刀具塗層技術知（zhī）識及金剛石、氮（dàn）化碳、立方氮（dàn）化硼CBN刀具塗層（céng）技術（shù）的研究
2014-12-11 來源：機經網 作者：
通過化學或物理的方（fāng）法（fǎ）在刀具表（biǎo）麵形成（chéng）某（mǒu）種薄膜，使切（qiē）削刀具獲（huò）得優良的綜合切削性能，從而滿足高速切削加工的要求；自20世紀（jì）70年代初硬質塗層刀具問世以來，化學氣相沉積(CVD)技術和物理氣相沉積(PVD)技術相繼得到發展，為（wéi）刀具性能的提高開創了曆史的新篇章（zhāng）。塗（tú）層刀具與未塗層刀具相比，具（jù）有顯著的優越性：它可大幅度提高（gāo）切削刀具壽命；有效地提高切削加工效率（lǜ）；提高加工精度並明顯提（tí）高被加工工件的表麵質量；有效地減少刀具材料的（de）消耗，降低加工成本；減少冷卻液的使用，降低成本（běn），利（lì）於環境保護。
二、刀具塗層（céng）的特點：
1，采用塗層技術可在不降低刀（dāo）具強（qiáng）度的條件下，大幅度地提高刀具表麵硬（yìng）度，目前所能達到的硬度已接近100GPa；
2.隨（suí）著塗層技術的飛速發展（zhǎn），薄膜的化學穩（wěn）定性及高溫抗氧化性更加突出，從而使高速切削加工成為可能。
3.潤滑薄膜具有良好的固相潤滑性能，可有效地改善加工質量，也適合於幹式切削加工；
4.塗層技術作為刀具製造的最終工序，對刀具精度幾乎沒有（yǒu）影響，並可進行重複塗層工藝。
三、常用的塗層
1，氮化鈦塗層： 氮化（huà）鈦（TiN）是（shì）一種通用（yòng）型PVD塗層（céng），可以提高刀具（jù）硬度並具（jù）有較高的氧化溫度。該塗層用於（yú）高速（sù）鋼（gāng）切削（xuē）刀（dāo）具或成形（xíng）工具可獲得很不錯的加工效（xiào）果。
2，氮（dàn）化鉻塗層（céng）：CrN塗層良好的抗（kàng）粘結性使其在容易產生積屑瘤的加工中成（chéng）為首選塗層。塗覆了這種幾乎無（wú）形的塗層後，高速（sù）鋼刀具（jù）或硬質合金刀具和成形工具的加工性（xìng）能將會（huì）大大改善。
3，金剛石塗（tú）層CVD金剛石塗層可為非鐵金屬材料加工刀（dāo）具提供最佳性能，是加工石墨、金屬基複合材料(MMC)、高矽（guī）鋁合金及許（xǔ）多其（qí）它高磨蝕材料的理想塗層(注（zhù）意：純金剛（gāng）石塗層刀具不能用於加工鋼件，因為加工鋼件時（shí）會產生大量切削熱，並導致發生化學反應，使塗層與刀具之（zhī）間的粘附（fù）層遭到破壞)。
4，氮碳化鈦塗層：氮碳化鈦（TiCN）塗層中添加的碳元素可提高刀具硬度並獲（huò）得（dé）更好的表麵潤（rùn）滑性，是高速鋼刀（dāo）具的理想塗（tú）層。
5，氮（dàn）鋁鈦或氮鈦鋁塗（tú）層(TiAlN/AlTiN)：TiAlN/AlTiN塗層中形成的氧化（huà）鋁層可以有效（xiào）提高刀（dāo）具的高溫加工壽命。主要用於幹式或半幹式切削加工（gōng）的硬質合金刀具可選用該塗層。根據塗層中所含鋁和鈦的比例（lì）不同，AlTiN塗層（céng）可（kě）提供比TiAlN塗層更高的表麵硬度，因此它是高速加工領域又一個可行的塗層選擇。
