“软”涂层刀具的发展与应用

1 引言

刀具涂层将刀具基体和涂层材料的优良性能相结合，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数，从而使刀具的切削性能大大提高。自硬质涂层刀具问世以来，化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术相继得到发展，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。西方国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1978年的26% ，增加到1985年的50%～60%。新型数控机床所用切削刀具中有80%左右使用涂层刀具，瑞典山特维克公司和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达 80%～85%以上。美国数控机床上使用涂层硬质合金刀片的比例为80%。瑞典和德国车削用涂层刀片已占70%以上。在日本的硬质合金和陶瓷刀片生产总产量中，涂层刀片所占比例超过40 %。涂层刀具将是今后机械加工领域中的重要刀具品种，也是刀具技术的一个重要发展方向。

2 涂层刀具的种类

根据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积(CVD)涂层刀具和物理气相沉积(PVD)涂层刀具。涂层硬质合金刀具一般采用CVD)法，沉积温度在1000℃左右。涂层高速钢刀具一般采用PVD法，沉积温度在500 ℃左右。

根据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层刀具等。

	单涂层	多涂层 (带中间过渡层)
	多涂层 (纳米结构)	梯度涂层
	超硬涂层	软/硬复合涂层
图1 典型的涂层结构

根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即：“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求高的硬度和耐磨性。目前应用最多的刀具硬涂层物质有TiC、TIN、TiC(N)、Al₂O₃和TiAlN等及其组合。“软”涂层刀具追求低摩擦系数，与工件材料的摩擦系数很低，可减小粘结，减轻摩擦，降低切削力和切削温度。“软”涂层刀具物质主要有MO S₂、WS₂、TaS₂等及其组合。涂层方式有：单涂层、多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层、超硬薄膜涂层等，如图1 所示。

3 “软”涂层刀具的发展与应用

“软”涂层刀具的涂层材料及其作用机理

目前，“硬”涂层刀具技术已经逐渐成熟，应用最为广泛。然而，诸如航空航天工业使用的许多高强度铝合金、钦合金或贵金属材料等都不适合用“硬”涂层刀具加工，仍主要使用无涂层的高速钢或硬质合金刀具。

“软”涂层刀具的开发则可较好地解决此类材料的加工问题。刀具“软”涂层的主要成分为具有低摩擦系数的固体润滑材料，如：MoS₂、WS₂、BN、CaF₂和T aS₂等，在特殊使用条件下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、物性变化小、能适应1200℃ 以上的工作温度范围和很宽的摩擦副运动速度范围，适于在高温、高速和大载荷等特殊环境条件下使用。

涂层可在刀具表面形成固体润滑膜，从而使刀具材料具有很低的摩擦系数。由于具有层状结构的固体润滑剂与摩擦表面具有较强的粘结能力，并且各层之间有较低的剪切强度，在切削过程中，存在于刀具表面的固体润滑膜会转移到工件材料表面，形成转移膜，使切削过程中摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，在固体润滑膜内部，从而可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。

表1 MoS₂/Ti“软”涂层刀具的适应范围
加工方式	切削条件	结果
车削	V=150～250mm/min, fz=0.125～0.315mm/r, ap=1.5～2.5mm, 断续车削	合适
车削	V>150m/min, fz=0.125～0.315mm/r, ap=1.5～2.5mm, 连续车削	不合适
铣削	V&lt250m/min, fz=0.25mm/r ap=1.5mm	合适
铣削	V&gt250m/min, fz=0.25mm/r ap=1.5mm	不合适

图2 刀具可铁削的材料体积

图3 刀具后刀面磨损量对比

“软”涂层刀具的应用效果

Renevier等研究表明：MoS₂/Ti“软”涂层刀具不适合连续高速车削，这是由于连续高速车削产生的高温往往会导致MoS₂/Ti涂层产生严重的氧化磨损；在低速铣削时，MoS₂/Ti“软”涂层刀具的寿命比未涂层刀具高1.5～2 倍。总的来说，MoS₂/Ti“软”涂层刀具适合于低速断续切削，如表1 所示。图2 为MoS₂/Ti“软”涂层刀具、MoS₂“软”涂层刀具和非涂层刀具铣削34CrNiMo6 工件时，每个刀具可铣削的工件材料体积，其中，fz=0.1mm/r , a p=1.5mm。可见，MoS₂/Ti“软”涂层刀具的寿命远高于MoS₂“软”涂层刀具和非涂层刀具。

图3为WC/Co/MoS₂“软” 涂层刀具和WC/Co硬质合金刀具加工302不锈钢时，刀具后刀面磨损量对比，其中，V=103～180m/min, f=0.1mm/r, ap=0.25mm。可见，WC/Co硬质合金刀具切削1800m时，刀具后刀面磨损量VB达到0.32mm，而WC/Co/MoS₂“软”涂层刀具切削4000m时，刀具后刀面磨损量VB只有0.3mm。表2为一些软涂层刀具的一些使用效果。

表2 “软”涂层刀具的使用效果
刀具	试验条件	试验结果
未涂层硬质合金可转位面铣刀 MoS₂“软”涂层的硬质合金可转位面铣刀	Al- Cu-Mg合金	“软”涂层铣刀的生产率可比未徐层的铣刀提高3 倍
无涂层丝锥 TiAlN涂层丝锥 MoS₂“软”涂层丝锥	Al- Cu-Mg合金	无涂层丝锥能加工20个孔，TiAlN涂层丝锥可加工1000个孔，而MoS₂“软”涂层丝锥可加工4000个螺孔
单涂层(TiCN)硬质合金铣刀 TiCN/MoS₂/Ti“软”涂层硬质合金铣刀	V=150m/min, f=0.04mm/r, ap=4mm, 工件：AlSi304不锈钢	软涂层铣刀切削力明显减小，加工表面质量显著提高
普通高速钢 TiCN/MoS₂/Ti“软”涂层高速钢钻头	V=6000r/min, 工件：AlSi15硅铝合金	“软”涂层钻头钻孔938个后无任何磨损，普通高速钢钻头只能钻100个孔
未涂层高速钢钻头 TiCN/MoS₂/Ti“软”涂层高速钢钻头	V=2200r/min, 工件：Ti6Al4V合金	“软”涂层钻头的钻削力比未涂层钻头减小约33% ，钻削性能显著优于未涂层钻头
未涂层Si₃N₄刀具 Si₃N₄/MoS₂“软”涂层刀具未涂层Ti(CN)刀具 Ti(CN)/MoS₂“软”涂层刀具	V=103～180m/min, f=0.1mm/r, ap=0.25mm, 工件：1045碳钢	“软”徐层刀具寿命比未涂层刀具提高50%以上

4 结语

国内外“硬”涂层刀具技术日趋成熟，其应用已经非常广泛。而“软”涂层刀具技术在国外刚刚起步，而国内尚无这方面的研究报道。“软”涂层刀具的研究开发为提高刀具性能开拓了新的途径，为新型涂层刀具的设计提供了新的思路和新的研究领域。“软”涂层刀具可应用于干切削，对阻止粘结、减小摩擦、降低磨损、提高刀具寿命、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。

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