硬质合金刀具涂层技术现状及展望_陈颢

摘 要 随着切削技术的发展，硬质合金刀具涂层技术不断进步，正朝着涂层成分多元 化、涂层结构多层化、工艺组合多样化和基体结构梯度化方向发展。 本文对硬质合金刀 具涂层方法和现状等进行了综述，展望了硬质合金涂层技术的前景和发展方向。 关键词 硬质合金；刀具；涂层；进展
2009 年 3 月 Mar. 2009
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行渗碳等方法加以解决。 但是，对钴含量较高的硬 质合金韧性牌号而言；碳向钴中的扩散率要比碳向 WC 或 TiC 中的扩散率高，因而对脱碳极为敏感。 而 采 用 中 温 化 学 气 相 沉 积 (MT-CVD) 工 艺 ， 可 解 决 高 温 化学气相沉积的 η 相问题。 如美国肯纳金属公司推 出的 KC9325 和 KC9315 涂层硬质合金牌 号就是采 用 MT -CVD 工 艺 进 行 的 具 有 一 定 C/N 比 的 整 体 TiCN 涂层，它们均具有抗后面磨损和抗月牙洼磨损 的优良性能。
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硬质合金
第 26 卷
薄 膜 硬 度 （HV）
控制。 如陈元春、艾兴等人[7]以异丙醇铝为前驱物， 将溶胶-凝胶工艺应用于硬质合金刀片涂层， 研制 成功一种新型的 α-Al2O3 陶瓷涂层刀片。 涂层完整， 无宏观缺陷，结晶和相转变完全，结晶无明显的择 优取向，没有一般方法存在的形成柱状晶体组织的 问题，涂层和截面无明显物理缺陷，涂层刀具磨损 寿命比未涂层刀具提高一倍左右。 1.2 常见硬质合金涂层种类
1 硬质合金刀具涂层技术现状
为改善硬质合金的切削加工性能，发达国家 70%
以上的硬质合金刀具都经过表面涂覆处理，如国外硬 质合金可转位刀片的涂层比例在 75%以上[4]。 1.1 硬质合金刀具涂层制备工艺
涂层的性能是由其微观结构和化学组分决定 的，除了与涂层材料本身性质有关外，还与涂层的制 备技术与工艺条件有关。不同的制备方法，涂层的机 械性能、组织结构都会有所不同。在硬质合金刀具上 制 备 涂 层 时 考 虑 的 主 要 问 题 有 ：①涂 层 方 法 的 选 择 ； ②涂 层 与 基 体 材 料 的 匹 配 ；③涂 层 厚 度 的 选 择 ；④ 涂 层与基体的相互作用和扩散等；⑤涂层条件、工艺参 数、涂层前基体预处理等。目前常用的硬质合金刀具 涂层制备的方法主要有化学气相沉积(CVD)、物理气 相 沉 积 (PVD)、 等 离 子 体 化 学 气 相 沉 积 （PCVD）、 溶 胶-凝胶法等。
氧 化 温 度 /（℃） 图 3 硬质涂层发展过程示意图
速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工 HRC 硬 度高达 58 以上的淬火钢[9]。
其次是用 Al2O3 等做成的陶瓷涂层。 Al2O3 具有 优良的隔热效果，具有低摩擦特性，可减少涂层组 织的损耗， 达到综合利用各种涂层成分的优点，使 刀具获得更好的综合性能。 另外，硬质合金刀具金 刚石涂层是利用低压化学气相沉积技术在硬质合 金基体上生长出一层由多晶组成的膜状金刚石，因 基体易于制成复杂形状，故适用于几何形状复杂的 刀具。 瑞典和美国都相继推出了金刚石涂层的丝 锥、 钻头、 立铣刀和带断屑槽的可转位刀片 (如 Sandvik 公 司 的 CD1810 和 Kennametal 公 司 的 KCD25)等 产品，刀具 寿命比未涂 层的提高 近 十 倍 、 甚至几十倍。 但是，金刚石涂层在切削钢铁材料时 在 600～700 ℃左右就会石墨化，因此只能用于有色 金属和非金属材料的高速精密加工。 另外，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、 低的摩擦系数和好的耐蚀性 等，类金刚石刀具的问世，为涂层刀具的应用展现 出一个新的前景。
2 硬质合பைடு நூலகம்刀具涂层技术发展趋势
2.1 涂层成分多元化 单涂层刀具由于基材与涂层两者的硬度、弹性
模量及热膨胀系数相差较远， 晶格类型也不尽相 同，导致残余应力增加，结合力较弱。 在单涂层中加 入新的元素(如加入 Al、Cr 和 Y 提高抗氧化性，加入 Zr、V、B 和 Hf 提高抗磨损性， 加入 Si 提高硬度和抗 化学扩散)制备出多元的刀具涂层材料，大大提高了 刀具的综合性能。 如成都工具研究所研究开发的 TiC-N-O-Al 和 Ti-C-N-B 两个系列共三种高性能多元 复合涂， 具有较好的复合机械性能和优良的切削性 能，用于汽车刀具及 Hertel 系列螺纹梳刀片上[11]。 2.2 涂层结构多层化
为了解决硬质合金材料中存在的这种矛盾，更 好地提高刀具的切削性能， 比较有效的一种方法是 采用各种涂层技术在硬质合金基体上涂覆上一层或 者多层高硬度、高耐磨损性能的材料 。 [2-3] 在刀具基 体上涂覆一层或多层硬度高、 耐磨性好的金属或非 金属化合物薄膜组成的涂层刀具， 能较好的解决刀 具存在的强度和硬度间的矛盾。 它将刀具基体与硬 质涂层相结合，从而使刀具的性能大大提高。刀具表 面上的涂层作为一个化学屏障和热屏障， 减少了硬 质合金刀具的月牙洼磨损， 可以显著地提高加工效 率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成 本。 本文介绍了硬质合金刀具涂层制备方法、 常见 涂层种类以及发展趋势。
