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刀具涂層技術現狀及其展望
更新時間:2007-09-28 14:39:00 點擊量:

對刀具進行涂層是機械加工行業前進道路上的一大變革,它是在刀具韌性較高的基體上涂覆一層、二層乃至多層耐磨的難熔化合物,從而使刀具的性能得到極大改善。經涂層的刀具可以提高加工效率、加工精度、延長壽命、降低成本,因而,受到世界各國普遍關注。

   現狀    

   自20世紀60年代末第一代CVD氣相沉積TiC硬質合金刀片問世以來,涂層技術對硬質合金刀具的發展起了巨大的促進作用。20世紀80年代初PVD氣相沉積TiN在高速鋼刀具上成功應用,被譽為高速鋼刀具性能的一場革命。從此,涂層技術取得了飛速的發展,涂層工藝越來越成熟,涂層刀具應用范圍越來越廣泛。    

   西方工業發達國家使用的涂層刀具占可轉位刀片的比例已由1978年的26%上升到2005年的90%,新型的數控機床所用的刀具中80%左右是涂層刀具。瑞典山特維克可樂滿和美國肯納金屬公司的涂層刀片的比例已達85%以上,美國數控機床上使用的硬質合金涂層刀片的比例為80%,瑞典和德國車削用的涂層刀具都在70%以上。日本、俄羅斯涂層技術開發和應用也走在世界前列。我國涂層刀具起步晚,但進步快,涂層網點遍布全國,不少城市都有自己的涂層中心,承接對外加工業務,廠礦也不甘示弱,國內幾家大的工具廠擁有涂膜機都在10臺以上,但多數應用在麻花鉆等低端產品上。德國等工業發達國家的涂層公司紛紛在我國安營扎寨,大搞涂層刀具對外加工。由于資源匱乏和機械加工的高效化,以及數控技術進步及難加工材料增多,涂層刀具正以驚人的發展速度被動式向前挺進。

   涂層技術的新發展    

   縱觀CVD、PVD技術的發展過程,可以發現幾個共同的規律。當第一代涂層產品進入市場后,首先要解決的是涂層設備的國產化問題,以滿足市場需要;其次是開發新一代的涂層成分,以提高刀具的加工效率;第三是研制多層涂層及控制技術,使被涂刀具表層具有多種材料的綜合力學性能,對切削、拉銑等不同加工對象實施個性化服務。涂層技術的新發展主要有以下三個方面表現:膜系材料多元化

   目前應用最多的涂層物質是TiC、TiN、TiCN和Al2O3。當今在硬質合金涂層刀具中應用最多的TiAlN三元涂層,并可以通過調整Al元素的成份比例來獲得不同膜層性能。涂層材料由最初的TiC和TiN單層發展到現在的復合涂層。復合涂層及相關技術的出現,使涂層既可以提高與基體的結合強度,又具有多種材料的復合性能。近幾年開發的TiN/NbN、TiN/CNx等多元復合薄材料,使涂層刀具壽命有很大的提高。涂層工藝組合的多樣化帶來了TiAlN、TiAlCN、CrSiN等多元復合涂層,使刀具獲得高耐磨、低摩擦、熱穩定好和抗氧化性能等優良的綜合性能。

   軟涂層

   高硬度是早期涂層技術開發追求的主要目標,然而并不是所有的材料都適合于硬涂層。如高強度鋁合金、鈦合金及某些貴重材料都不適合用硬涂層刀具加工,而軟涂層則較好地解決了上述材料的難加工問題。軟涂層主要有MoS2、WS2、TaS2等
納米涂層

   近期美國學者開發出納米涂層刀具,這種涂層刀具可采用多種涂層材料的不同組合,以滿足不同功能和性能要求,設計合理的納米涂層,可使刀具材料具有優異的減摩抗磨功能和自潤滑性能,適用于高速干切削,尤其適于在數控機床上使用。具有一定代表性的是AlTiN晶粒與無定型的Si3N4納米組分構成的納米混合膜,其硬度可達到45GPa,膜層的穩定性和抗氧化性可達1000℃。

   PVD、CVD將長期共存

   早在20多年前,PVD涂層投入工業生產以來,人們一直在探索用PVD代替CVD的問題,幾經周折,設想和實踐都成為泡影。    

   盡管PVD有CVD難以比擬的優點,也可以進行a-Al2O3以外的多種硬質涂層,但事實標明:CVD車、銑刀具還是優于PVD。今后兩種涂層在切削刀具涂層中將長期共存和相互補充,并因各自優點而在涂層產品中占據屬于自己的份額。兩種技術也可以相互結合,取長補短,如目前應用的PCVD涂層技術就是例證。

   涂層刀具的應用    

   涂層技術目前廣泛應用于機械、電子、光學、航空航天、化工、輕紡及食品工業等各個部門。運用高科技手段不僅能沉積各類金屬和合金,還能沉積多種化合物,不僅能在金屬基體上沉積,而且在陶瓷、金剛石、玻璃甚至塑料等非金屬上沉積,可以毫不夸張地講,涂層技術已滲透到國民經濟各個領域,其作用和效能有目共睹,不管是國內還是國外機床工具博覽會上,人們都會看到品種繁多、方法各異的涂層工具,應用實例舉不勝舉。

   涂層中應注意的幾個問題

   理想的刀具材料

   用于涂層的刀具材料必須是理想的好材料,不能停留在合格的水平上。俗話說好鋼要用在刀刃上,目前刀具材料市場不規范,魚龍混雜,假冒偽劣猖獗。在選材、用材時應加強檢查,把好各道關卡,不然前功盡棄。

   硬度檢查

   硬度不合適的刀具若涂層,涂層技術再高明也無濟于世。例如65HRC以下的高速鋼刀具,硬度大于68HRC的501鋼立銑刀,以及所謂的低合金高速鋼鉆頭,涂層效果就不一定好。通過適當的熱處理,將刀具硬度控制在客戶滿意的范圍內,再施以理想涂層,將是錦上添花。    

   JB/T8365-96《氮化鈦涂層刀具技術規范》,要求高速鋼刀具涂層硬度≥2000HV,但目前市場上不少涂層產品達不到此值,往往是低硬度的裝飾鍍,或是涂層厚度達不到要求。退磁

   涂層前應進行退磁處理,因為磁性會影響涂層效果。

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