刀具涂层特点及应用
涂层刀具材料特点及刀具的应用
涂层刀具材料特点及刀具的应用对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一。
涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破。
涂层刀具是在韧性较好刀体上，涂覆一层或多层耐磨性好的难熔化合物，它将刀具基体与硬质涂层相结合，从而使刀具性能大大提高。
新型数控机床所用切削刀具中有80％左右使用涂层刀具。
涂层刀具将是今后数控加工领域中＊重要的刀具品种。
⑴ 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化学气相沉积法，沉积温度在1000℃左右。
涂层高速钢刀具一般采用物理气相沉积法，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(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”涂层刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，其主要优点是硬度高、耐磨性能好，典型的是TiC 和TiN涂层。
⑵ 涂层刀具的特点① 力学和切削性能好：涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，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。
因此，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具可提高2倍以上，并允许有较高的进给量。
涂层刀具的寿命也得到提高。
② 通用性强：涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用。
③ 涂层厚度：随涂层厚度的增加刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明显增加。
涂层太厚时，易引起剥离；涂层太薄时，则耐磨性能差。
④ 重磨性：涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、工艺要求高、涂层时间长。
⑤ 涂层材料：不同涂层材料的刀具，切削性能不一样。
如：低速切削时，TiC涂层占有优势；高速切削时，TiN 较合适。
⑶ 涂层刀具的应用涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力，将是今后数控加工领域中＊重要的刀具品种。
刀具涂层技术介绍
刀具涂层技术介绍刀具涂层技术是一种在刀具表面涂覆一层特殊材料的技术，旨在提高刀具的硬度、耐磨性、热稳定性和化学稳定性等性能。
刀具涂层技术的发展与高速切削、高效加工和先进制造技术的进步密切相关。
本文将对刀具涂层技术的原理、种类以及应用进行介绍。
1.碳化物涂层：如碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)等。
这些涂层具有极高的硬度和耐磨性，适用于高速切削和重载切削。
2.氮化物涂层：如氮化钨(WN)、氮化钛(TiN)、氮化铝(AlN)等。
这些涂层具有较高的硬度和化学稳定性，广泛应用于切削、修磨和打孔等工艺。
3.金属涂层：如钛合金(TiAlN)、氧化锆(ZrO2)等。
这些涂层具有较高的热稳定性和抗氧化性能，适用于高温切削和挤压。
4.金刚石涂层：金刚石涂层具有超高硬度和低摩擦系数，能够有效提高刀具的寿命和切削质量。
但由于金刚石涂层的制备技术复杂和成本较高，目前还处于实验阶段。
1.金属切削：刀具涂层技术在金属切削领域得到广泛应用，可以提高切削效率和工件表面质量。
例如，在高速铣削中，采用碳化钛涂层的刀具可以显著提高切削速度和切削质量。
2.木材加工：刀具涂层技术在木材加工领域也有一定的应用。
通过涂覆特殊涂层，可以延长刀具的使用寿命，并提高加工效率。
例如，在木材切削中，采用氮化钛涂层的刀具可有效降低磨损和摩擦。
3.非金属材料加工：刀具涂层技术在陶瓷、塑料、复合材料等非金属材料加工领域也得到了广泛应用。
通过涂层技术，可以改善切削表面的光洁度，并提高工件的精度和质量。
4.汽车零部件加工：在汽车零部件加工领域，刀具涂层技术可以有效提高零部件的加工精度和耐用性，适用于发动机气门、曲轴、轴承等零部件的加工。
刀具涂层技术的发展为现代制造业带来了巨大的效益。
随着材料科学、纳米技术和涂层技术的进一步发展，刀具涂层技术的性能和应用范围将会不断扩大。
预计未来刀具涂层技术将更加智能化和环保化，能够实现刀具表面的自动修复和自动调节。
这将进一步提高切削效率和加工质量，推动现代制造业的发展。
常用刀具材料分类特点及应用
常用刀具材料分类、特点及应用刀具材料的切削性能直接影响着生产效率、工件的加工精度、已加工表面质量和加工成本等，所以正确选择刀具材料是设计和选用刀具的重要内容之一。