四：塗層技術及刀具塗層知識
1，氮碳化鈦(TiCN)塗層比氮化鈦（tài）(TiN)塗層具有更高的（de）硬度。由於增加了含碳量，使TiCN塗層的硬度提高了33%，其（qí）硬度變化範圍約為Hv3000——4000(取決於製造商）。
2，CVD金剛石塗層：表麵硬度高達Hv9000的CVD金剛石塗（tú）層在刀具上的應用已較為成熟，與PVD塗層刀具相比，CVD金（jīn）剛石塗層刀具的壽命提高了10——20倍。金剛石（shí）塗層刀具的高硬度，使得切削速度可比未塗層的刀具提高2——3倍，使CVD金剛氧化溫度是指塗層開始分解時的溫度值。氧化溫度（dù）值越高，對在高溫（wēn）條件下的切（qiē）削（xuē）加工（gōng）越有利。雖然TiAlN塗層的常溫（wēn）硬度也許（xǔ）低於TiCN塗（tú）層，但事實證明（míng）它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN塗層在高（gāo）溫下仍能保持其硬度的原因在於可在刀具與切屑之間形成數控（kòng）微（wēi）信號cncdar一層氧化鋁，氧（yǎng）化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成為硬質（zhì）合金刀具的（de）首選（xuǎn）塗層，硬質（zhì）合金鑽（zuàn）頭和立銑刀通常采用這（zhè）種PVDTiAlN塗層石塗層刀具成為有色（sè）金屬和非金屬材料（liào）切削加工（gōng）的不錯（cuò）選擇（zé）。
3，刀具表麵的硬質薄膜對材料有如下要求：①硬度高、耐磨性能好；②化學（xué）性能穩定，不與工件材料（liào）發生化學（xué）反應；⑧耐熱耐氧化，摩擦係數低（dī），與基體附著牢固等。單一塗層材料很難全部達到上述（shù）技術要求。塗層材料的發展，已由最初的單一TiN塗層、TiC塗層，經曆（lì）了 TiC—A12O3一TiN複合塗層和TiCN、TiAlN等多元複合塗層（céng）的發展階段，現在最新發展了TiN／NbN、TiN／CN，等多元（yuán）複合薄膜材料，使刀具塗（tú）層的性（xìng）能有了很大提高。
4，在塗層刀具製造過（guò）程中，一般（bān）根據塗（tú）層的硬度，耐磨性，高溫抗（kàng）氧化（huà）性，潤滑性以及抗粘結性等幾個方麵來選擇，其中塗層氧化性是與切削溫度（dù）最直接相關的技術條件。氧化溫度是指塗（tú）層開始（shǐ）分解時的溫度值，氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN塗（tú）層的常溫硬（yìng）度也許低於TiCN塗層，但事實證明它在高溫加工中要（yào）比TiCN有效得多（duō）。TiAlN塗層在高溫下仍能保持其硬度的原因在於可在刀具與切屑之間形成一（yī）層（céng）氧化鋁，氧（yǎng）化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀（dāo）具相比，硬質合金刀具（jù）的切削速度通常更高，這就使TiAlN成為硬質合金刀具的（de）首（shǒu）選塗層，硬質合金鑽頭（tóu）和立銑刀通常（cháng）采用這種PVDTiAlN塗層.
