 和PVD 法。CVD包括化學輸運C， 熱絲輔助加熱PCV, CRCD等； 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。研究結果表明： 在合成CBN 相、對硬質合金基體的良好粘結和合適的硬度等方面已取得了進展，目前沉積在硬質合金上的立方氮化硼最大僅為0201m，若想達到商品化, 則必須采用可靠的技術來沉積高純的經濟的CBN 涂層, 其厚度應在, 并在實際金屬切削加工中證實其效果.4。3 CNx 涂層 二十世代八十年代，美國科學家iu和C2hen設計了類似Si34的新型化合物B2C3N, 并采用固體物理和量子化學理論計算出它的硬度可能達到金剛石， 這引起了世界各國科學家的關注。合成氮化碳成為世界材料科學領域的熱門課題。日本Okayama 大學的ujimoto采用電子束蒸發離子束輔助沉積法獲得的氮化碳涂層達到631Pa， 武漢大學合成的氮化碳硬度分別達到5G，并沉積到高速鋼麻花鉆上, 獲得非常好的鉆孔性能.合成氮化碳的主要方法有真流