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      【刀具涂層】刀具涂層技術介紹

    • 時間:2021-05-10瀏覽數:642來源:
    • 現代制造業對機械加工提出更高的要求:提高加工效率、可靠性與精度。而刀具表面涂層技術作為一種解決方案,日益受到重視。

      刀具表面涂層的優勢

      目前切削刀具制造領域有三大關鍵技術:刀具材料、切削加工工藝及涂層技術。涂層技術作為其中一大關鍵技術,能夠帶給刀具諸多優勢。涂層技術之于刀具,可大幅度提高表面硬度,使刀具具有更好的耐磨性和切削性能,降低與工件的摩擦系數,改變熱擴散途徑從而保護刀具基體,改善使用效率等諸多優勢。


      4.刀具涂層材料

      涂層材料發展于上世紀80年代,一般分為軟涂層與硬涂層材料兩大類,目前刀具采用的涂層材料多為硬涂層材料,一般分為硅化物、硼化物、氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、金剛石及復合涂層,共計八大類數幾十個品種。硬涂層材料包括了單層薄膜和復合薄膜,主要分為:以金剛石、TiSiN、TiAlSiN等為代表的超硬涂層、TiN/TiCN、Al2O3/TiN等多層復合涂層、TiCN、TiAlN、TiAlCN及潤滑膜等多元復合金屬的化合物及TiN、TiC、ZrN、CrN等過渡金屬的氮化物和碳化物。

      TiC和TiN涂層材料發展較早且在工業上有較為成熟的應用,TiC涂層的抗機械磨損性能良好,可以降低加工過程中的阻力,降低切削溫度,有較高硬度和耐磨性,但性脆,不耐沖擊。TiN材料具有較高的化學穩定性,但抗氧化能力弱,韌性和抗月牙洼磨損能力較弱,與鐵基體親和力小,摩擦系數低。TiN一般切削溫度在300℃左右,當使用溫度達到500℃的時候,膜層有明顯的氧化燒蝕。

      TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的特點,可降低涂層的內應力,提高韌性,增加涂層的厚度,阻止裂紋的擴展,減少崩刃,適合于要求較低摩擦系數又要求較高硬度的場合,如普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵的加工。

      (Ti, Al)N在切削時會在刀刃界面上形成一層由一種非晶體的氧化鋁組成的硬的惰性的保護膜,此膜的導熱性差,可使切屑帶走更多的切削熱。(Ti, Al)N涂層具有良好的紅硬性、抗氧化性及低的熱傳導系數,在高速切削中性能優異,它比TiN更能有效地用于連續高速車削,也適合于加工鈦合金、鎳合金不銹鋼等工件。

      相比于TiC和TiN涂層刀具,A12O3涂層刀具具有更高的切削性能。在進行鋼件高速切削時,A12O3具有更好的化學穩定性和高溫抗氧化能力,A12O3涂層在高溫下硬度的降低較TiC涂層小,因此具有更好的抗磨損和抗熱塑性變形的能力,具有較高的耐用度。

      金剛石涂層硬度可達10000HV ,導熱性強,摩擦系數較低,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,適用于有色金屬合金的高速切削,具有廣泛的應用前景。國內外研究表明金剛石涂層刀具已可實用于石墨電極、石墨模具、陶瓷生坯、航空高硅鋁合金、碳纖維復合材料、手機外殼和零部件以及其他有色金屬材料等加工領域。

      純金剛石涂層刀具不能用于加工鋼件,因為加工鋼件時所產生的切削熱導致金剛石發生化學反應轉變為石墨,使涂層與刀具之間的粘附層遭到破壞。

      軟涂層材料包含:MoS2, WS2, CaS2, TaS2/Mo, WC/C等,加工時,該涂層可在刀具表面形成固體潤滑膜,使刀具材料具有很低的摩擦系數。目前國內進行軟涂層刀具技術研究的較少,在干切削中應用軟涂層刀具,可有效阻止粘結、減小摩擦、降低加工成本、提高刀具壽命,具有很大的發展潛力。


      5.刀具涂層結構

      涂層結構一般分為單涂層、多涂層、復合涂層、梯度涂層及納米結構涂層等結構分類。

      單涂層也叫普通涂層,只由一種成分構成,在薄膜的縱向生長方向上涂層成分穩定。在PVD技術發展初期一直采用單一涂層的技術,典型的單一涂層有TiCN等。

      多涂層,由多種成分穩定、性能各異的薄膜疊加而成。常見的多層涂層由2種不同膜組成,層數可達十幾層以上。每層薄膜尺寸較小為幾十納米,例如A1N+TiN涂層等。與單層涂層相比,多層涂層可有效地抑制粗大晶粒組織的生長,改善涂層組織狀況。

      采用PCD多層涂層結構的CBN材料刀具可應用于連續、斷續切削的廣泛加工領域,耐磨損性、耐破損性大幅提高。


      對刀片進行TiCN-AL2O3-TIN多層涂層,涂層內層的TiCN與基體有較強的結合力和強度,中間的Al2O3作為一種有效的熱屏障可允許有更高的切削速度,外層的TiCN保證了前刀面和后刀面的抗磨損能力,較外一層金黃色薄層的TiN使得容易辨別刀片的磨損狀態。

      TiN與A1N可形成一種納米多層涂層,層數可達千余層,其與基體結合強度高,涂層硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剝離性強,而且可顯著改善刀具表面粗糙度,其壽命是TiN、TiAlN涂層的2~3倍。


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