1.刀具材料应具备的性能金属切削时，刀具切削部分直接和工件及切屑相接触，承受着很大的切削压力和冲击，并受到工件及切屑的剧烈摩擦，产生很高的切削温度，即刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作的。
因此，刀具切削部分材料应具备以下基本性能。
1.1 高的硬度和耐磨性硬度是刀具材料应具备的基本特性。
刀具要从工件上切下切屑，其硬度必须比工件材料的硬度大。
耐磨性是材料抵抗磨损的能力。
一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好。
组织中硬质点（碳化物、氮化物等）的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，则耐磨性越高。
但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它的化学成分、强度、纤维组织及摩擦区的温度有关。
1.2 足够的强度和韧性要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程中通常要出现的冲击和振动的条件下工作，而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。
1.3 高的耐热性耐热性是衡量刀具材料切削性能的主要标志。
它是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。
1.4 导热性好刀具材料的导热性越好，切削热越容易从切削区散走，有利于降低切削温度。
刀具材料的导热性用热导率表示。
热导率大，表示导热性好，切削时产生的热量就容易传散出去，从而降低切削部分的温度，减轻刀具磨损。
1.5 具有良好的工艺性和经济性既要求刀具材料本身的可切削性能、耐磨性能、热处理性能、焊接性能等要好，且又要资源丰富，价格低廉。
2.常用刀具材料分类、特点及应用刀具材料可分为工具钢、高速钢、硬质合金、陶瓷和超硬材料等五大类。
常用刀具材料的主要性能及用途见表2-1。
2.1 高速钢2.1.1 普通高速钢普通高速钢指用来加工一般工程材料的高速钢，常用的牌号有：（1）W18Cr4V（简称W18）。
刀具涂层种类
刀具涂层种类在制造业中，刀具涂层起到了极其重要的作用。
它们不仅可以提高刀具的耐磨性和耐蚀性，还可以提高切削效率和生产效率。
随着科技的进步，越来越多种类的刀具涂层问世。
以下将介绍一些常见的刀具涂层种类，帮助您选择适合的涂层。
1. 钛氮合金涂层：钛氮合金涂层具有很高的硬度和耐磨性，能够增加刀具的寿命。
它在加工高温合金和不锈钢时表现出色，限制了切削温度的上升，进而减少了刀具磨损。
2. 金刚石涂层：金刚石涂层是目前最硬的材料之一，可以极大地提高刀具的硬度和耐磨性。
它在加工复杂的材料、高硬度材料和玻璃等脆性材料时显示出卓越的性能。
3. 碳化物涂层：碳化物涂层具有良好的耐磨性和耐热性能，可以有效减少刀具与工件之间的摩擦，提高切削速度和表面质量。
碳化物涂层广泛应用于高速切削和干切削。
4. 氧化物涂层：氧化物涂层具有良好的耐热性和化学稳定性，能够抵御高温腐蚀和氧化。
它广泛应用于切削高硬度材料和高温合金。
5. 氮化物涂层：氮化物涂层具有高硬度和高熔点，可以增加刀具的使用寿命和切削效率。
它广泛应用于加工钛合金、高温合金和不锈钢等材料。
除了上述常见的涂层种类，还有许多其他创新的涂层技术不断涌现。
例如，纳米涂层技术可以在刀具表面形成纳米级的涂层，进一步提高刀具的切削性能和寿命。
此外，多层涂层和渗氮等技术也被广泛应用。
在选择刀具涂层时，需要根据具体的加工材料和加工要求来进行选择。
例如，加工高硬度材料时，可以选择金刚石涂层；加工高温合金时，可以选择氮化物或钛氮合金涂层。
此外，还需要考虑加工环境、切削速度和表面要求等因素。
综上所述，刀具涂层是提高切削效率和降低生产成本的关键技术之一。
在选择刀具涂层时，应根据具体情况进行合理选择，并及时了解新的涂层技术。
通过选择合适的刀具涂层，可以实现更高效、更稳定的加工过程，提高产品质量和生产效率。
涂层刀具的应用与作用
刀具涂层的作用与应用
涂层刀具结合了基体与涂层材料两者的优点，显著提高刀具的切削加工性能。
在切削过程中刀具的涂层在很多程度上提高耐磨性、耐热性和抗高温氧化性，降低了切削力，提高了切削速度，进而提高了加工效率和质量，降低生产成本，提高产品竞争力。
1、提高刀具的力学和切削加工性。
涂层刀具既保持了基本良好的韧性和较高的强度，又具有硬质涂层的高硬度、抗氧化、高耐磨性和地摩擦系数等优异的复合力学性能，从而使刀具的切削性能大为提高。
2、提高刀具的通用性。
涂层刀具适用范围广，这样使原来硬质合金刀具牌号减少30%，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。
3、提高加工质量。
由于硬质合金涂层刀具的硬度高、摩擦系数小、与被加工零件材料之间的亲和力低，不易形成积屑瘤和粘着磨损，使切削力降低了20%左右，切削热也降低了近10%。
这些都对减少被加工零件的变形、提高零件尺寸精度和降低表面粗糙度十分有利。
4、解决难加工材料的加工难题。
