刀具涂层技术现状及其展望

对刀具进行涂层是机械加工行业前进道路上的一大变革,它是在刀具韧性较高的基体上涂覆一层、二层乃至多层耐磨的难熔化合物,从而使刀具的性能得到极大改善。经涂层的刀具可以提高加工效率、加工精度、延长寿命、降低成本,因而,受到世界各国普遍关注。

现状

自20世纪60年代末第一代CVD气相沉积TiC硬质合金刀片问世以来,涂层技术对硬质合金刀具的发展起了巨大的促进作用。20世纪80年代初PVD气相沉积TiN在高速钢刀具上成功应用,被誉为高速钢刀具性能的一场革命。从此,涂层技术取得了飞速的发展,涂层工艺越来越成熟,涂层刀具应用范围越来越广泛。

西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%,新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。瑞典山特维克可乐满和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达85%以上,美国数控机床上使用的硬质合金涂层刀片的比例为80%,瑞典和德国车削用的涂层刀具都在70%以上。日本、俄罗斯涂层技术开发和应用也走在世界前列。我国涂层刀具起步晚,但进步快,涂层网点遍布全国,不少城市都有自己的涂层中心,承接对外加工业务,厂矿也不甘示弱,国内几家大的工具厂拥有涂膜机都在10台以上,但多数应用在麻花钻等低端产品上。德国等工业发达国家的涂层公司纷纷在我国安营扎寨,大搞涂层刀具对外加工。由于资源匮乏和机械加工的高效化,以及数控技术进步及难加工材料增多,涂层刀具正以惊人的发展速度被动式向前挺进。

涂层技术的新发展

纵观CVD、PVD技术的发展过程,可以发现几个共同的规律。当第一代涂层产品进入市场后,首先要解决的是涂层设备的国产化问题,以满足市场需要；其次是开发新一代的涂层成分,以提高刀具的加工效率；第三是研制多层涂层及控制技术,使被涂刀具表层具有多种材料的综合力学性能,对切削、拉铣等不同加工对象实施个性化服务。涂层技术的新发展主要有以下三个方面表现:膜系材料多元化

目前应用最多的涂层物质是TiC、TiN、TiCN和Al2O3。当今在硬质合金涂层刀具中应用最多的TiAlN三元涂层,并可以通过调整Al元素的成份比例来获得不同膜层性能。涂层材料由最初的TiC和TiN单层发展到现在的复合涂层。复合涂层及相关技术的出现,使涂层既可以提高与基体的结合强度,又具有多种材料的复合性能。近几年开发的TiN/NbN、TiN/CNx等多元复合薄材料,使涂层刀具寿命有很大的提高。涂层工艺组合的多样化带来了TiAlN、TiAlCN、CrSiN等多元复合涂层,使刀具获得高耐磨、低摩擦、热稳定好和抗氧化性能等优良的综合性能。

软涂层

高硬度是早期涂层技术开发追求的主要目标,然而并不是所有的材料都适合于硬涂层。如高强度铝合金、钛合金及某些贵重材料都不适合用硬涂层刀具加工,而软涂层则较好地解决了上述材料的难加工问题。软涂层主要有MoS2、WS2、TaS2等

纳米涂层

近期美国学者开发出纳米涂层刀具,这种涂层刀具可采用多种涂层材料的不同组合,以满足不同功能和性能要求,设计合理的纳米涂层,可使刀具材料具有优异的减摩抗磨功能和自润滑性能,适用于高速干切削,尤其适于在数控机床上使用。具有一定代表性的是AlTiN晶粒与无定型的Si3N4纳米组分构成的纳米混合膜,其硬度可达到45GPa,膜层的稳定性和抗氧化性可达1000℃。

PVD、CVD将长期共存

早在20多年前,PVD涂层投入工业生产以来,人们一直在探索用PVD代替CVD的问题,几经周折,设想和实践都成为泡影。

尽管PVD有CVD难以比拟的优点,也可以进行a-Al2O3以外的多种硬质涂层,但事实标明:CVD车、铣刀具还是优于PVD。今后两种涂层在切削刀具涂层中将长期共存和相互补充,并因各自优点而在涂层产品中占据属于自己的份额。两种技术也可以相互结合,取长补短,如目前应用的PCVD涂层技术就是例证。

涂层刀具的应用

涂层技术目前广泛应用于机械、电子、光学、航空航天、化工、轻纺及食品工业等各个部门。运用高科技手段不仅能沉积各类金属和合金,还能沉积多种化合物,不仅能在金属基体上沉积,而且在陶瓷、金刚石、玻璃甚至塑料等非金属上沉积,可以毫不夸张地讲,涂层技术已渗透到国民经济各个领域,其作用和效能有目共睹,不管是国内还是国外机床工具博览会上,人们都会看到品种繁多、方法各异的涂层工具,应用实例举不胜举。

涂层中应注意的几个问题

理想的刀具材料

用于涂层的刀具材料必须是理想的好材料,不能停留在合格的水平上。俗话说好钢要用在刀刃上,目前刀具材料市场不规范,鱼龙混杂,假冒伪劣猖獗。在选材、用材时应加强检查,把好各道关卡,不然前功尽弃。

硬度检查

硬度不合适的刀具若涂层,涂层技术再高明也无济于世。例如65HRC以下的高速钢刀具,硬度大于68HRC的501钢立铣刀,以及所谓的低合金高速钢钻头,涂层效果就不一定好。通过适当的热处理,将刀具硬度控制在客户满意的范围内,再施以理想涂层,将是锦上添花。

JB/T8365-96《氮化钛涂层刀具技术规范》,要求高速钢刀具涂层硬度≥2000HV,但目前市场上不少涂层产品达不到此值,往往是低硬度的装饰镀,或是涂层厚度达不到要求。退磁

涂层前应进行退磁处理,因为磁性会影响涂层效果。

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