五金知識(shí):涂層刀具的優(yōu)點(diǎn)及涂層技術(shù)的發(fā)展
發(fā)布時(shí)間:2013-08-08
刀具涂層技術(shù)迅速發(fā)展,涂層刀具得到了廣泛應(yīng)用。1969年德國(guó)克虜伯(Krupp)公司和瑞典山特維克(Sandvik)公司研發(fā)成功了化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層技術(shù),并向市場(chǎng)推出了CVDTiC涂層硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)品。20世紀(jì)70年代初,美國(guó)本夏(R.Runshan)和拉格胡南(A.Raghuran)研發(fā)了物理氣相沉積(PVD)工藝,并于1981年將PVDTiN高速鋼刀具產(chǎn)品推向市場(chǎng)。當(dāng)時(shí)CVD涂層工藝溫度約1000℃,主要用于硬質(zhì)合金刀具(刀片)的表面涂層;PVD涂層工藝溫度為500℃和500℃以下,主要用于高速鋼刀具的表面涂層。后來(lái),CVD和PVD涂層技術(shù)不斷迅速發(fā)展,在涂層材料、涂層設(shè)備和工藝等方面都有了很大進(jìn)步,而且發(fā)展了多層材料的涂覆技術(shù),使涂層刀具(刀片)的使用性能有了很大的提高。PVD涂層技術(shù)過(guò)去主要用于高速鋼刀具,而近年來(lái)隨著PVD涂層技術(shù)飛躍發(fā)展,也成功用于硬質(zhì)合金刀具(刀片),占領(lǐng)了硬質(zhì)合金涂層刀具(刀片)的一半陣地?,F(xiàn)在,涂層高速鋼刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具(刀片)廣泛應(yīng)用,已占全部刀具使用總量的50%以上。
涂層刀具的優(yōu)越性
在韌性較好的刀具(刀片)基體上進(jìn)行表面涂層,涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層(如TiN、TiC等),使刀具(刀片)具有全面、良好的綜合性能。未涂層高速鋼的硬度僅為62~68HRC(760~960HV),硬質(zhì)合金的硬度僅為89~93.5HRA(1300~1850HV);而涂層后的表面硬度可達(dá)2000~3000HV以上。
①由于表面涂層材料具有很高的硬度和耐磨性,且耐高溫。故與未涂層的刀具(刀片)相比,涂層刀具允許采用較高的切削速度,從而提高了切削加工效率;或能在相同的切削速度下,提高刀具壽命。
②由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小,故涂層刀具(刀片)的切削力小于未涂層刀具(刀片)。
③用涂層刀具(刀片)加工,零件的已加工表面質(zhì)量較好。
④由于涂層刀具(刀片)的綜合性能良好,故涂層硬質(zhì)合金刀片有較好的通用性,一種涂層硬質(zhì)合金牌號(hào)的刀片具有較寬的使用范圍。
刀具涂層技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步
筆者多次參觀了國(guó)際機(jī)床工具展覽會(huì),收集到很多資料,并聽(tīng)取了各大工具公司的技術(shù)報(bào)告,從而了解到刀具產(chǎn)品表面涂層技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。
CVD涂層技術(shù)的進(jìn)展
過(guò)去,硬質(zhì)合金刀具表面涂層采用高溫化學(xué)氣相沉積(HTCVD)工藝。在常壓或負(fù)壓的沉積系統(tǒng)中,將純凈的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等氣體根據(jù)沉積物的成分,按一定配比均勻混和,依次涂到具備一定溫度(一般為1000~1050℃)的硬質(zhì)合金刀片表面,即在刀片表面沉積TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它們的復(fù)合涂層。直到現(xiàn)在,HTCVD仍是使用最多的工藝方法,除HTCVD外,還有等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)工藝,它是在硬質(zhì)合金刀具(刀片)表面涂層的另一種方法,因這種涂層工藝溫度較低(700~800℃),故刀片的抗彎強(qiáng)度降低。因?yàn)門(mén)iC與基體材料的線膨脹系數(shù)最接近,通常用TiC薄層先涂在基體表面上,外面再涂TiN、Al2O3,如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN等。
刀具涂層技術(shù)迅速發(fā)展,涂層刀具得到了廣泛應(yīng)用。1969年德國(guó)克虜伯(Krupp)公司和瑞典山特維克(Sandvik)公司研發(fā)成功了化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層技術(shù),并向市場(chǎng)推出了CVDTiC涂層硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)品。20世紀(jì)70年代初,美國(guó)本夏(R.Runshan)和拉格胡南(A.Raghuran)研發(fā)了物理氣相沉積(PVD)工藝,并于1981年將PVDTiN高速鋼刀具產(chǎn)品推向市場(chǎng)。當(dāng)時(shí)CVD涂層工藝溫度約1000℃,主要用于硬質(zhì)合金刀具(刀片)的表面涂層;PVD涂層工藝溫度為500℃和500℃以下,主要用于高速鋼刀具的表面涂層。后來(lái),CVD和PVD涂層技術(shù)不斷迅速發(fā)展,在涂層材料、涂層設(shè)備和工藝等方面都有了很大進(jìn)步,而且發(fā)展了多層材料的涂覆技術(shù),使涂層刀具(刀片)的使用性能有了很大的提高。PVD涂層技術(shù)過(guò)去主要用于高速鋼刀具,而近年來(lái)隨著PVD涂層技術(shù)飛躍發(fā)展,也成功用于硬質(zhì)合金刀具(刀片),占領(lǐng)了硬質(zhì)合金涂層刀具(刀片)的一半陣地。現(xiàn)在,涂層高速鋼刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具(刀片)廣泛應(yīng)用,已占全部刀具使用總量的50%以上。