在微电子工业、航空、航海工业和石油工业等工业中，大量使用如高硅铝合金、钛合金、镍基合金、不锈钢、高强度高温合金钢、纤维增强合成树脂等难加工材料。
目前，除了少部分采用PCD和PCBN超硬刀具、陶瓷刀具价格外，生产实际中普遍采用性能优异的高速钢涂层刀具。
5、实现绿色切削加工工艺的干切削。
随着制造业的发展，切削液使用量的增多带来了许多弊端，涂层刀具的应用推广，促进了有利于保护环境的干切削加工技术的发展。
干切削加工技术要求刀具材料必须具有很高的红硬性和抗热冲击性、良好的耐磨损性能和抗高温氧化粘结模式性能，这些要求正好是某些复合涂层材料能够胜任的。
cbn涂层及其在刀具上的应用
cbn涂层及其在刀具上的应用随着现代切削技术的发展，金属切除率不断提高。
1900年，用碳素工具钢刀具车削标准钢棒(500mm×100mm)需用时约100分钟，20世纪50年代采用硬质合金刀具后，加工时间缩短为几分钟。
1969年开始采用涂层硬质合金刀具，最初用涂层刀片切削标准钢棒需用时1.5min，而采用gc1025和gc015涂层刀片使加工时间进一步缩短到1.25min和1min。
通过对加工过程进行分析可知，要提高切削速度、降低切削成本，在所有加工因素中最经济的办法就是应用新型刀具材料。
刀具表面涂层是提高刀具寿命、降低切削成本的有效手段。
刀具涂层不仅可以提高刀具的表面硬度，增强其耐磨性，而且可以减小刀具表面摩擦系数，增加润滑能力，提高切削速度，减少换刀次数，提高被加工零件的精度和表面质量，从而提高生产效率。
目前，在工业发达国家，涂层刀具已占所用全部刀具的80%以上，而我国这一比例尚不及20%，因此推广涂层刀具的应用、开发新的涂层刀具材料具有重大意义。
1. cbn的性能特点cbn（cubic boron nitride,立方氮化硼）是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬无机材料，它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性，如超高硬度(仅次于金刚石)、高耐磨性、低摩擦系数、低热膨胀系数等，同时还具有一些优于金刚石的特性（cbn与金刚石的性能对比见表1）。
与金刚石不适合加工钢铁材料不同，cbn对铁族金属具有极为稳定的化学性能，因此可广泛用于钢铁制品的精密加工、研磨等。
cbn除具有优良的耐磨损性能外，其耐热性也极为优良，在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、淬火钢、钛合金等，并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的sial合金等难加工材料。
表1 cbn与金刚石的性能对比性能――cbn――金刚石晶体结构――闪锌矿――金刚石晶格常数(a°)――3.615――3.567密度(g·cm-3)――3.48――3.515显微硬度(mpa)――46042～84337――>;88260弹性模量(gpa)――700――1000热膨胀系数(×10的-6次方/℃)――4.7――3.1化学稳定性――与fe系金属不反应，大气中至1000℃不氧化――与fe系金属反应，大气中600℃以上氧化热稳定性――真空中，温度至1550℃才发生从cbn至hbn的相变――真空中，温度超过1300℃，金刚石开始向石墨转变cbn并不是天然存在的，需要靠人工合成，合成cbn的传统方法是高温高压法。
刀具涂层技术的应用
刀具涂层技术的应用自20世纪60年代化学气相沉积（CVD）涂层硬质合金刀片问世发来，涂层技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。
而20世纪80年代初，TiN物理气相沉积（PVD）涂层高速钢刀具的出现，以使高速钢刀具的性能发生了革命性的变革。
由于涂层技术可有效提高切削刀具的使用寿命，使用刀具获得优良的综合机械性能，大幅度地提高机械加工效率，因此涂层技术已经在切削刀具提高性能的工艺中得到极为广泛的应用于。
刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积（CVD）技术和物理气相沉积（PVD）技术两大类，本文拟从这两方面分别介绍国内外刀具涂层技术的应用情况。
1、刀具涂层技术的应用（1）CVD涂层技术的应用CVD是使挥发性化合气体发生分解或化学反应，并在被镀工件上形成沉积成膜的方法。
在CVD工艺中，气相沉积所需金属源的制备相对容易，可实现TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、AL2O3等单层及多元多层复合涂层。
CVD涂层镀层密实，涂层与基体结合强度高，附着力强，均匀性好，形状复杂的工件也可得到合金副的镀层，薄膜厚度可达5—12微米，因此CVD涂层具有更好的耐磨性。
但其工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度的下降，薄膜内部为拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生，因此只适合于硬质合金车削类刀具的表面涂层，其涂层刀具适合于中型、重型切削的高速加工及半精加工。
