“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。

      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

　　3.1“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。

　　3.2“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。

　　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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