涂層刀具的優(yōu)越性
在韌性較好的刀具(刀片)基體上進(jìn)行表面涂層,涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層(如TiN、TiC等),使刀具(刀片)具有全面、良好的綜合性能。未涂層高速鋼的硬度僅為62~68HRC(760~960HV),硬質(zhì)合金的硬度僅為89~93.5HRA(1300~1850HV);而涂層后的表面硬度可達(dá)2000~3000HV以上。
①由于表面涂層材料具有很高的硬度和耐磨性,且耐高溫。故與未涂層的刀具(刀片)相比,涂層刀具允許采用較高的切削速度,從而提高了切削加工效率;或能在相同的切削速度下,提高刀具壽命。
②由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小,故涂層刀具(刀片)的切削力小于未涂層刀具(刀片)。
③用涂層刀具(刀片)加工,零件的已加工表面質(zhì)量較好。
④由于涂層刀具(刀片)的綜合性能良好,故涂層硬質(zhì)合金刀片有較好的通用性,一種涂層硬質(zhì)合金牌號(hào)的刀片具有較寬的使用范圍。
刀具涂層技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步
筆者多次參觀了國(guó)際機(jī)床工具展覽會(huì),收集到很多資料,并聽(tīng)取了各大工具公司的技術(shù)報(bào)告,從而了解到刀具產(chǎn)品表面涂層技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。
CVD涂層技術(shù)的進(jìn)展
過(guò)去,硬質(zhì)合金刀具表面涂層采用高溫化學(xué)氣相沉積(HTCVD)工藝。在常壓或負(fù)壓的沉積系統(tǒng)中,將純凈的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等氣體根據(jù)沉積物的成分,按一定配比均勻混和,依次涂到具備一定溫度(一般為1000~1050℃)的硬質(zhì)合金刀片表面,即在刀片表面沉積TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它們的復(fù)合涂層。直到現(xiàn)在,HTCVD仍是使用最多的工藝方法,除HTCVD外,還有等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)工藝,它是在硬質(zhì)合金刀具(刀片)表面涂層的另一種方法,因這種涂層工藝溫度較低(700~800℃),故刀片的抗彎強(qiáng)度降低。因?yàn)門(mén)iC與基體材料的線膨脹系數(shù)最接近,通常用TiC薄層先涂在基體表面上,外面再涂TiN、Al2O3,如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN等。
PVD涂層新技術(shù)在超硬材料涂層方面的應(yīng)用
武漢大學(xué)物理系用直流反應(yīng)磁控濺射法在刀具表面沉積出氮化碳(CxNy)超硬涂層薄膜,厚度只有幾個(gè)微米,硬度可達(dá)40~50GPa。CxNy涂層刀具能切削黑色和有色金屬。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
筆者對(duì)涂層高速鋼和硬質(zhì)合金刀具(刀片)的切削性能進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究,進(jìn)行了很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)。茲介紹部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:
①在相同的切削條件下,涂層刀具刀片的使用壽命比未涂層刀具(刀片)提高3~5倍。在相同的切削條件下,相同刀具壽命時(shí),涂層刀具的切削速度比未涂層刀具提高20~30%。
②在相同的切削條件下,涂層刀具(刀片)的切削力小于未涂層者。筆者用涂覆TiC硬質(zhì)合金刀片車(chē)削鋼材與未涂層刀片對(duì)比,主切削力Fc可減小3%~4%,TiN或TiC/TiN涂層刀片的Fc約可減小6%,進(jìn)給力Ff與切深力Fp的減小尤為顯著。Al2O3涂層刀片與切削力的減小效果與TiN涂層刀片接近。
③筆者曾用CVD涂層金剛石厚膜刀具,加工過(guò)硅鋁合金、各種硬鋁、鉛黃銅、無(wú)氧銅、碘化鈦以及纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)的復(fù)合材料等,均取得較好效果。但用作超精密切削的刀具,其效果不如天然金剛石刀具。
④筆者曾用CxNy涂層高速鋼鉆頭在高強(qiáng)度鋼上鉆孔,與未涂層鉆頭相比,涂層鉆頭的使用壽命提高7~9倍。在其他高速鋼刀具上涂覆CxNy,亦有顯著效果。又曾在硬質(zhì)合金刀片上涂覆CxNy,用以車(chē)削鋼料,效果尚不夠理想,其使用壽命不超過(guò)普通TiC涂層硬質(zhì)合金刀片。
中國(guó)的刀具涂層技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有很大差距,涂層刀具的數(shù)量也差得很遠(yuǎn),大致只占全部刀具的20%。其中數(shù)控機(jī)床和加工中心上使用得多一些,在普通的非數(shù)控機(jī)床上則少得可憐,原因是認(rèn)識(shí)問(wèn)題和價(jià)格等因素。我們應(yīng)該努力提高刀具涂層技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的水平,大力推廣應(yīng)用涂層刀具,促進(jìn)切削加工和機(jī)械制造水平的提高。