自1968年第一批CVD涂层硬质合金刀具问世至今，该涂层技术已发展了近35年。
在这35年间，CVD涂层技术从单一成份发展到多种成份、从单一膜层发展到多元多膜层，经过大量的试验，完成了批量大规模的工业化生产。
如今，CVD涂层硬质合金在涂层硬质合金刀具中占到了80%以上的份额，CVD涂层技术已广泛应用于各类硬质合金刀具。
其涂层工艺的主要发展阶段及应用领域见下表：1968——TiN、TiN——方法CVD——硬质合金刀具、模具涂层1973——TiCN、TiC+AL2O3——CVD ——硬质合金刀具、模具涂层1981——TiC+AL2O3+TiN、AL-O-N——CVD——硬质合金涂层1982——TiCN——MT-CVD——硬质合金刀具涂层1986——Diamond、CBN——CVD、PVD——硬质合金刀具涂层1990——TiN、TiCN、TiC——PCVD——模具、螺纹刀具、铣刀等1993——TiN+TiCN（CVD）+TiN（PVD）——CVD+PVD——硬质合金铣削类刀具涂层1993——厚膜纤维状TiCN——MT-CVD——硬质合金车削类刀具涂层（用于粗、半精加工）从上表可以发现，CVD涂层技术主要用于硬质合金类各种切削刀具。
涂层刀具及其合理使用
涂层刀具及其合理使用(二)纳米结构日本日立工具公司推出的GM20、GM25多层厚膜涂层刀片，它是在比普通CVD涂层稍低温度条件下(约800℃~900℃)进行的，以形成耐磨性很高的柱状结晶，为了提高刀片的抗粘附性，再在刀具表面上涂覆一层Al2O3膜。
据称，这种镀膜的厚度大，韧性高，与基体结合紧密，抗崩刃性好，尤其适于断续切削的工作，刀具寿命可比一般涂层刀片高1.5~2倍以上。
美国Kennametal Hertel公司在KC9315型刀片上涂有16µm厚的厚涂层，这种刀片特别适于加工高强度铸铁(如球墨铸铁和蠕墨铸铁)，切削速度可达400m/min，并可在干切削和断续切削条件下使用。
该刀片涂层总共有三层：氧化铝(Al2O3)、碳氮化钛(TiCN)和氮化钛(TiN)。
目前，金刚石薄膜涂层刀具的应用已进入实用阶段。
它是在硬质合金基体(常用K类合金)上采用CVD法沉积一层由多晶组成的膜状金刚石而成，常称CVD金刚石刀具(简称CD刀具)。
因基体易于制成复杂形状，故适用于几何形状复杂的刀具。
美国和日本都相继推出了金刚石涂层的丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25)等产品，用于有色金属和非金属材料的高速精密加工，刀具寿命比未涂层的硬质合金刀具提高近十倍、甚至几十倍。
而另一种适于加工钢铁材料的CBN 涂层亦已开发成功，并正在走向工业试用阶段。
前几年，武汉大学研制出一种C3N4薄膜，膜的硬度接近超硬材料，用其涂覆在高速钢钻头上，可使钻头寿命大大提高。
此外，美国一家涂层公司使用热阴极蒸发技术把碳蒸发沉积到高速钢刀具表面上，获得结合得很好的类金刚石碳涂层(DLC)。
类金刚石是非晶体，但它有很多金刚石相似的性能，如高的抗压强度与硬度、低的摩擦因数和好的耐蚀性等，类金刚石刀具的问世，为涂层刀具的应用展现了一个新的前景。
除上述各种硬质涂层材料外，还开发了MoS2基的软涂层材料及WC/C“中硬”型滑性涂层材料。
涂层刀具的涂层材料、涂层方法及发展方向
涂层刀具的涂层材料、涂层方法及进展方向在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决议性的影响。
刀具性能的两个关键指标硬度和强度（韧性）之间好像总是存在着冲突，硬度高的材料往往强度和韧性低，而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。
在较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜（如TiC、TiN、Al2O3,等）构成的涂层刀具，较好的解决了刀具存在的强度和韧性之间的冲突，是切削刀具进展的一次革命。
涂层刀具是近20年来进展最快的新型刀具。
目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上，CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。
1涂层刀具、涂层材料及涂层方法涂层刀具的特点涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。
涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。
一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大削减刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。