5，從應用（yòng）技術角度講：除了切削溫度外，切削深度、切削（xuē）速度和冷卻液都可（kě）能對刀（dāo）具塗層的應用效果產生影響。
五、常用（yòng）塗層（céng）材料進展（zhǎn）及超硬塗層（céng）技術
硬質塗層（céng）材料中，工藝最成熟、應用最廣泛的是TiN。目前，工業發達國家（jiā）TiN塗（tú）層高速鋼刀具的（de）使用率已占高（gāo）速鋼刀具的50%一70%，有的不（bú）可重磨的複 雜刀具的（de）使用（yòng）率已超過90%。由（yóu）於現代金屬切削對刀具（jù）有很高的技術要求，TiN塗層日益不能適應。TiN塗層的耐（nài）氧化性較差，使用溫度達500℃時，膜層 明顯氧化而被燒蝕，而且它的硬度也滿足不了需要。TiC有較高的顯微硬度，因而該材料的耐磨性能（néng）較好。同時它與基體的附著牢固，在製備多層耐磨塗層時，常將TiC作為與基體接觸的底層膜，在塗層（céng）刀（dāo）具中它是十分常用的（de）塗層材料。
TiCN和TiAlN的開發，又使塗層刀具的（de）性能（néng）上了一個台階。 TiCN可降低塗層的內應力，提（tí）高塗層的韌性，增加塗層的厚度，阻止裂紋的擴散，減少（shǎo）刀具（jù） 崩刃。將TiCN設置為塗層（céng）刀具的主耐磨層，可顯著提高刀具（jù）的壽命。TiAlN化學穩定性好，抗氧化磨損，加工高合金鋼、不鏽鋼、欽合金、鎳合金時，比 TiN塗層刀具提高壽命3—4倍。在TiAlN塗層（céng）中如果有較高的Al濃度，在切削時（shí）塗層表麵會生成一（yī）層很薄（báo）的非品態A12O3，形成一層硬 質惰性保護膜，該塗層刀具可更有效地用於高速切削（xuē）加工。摻氧的氮碳化鈦TiCNO具有很高的顯（xiǎn）微硬度和化學穩定性，可以產生相當於TiC十A12O3複（fù）合 塗層的作用。
在上述硬質薄膜材料中（zhōng），顯微硬度HV能夠超過50GPa的有3種：金剛石薄膜（mó）、立方氮化硼CBN、氮化碳。
許多沉積金剛石薄膜的（de）溫度（dù）要求為600℃一900℃，因此該技術常用於硬（yìng）質合金刀具表麵沉積金剛（gāng）石薄（báo）膜。金剛石硬質合（hé）金刀（dāo）具的商品化，是近幾年塗層技術（shù）的重大（dà）成就。
CBN在硬（yìng）度和導熱率方麵僅次於金（jīn）剛（gāng）石，熱穩定性（xìng）極好，在（zài）大（dà）氣中加熱至1000℃也不發生氧化（huà）。 CBN對於鐵族金屬具有極為穩定的化學性能，與金剛石不宜加（jiā）工（gōng）鋼材不同，它可以廣泛用於鋼鐵製品的精加工、研磨等。CBN塗層除具有（yǒu）優良的耐磨損性能外（wài），還可以在相當高的（de）切削速度下加工耐熱鋼、鈦合金、淬火鋼，能切削高硬（yìng）度的冷硬軋（zhá）輥、摻碳淬火材料和對刀具磨損非常嚴重的（de）Si—Al合金等。低壓氣相合（hé）成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法（fǎ）。 CVD包括化學輸運PCVD，熱絲輔助加熱PCVD、ECR—CVD等；PVD則有反應離子束鍍、活性反應蒸鍍、激（jī）光蒸鍍離子束輔助沉積法等。CBN的合成（chéng）技術，在基礎研究和應用技術方麵都還（hái）有不少工作要做，包括反應機製和成膜過程、等離子體診斷和質譜分（fèn）析、最佳工藝（yì）條件的確定、高效率設備的開發等。
氮化碳有可能具有（yǒu）達到或超過金剛石的硬度。合成氮化碳的成功，是分子工程學十分（fèn）傑出的範例。作為超硬材料的氮（dàn）化碳，預期還有其它許多（duō）寶貴的物理化學性質（zhì），研究（jiū）氯化碳成為世界材料科學領域的熱門課題（tí）.
(備注：CVD：化學塗層； PVD：物理塗層（céng）)
來源：鄭州華菱超硬材料有限公司
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