但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后，因基体材料和涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层和基体之间的界面结合强度低，涂层易剥落，而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备多而杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。
常用的涂层材料及性质常用的涂层材料常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。
依据化学键的特征，可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。
涂层材料的性质金属键型涂层材料（如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等）熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好，具有良好的综合性能，是最一般的涂层材料。
共价键型涂层材料（如B4C、SiC、BN、金刚石等）硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。
刀具涂层的分类与应用
刀具涂层的分类与运用1 引言作为基本财产的制作业正在产生着革命性的变更,制作技巧也已产生了质的变更.尤其是近几年高速切削加工技巧的运用,在大幅度进步临盆效力的同时也极大地进步了产品的质量,可以以为高速切削加工技巧已成为切削制作业的主流.高速切削加工技巧的成长与运用同时带动了相干技巧的敏捷成长.高速切削顾名思义,是高的速度.大的进给量.机床的快速移动.快速换刀等,最终表现为临盆效力的大幅度进步.但是应当指出的是高速切削只是一个相对的概念,跟着加工方法.工件材料以及刀具选择的变更,高速切削加工的速度消失很大变动规模.一般以为高速加工的切削速度为通例切削速度的5～10倍,如加工碳素钢切削速度为500～2000m/min;铸铁为600～3000m/min;铝合金为1000～7000m/min;铜为900～5000m/min.高速切削刀具技巧是实现高速加工的症结技巧之一,而刀具材料的高温机能是影响高速切削刀具技巧成长的重中之重.因为在高速切削加工中所产生的切削热对刀具的磨损比通例切削高得多,是以对刀具材料有更高的请求：高硬度.高强度和耐磨性;高的韧性和抗冲击才能;高的红硬性和化学稳固性;抗热冲击才能.刀具概况涂层技巧是应市场需求而成长起来的一种概况改性技巧,自上世纪60年月消失以来,该项技巧在金属切削刀具制作业内得到了极为普遍的运用.尤其是高速切削加工技巧消失之后,涂层技巧更是得到了缓慢的成长与运用,并成为高速切削刀具制作的症结技巧之一.该项技巧经由过程化学或物理的办法在刀具概况形成某种薄膜,使切削刀具获得优秀的分解切削机能,从而知足高速切削加工的请求.归纳起来切削刀具概况涂层技巧具有以下特色：1.采取涂层技巧可在不降低刀具强度的前提下,大幅度地进步刀具概况硬度,今朝所能达到的硬度已接近100GPa;2.跟着涂层技巧的飞速成长,薄膜的化学稳固性及高温抗氧化性加倍凸起,从而使高速切削加工成为可能;3.润滑薄膜具有优越的固相润滑机能,可有用地改良加工质量,也合适于干式切削加工;4.涂层技巧作为刀具制作的最终工序,对刀具精度几乎没有影响,并可进行反复涂层工艺.涂层切削刀具所带来的益处：可大幅度进步切削刀具寿命;有用地进步切削加工效力;显著进步被加工工件的概况质量;有用地削减刀具材料的消费,降低加工成本;削减冷却液的运用,降低成本,利于情形呵护.2 刀具涂层的分类众所周知,传统刀具涂层技巧重要可分为两大类,但因为市场需求的变更及涂层技巧本身的特点,物理涂层技巧的成长受到了更大的存眷.PVD技巧在得到飞跃性成长的同时,其运用市场也得到了普遍的拓展.与最初成长比拟,不但涂层成分种类繁多,近几年来在涂层构造上更是有了冲破性的成长,并已为市场合接收.跟着PVD技巧在市场中愈来愈普遍的运用,熟悉懂得各类涂层的特点及实用范畴愈加显得重要.是以本文拟对当前PVD涂层进行分类,并剖析各类薄膜所实用范畴,目标是让运用者对各类涂层有一个较体系的懂得,加倍合理地运用涂层刀具.从PVD技巧的成长和运用角度,笔者以为PVD涂层可按2种办法进行分类.1.按涂层成分分类按涂层成分对涂层进行分类简练.清楚明了,基于对材料机能的熟悉,运用者轻易懂得涂层的功效,易为市场合接收,是以今朝各涂层企业更多的是以不合的涂层成分向用户介绍.推举其技巧及产品.按成分对涂层区分平日可分为两大类,即硬涂层和软涂层.硬涂层以TiN.TiCN.TiAlN等为代表,包含了单层薄膜和复合薄膜,跟着市场需求的变更及涂层技巧的成长,新的涂层成分不竭被开辟出来,到今朝为止所运用的硬涂层成分已有几十种之多;软涂层顾名思义薄膜的硬度相对较低,平日为1000HV阁下.软涂层今朝种类其实不久不多,以MoS2.碳基薄膜为主,在切削加工范畴内,其目标是经由过程在硬涂层概况笼罩一层这种薄膜,试图增长涂层概况的润滑性,改良被加工工件概况质量,以知足某些运用范畴的须要.2.按涂层构造分类尽管按成分进行涂层分类具有优越的市场基本,但从PVD技巧的成长来看,涂层的内部构造的变更已越来越多地影响着涂层刀具的运用后果.雷同的涂层成分.不合的构造情势,可以导致涂层刀具运用后果的截然不合.是以熟悉懂得今朝PVD涂层薄膜的构造情势,对于该项技巧的现实运用有着十分重要的意义.就今朝PVD技巧的成长状况,涂层薄膜构造大体可分类如下：a.单一层涂层涂层由某一种化合物或固溶体薄膜构成,理论上讲在薄膜的纵向发展偏向上涂层成分是恒定的,这种构造的涂层可称之为通俗涂层.假如接洽到PVD的成长过程,现实上在曩昔相当长的时代内一向采取这种技巧,个中包含众所周知TiN.TiCN.TiAlN 等.跟着运用市场请求的不竭进步,人们也愈加熟悉到这种涂层的局限性,无论是显微硬度.高温机能.薄膜韧性等都难于大幅度进步,但这种涂层在市场中仍占领必定比例.b.复合涂层图1 CrN+CBC复合薄膜图2 TiAlCN梯度薄膜图3 多层薄膜图4 AlN+TiN+CrN纳米薄膜图5(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)纳米复合相构造薄膜c.由多种不合功效(特点)薄膜构成的构造可以称之为复合涂层构造膜,其典范涂层为今朝的硬涂层+ 软涂层,每层薄膜各具不合的特点,从而使涂层更具优越的分解机能.图1所示为CrN+CBC复合涂层,个中CBC为碳基薄膜.d.梯度涂层涂层成分沿薄膜纵向发展偏向慢慢产生变更,这种变更可所以化合物各元素比例的变更,如TiAl-CN中Ti.Al含量的变更,也可以由一种化合物逐渐过渡到另一种化合物,如由CrN 逐渐过渡到CBC.可以预感这种构造能有用降低因成分突变而造成的内部微不雅应力的增长.图2所示为TiAlCN梯度薄膜.e.多层涂层多层涂层由多种机能各别的薄膜叠加而成,每层膜化学组分根本恒定.今朝在现实运用中多由2种不合薄膜构成,因为所采取的工艺消失差别,不合企业的多层涂层刀具,其各膜层的尺寸也不近雷同,平日由十几层薄膜构成,每层薄膜尺寸大于几十纳米,最具代表性的有AlN+TiN.TiAlN+TiN涂层等.与单层涂层比拟,多层涂层可有用地改良涂层组织状况,克制粗大晶粒组织的发展,多层薄膜如图3 所示.f.纳米多层涂层这种构造的涂层与多层涂层相似,只是各层薄膜的尺寸为纳米数目级,又可称为超显微构造.理论研讨证其实纳米调制周期内(几纳米至几十纳米),与传统的单层膜或通俗多层膜比拟,此类薄膜具有超硬度.超模量效应,其显微硬度超出40GPa是可以预期的,并且在相当高的温度下,薄膜仍可保存异常高的硬度.是以这类膜具有优越的市场运用远景,其典范代表为AlN+TiN.AlN+TiN+CrN涂层等.如图4所示,为AlN+TiN+CrN纳米膜系,其调制周期约为7nm.g.纳米复合构造涂层纳米复合构造涂层.以(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)纳米复合相构造薄膜为例,在强等离子体感化下,纳米TiAlN 晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4体内(见图5),当TiAlN晶体尺寸小于10nm 时,位错增殖源难于启动,而非晶态相又可阻拦晶体位错的迁徙,即使在较高的应力下,位错也不克不及穿越非晶态晶界.这种构造薄膜的硬度可以达到50GPa 以上,并可保持相当优良的韧性,且当温度达到900℃～1100℃时,其显微硬度仍可保持在30GPa 以上;此外这种薄膜同时可获得优良的概况质量,是以工业运用远景辽阔.3 涂层的运用跟着PVD技巧的敏捷成长,在现实运用中涂层的合理选择愈加显得重要.今朝涂层薄膜不但要解决硬度问题,其韧性.抗氧化性.概况光滑度及润滑性等都须要根据不合的切削前提进行分解斟酌.从现实的切削加工状况来看,仅凭涂层成分进行选择,在现实运用中已难以获取最佳经济效益.本文根据上述两种涂层分类,浅析现实切削加工中PVD涂层薄膜的选用.1.车削加工车削加工的特色是持续.稳固.切削力及切削温度变更小,相对而言切削温度较高,是以在选择涂层类别时,涂层的硬度和高温抗氧化性是重点斟酌身分.a.加工钢材时可选用纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)及AlTiN薄膜,这两种薄膜都具有极高的概况硬度,且红硬性优越,运用温度可达到1100℃.b.铸铁加工平日也可选择上述2种薄膜.c.铝及铝合金加工的特色是熔点低,在切削加工中极易形成积屑瘤,且氧化了的切屑可形成Al2O3,导致摩擦感化的加强.当硅含量在4%～13%之间时,硅在铝内形成固溶体＋共晶体组织,这种脆性.针状的片状硅的搀杂,在切削进程中,具有磨料感化,导致刀具早期掉效;而当Si含量进一步进步时粗大的组织使切削机能进一步降低.假如采取干式切削,可加剧这种磨损的成长,加工这类有色金属金刚石涂层刀具是最佳的选择计划之一,但斟酌到可行性及经济性,对于PVD而言,涂层应具有高的硬度及优良的润滑性.当Si 含量小于12%时,可选择多层TiCN+MoS2复合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜;而当Si含量大于12%时,则可选用纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)或单层的TiCN 薄膜.d.高强度合金的加对象有变形大.加工硬化大.切削温度高的特色,此外因为该类合金中含有大量的碳化物.氮化物等,其显微硬度可达2000 ～3000HV.在选择用于此类涂层时,其显微硬度.高温机能.润滑性是应侧重斟酌的身分.平日可选用纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)或TiAl-CN+CBC 复合薄膜.e.对于铜及其合金而言,涂层极具针对性,而与加工方法接洽关系性较低.紫铜塑性.韧性大,易粘屑,是以须要有用地解决排屑问题,一般选用CrN膜;而对于铜合金(黄铜.青铜),因为材料强度的进步,平日采取单层TiCN 或多层TiCN 薄膜.f.塑胶材料的加工特点是导热性差.磨料性.回弹性等,且大多采取干式切削加工方法,是以薄膜的显微硬度及热绝缘性是重点斟酌的身分,除了CVD的金刚石薄膜外,也可选用多层TiCN薄膜.2.钻削加工钻削加工也属于持续加工切削方法,其涂层种类的选择根本与车削加工相似.但所需留意的是通孔加工消失载荷的突变,是以所选择薄膜应具有优越的韧性.如在通俗钢材的加工中,可选用多层膜;若在一般的切削前提下,单层的TiN薄膜也会获得优越的运用后果.3.铣削加工在高速加工范畴,铣削加工占领极其重要的地位,而PVD技巧的成长也从整体铣刀的涂层扩大到可转位刀片规模,并且已取得了冲破性的进展.铣削加工是一种断续加工方法,尤其在高速加工前提下,刀具受载状况极其庞杂,刀具因不竭受到大小.地位不合的机械冲击和热冲击载荷感化,可激发薄膜的决裂.脱落等现象的产生,从而导致刀具的早期掉效.a.加工通俗钢材时可选用TiCN.纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4).AlCrN薄膜,这三种薄膜都具有较好的韧性.b.与通俗钢材比拟,铸铁的铣削加工平日导致刀具磨料磨损,涂层刀具的概况硬度更为重要,是以可选择纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4).AlTiN.AlCrN薄膜.c.对于铝及铝合金的加工,当Si 含量小于12%时,可选择多层TiCN+MoS2复合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜;而当Si含量大于12% 时,则可选用纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)及多层TiCN 薄膜.d.高强度合金的铣削加工平日可选用多层TiCN+MoS2.梯度TiAlCN+CBC.AlCrN 薄膜.4.螺纹加工螺纹加工也一种持续切削方法,相对于通俗车削加工,这种加工属于成型加工模式,切削速度相对较低,不轻易断屑,且对刀具的几何尺寸有严厉请求,刀具刃口渺小的缺点也可导致工件的报废.是以薄膜的致密性.韧性以及概况的润滑性是重要斟酌的身分.a.加工通俗钢和高强度合金时可选用TiCN+MoS2复合薄膜.TiAlCN+CBC梯度薄膜及TiAlN纳米多层薄膜,这三种薄膜都具有优越的韧性及优良的润滑性.b.与通俗钢材比拟,铸铁的螺纹加工平日以磨料磨损为主,薄膜的致密性.韧性.硬度一致重要,是以常可选择TiAlCN 及TiCN 多层薄膜.c.对于铝及铝合金的加工,当Si含量小于12%时,可选择CrN+CBC及TiCN多层薄膜;而当Si含量大于12%时,则可选择TiAlCN+CBC 及TiCN多层薄膜.4 结语近年来刀具概况涂层技巧成长的特色是敏捷及多元化.由图6可以看图6 2003年TiN.TiCN.TiAlN涂层运用情形出,经由几年的过程,TiN涂层一统世界的情形已不复消失,尤其在硬质合金刀具运用范畴,TiAlN涂层的比例已超出TiN,而其它种类涂层也有增长趋向.显然薄膜技巧的成长不竭地为切削加工供给更有用.更经济的手腕,跟着该项技巧的飞速成长,各类超显微构造.超硬度.特别功效薄膜的消失势必促进切削加工计划的进一步优化.对于运用者而言,充分懂得各类涂层及其所实用的运用规模愈加显得重要.因为篇幅所限,本文仅针对各类涂层所合适的加工方法及材料进行了阐述,而现实运用中特别材料(如硬度达到50HRC以上).切削速度.冷却方法等前提的不合,对涂层刀具的选用也都邑产生重要的影响。
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目前已有许多种刀具涂层可供选择，包括PVD涂层、CVD涂层以及交替涂覆PVD和CVD的复合涂层等，从刀具制造商或涂层供应商那里可以很容易地获得这些涂层。
本文将介绍一些刀具涂层共有的属性以及一些常用的PVD、CVD涂层选择方案。
在确定选用何种涂层对于切削加工最为有益时，涂层的每一种特性都起着十分重要的作用。
1.涂层的特性
(1)硬度
涂层带来的高表面硬度是提高刀具寿命的最佳方式之一。
一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的寿命越长。
氮碳化钛(TiCN)涂层比氮化钛(TiN)涂层具有更高的硬度。
由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000～4000(取决于制造商)。
表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD 金刚石涂层刀具的寿命提高了10～20倍。
金刚石涂层的高硬度和切削速度可比未涂层刀具提高2～3倍的能力使其成为非铁族材料切削加工的不错选择。
(2)耐磨性
耐磨性是指涂层抵抗磨损的能力。
虽然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生产过程中添加的元素和采用的工艺可能会引起刀具切削刃崩裂或磨钝。
(3)表面润滑性
高摩擦系数会增加切削热，导致涂层寿命缩短甚至失效。
而降低摩擦系数可以大大延长刀具寿命。
细腻光滑或纹理规则的涂层表面有助于降低切削热，因为光滑的表面可使切屑迅速滑离前刀面而减少热量的产生。
与未涂层刀具相比，表面润滑性更好的涂层刀具还能以更高的切削速度进行加工，从而进一步避免与工件材料发生高温熔焊。
(4)氧化温度
氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。
氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。
虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。
TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具传入工件或切屑。
与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首选涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种PVD TiAlN 涂层。
(5)抗粘结性
涂层的抗粘结性可防止或减轻刀具与被加工材料发生化学反应，避免工件材料沉积在刀具上。
在加工非铁族金属(如铝、黄铜等)时，刀具上经常会产生积屑瘤(BUE)，从而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。
一旦被加工材料开始粘附在刀具上，粘附就会不断扩大。
例如，用成型丝锥加工铝质工件时，加工完每个孔后丝锥上粘附的铝都会增加，以至最后使得丝锥直径变得过大，造成工件尺寸超差报废。
具有良好抗粘结性的涂层甚至在冷却液性能不良或浓度不足的加工场合也能起
到很好的作用。
2.常用的涂层
(1)氮化钛涂层(TiN)
TiN是一种通用型PVD涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。
该涂层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。
(2)氮碳化钛涂层(TiCN)
TiCN涂层中添加的碳元素可提高刀具硬度并获得更好的表面润滑性，是高速钢刀具的理想涂层。
(3)氮铝钛或氮钛铝涂层(TiAlN/AlTiN)
TiAlN/AlTiN涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。
主要用于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具可选用该涂层。
根据涂层中所含铝和钛的比例不同，AlTiN涂层可提供比TiAlN涂层更高的表面硬度，因此它是高速加工领域又一个可行的涂层选择。
(4)氮化铬涂层(CrN)
CrN涂层良好的抗粘结性使其在容易产生积屑瘤的加工中成为首选涂层。
涂覆了这种几乎无形的涂层后，高速钢刀具或硬质合金刀具和成形工具的加工性能将会大大改善。
(5)金刚石涂层(Diamond)
CVD金刚石涂层可为非铁金属材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金属基复合材料(MMC)、高硅铝合金及许多其它高磨蚀材料的理想涂层(注意：纯金刚石涂层刀具不能用于加工钢件，因为加工钢件时会产生大量切削热，并导致发生化学反应，使涂层与刀具之间的粘附层遭到破坏)。
适用于硬铣、攻丝和钻削加工的涂层各不相同，分别有其特定的使用场合。
此外，还可以采用多层涂层，此类涂层在表层与刀具基体之间还嵌入了其它涂层，可以进一步提高刀具的使用寿命。
3.涂层的成功应用
实现涂层的高性价比应用可能取决于许多因素，但对于每种特定的加工应用而言，通常只有一种或几种可行的涂层选择。
涂层及其特性的选择是否正确可能就意味着加工性能明显提高与几乎没有改善之间的区别。
切削深度、切削速度和冷却液都可能对刀具涂层的应用效果产生影响。
由于在一种工件材料的加工中存在着许多变量，因此确定选用何种涂层的最好方法之一就是通过试切。
涂层供应商们正在不断开发更多的新涂层，以进一步提高涂层的耐高温、耐摩擦和耐磨损性能。
与涂层(刀具)制造商一起验证最新、最好的刀具涂层在加工中的应用总是一件好事。
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