CVD 沉积温度高(约 1 000 ℃)，PVD 绕镀性差，
在一定程度上限定了材料的适用范围， 而等离子体 化 学 气 相 沉 积(PCVD)的 出 现 ，恰 好 克 服 了 CVD 和 PVD 的不足。 PCVD 是指通过电极放电产生高能电 子使气体电离成为等离子体， 或者将高频微波导入 含碳化物气体产生高频高能等离子， 由其中的活性 碳原子或含碳基团在硬质合金的表面沉积涂层的一 种方法。 PCVD 法由于它利用等离子体促进化学反 应，可以把涂层温度降至 600 ℃以下，由于涂层温度 低，在硬质合金基体与涂层材料之间不会发生扩散、 相变或交换反应，因而基体可以保持原有的强韧性。 按等离子体能量源方式划分，有直流辉光放电、射频 放电和微波等离子体放电等。随着频率的增加，等离 子体强化 CVD 过程的作用越明显，形成化合物的温 度 越 低 。 目 前 ，PCVD 法 的 涂 覆 温 度 已 可 降 至 160 ℃，这样低温的工艺不影响焊接部位的性能。 如日本 三菱公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了， 结果 加工钢材时的钻头寿命可比高速钢钻头的寿命长 10 倍，效率提高 5 倍。
化学气相沉 积（CVD）属于原子 沉积类，其基 本 原理是沉积物以原子、离子、分子等原子尺度的形态 在材料表面沉积，形成外加覆盖层，其工艺原理如图 1 所示。 在硬质合金刀具上采用 CVD 制备涂层存在 的主要问题是基体产生脱碳， 从而产生一种或几种 复式碳化物，即所谓的 η 相，且通常生成在涂层和 基体的界面特别是刃口上。 这种 η 相很脆，降低硬 质合金的抗弯强度，同时增大刃口的脆性，从而导致 刀刃在使用过程中过早损坏。 脱碳一般可通过选择 适当的基体材料以及在化学气相沉积之前对基体进
作者简介：陈颢（1978.3-），男，博士，教育部钨资源高效开发与应用工程技术研究中心博士后工作站博士后，副教 授 ，主 要 研 究 方 向 为 材 料表面工程。 E-mail: chenhao_168168@。
第 26 卷
陈 颢 羊建高 王宝健 刘海浪：硬质合金刀具涂层技术现状及展望
随着现代机械加工工业朝着高精度、高速切削、 干式切削技术以及降低成本等方向的发展， 人们对 硬质合金刀具提出了越来越高 的要求[1]。 在切 削加 工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量 有着决定的影响。 刀具性能的两个关键指标— ——硬 度和强度，它们之间总存在着矛盾，硬度高的材料强 度低，而提高强度往往是以硬度的降低为代价。
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第 26 卷第 1 期 Vol.26 No.1
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硬质合金 CEMENTED CARBIDE
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硬质合金刀具涂层技术现状及展望
陈 颢 1,2 羊建高 1,2 王宝健 1 刘海浪 1 (1.江西理工大学 材料与化学工程学院，江西赣州 341000；
2.章源钨业股份有限公司，江西赣州 341000)
溶胶-凝胶法是使用无机盐或金属醇盐作为前 驱物，主要的反应步骤是：前驱物溶于溶液中，形成 均匀溶液，溶质与溶剂发生水解反应或醇解反应，生 成物聚集成 1 nm 左右的粒子并形成溶胶， 溶胶粉 体经烧结后可得到所需的产物。 其主要反应有水解 反应、聚合反应。 制品的均匀度高，尤其是多组分制 品，其均匀度可达到分子或原子的尺度；制品的纯度 高，烧结方法比传统方法约低 400～600 ℃，反应易于
物理气相沉积(PVD)是利用蒸 发或溅射等 物理 方式把材料从靶源移走，然后通过真空或半真空空 间使这些携带能量的蒸汽离子沉积到基片或零件 表面以形成膜层，其工艺原理如图 2 所示。 目前，采 用 PVD 方 法 可 以 在 硬 质 合 金 刀 具 上 制 备 TiN、 TiAlN 以及各种难熔金属的碳化物和氮化物。 工业 发达国家自 90 年代初就开始致力于硬质合金刀具 PVD 涂 层 技 术 的 研 究 ， 已 普 遍 应 用 于 硬 质 合 金 铣 刀、钻头、阶梯钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异型刀 具、焊接刀具等的涂层处理。 我国在上世纪 80 年代 中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机，并开发 了高速钢刀具 TiN 涂层工艺技术。 90 年代末国内成 功开发 出硬质合金 TiN-TiCN-TiN 多元复合涂层工 艺技术并达到实用水平。 但与国际发展水平相比，我 国硬质合金刀具 PVD 涂层技术仍落后十年左右[5]。
图 3 为硬质涂层发展过程示意图。 目前，工艺 最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是 TiN， 工业 发 达 国 家 TiN 涂 层 高 速 钢 刀 具 的 使 用 率 已 占 高 速 钢刀具的 50%~70%，不重磨复杂刀具的使用率已超 过 90%。 但 TiN 与基体结合强度不及 TiC 涂层，涂 层易剥落，且硬度也不如 TiC 高，在切削温度较高时 膜层易氧化而被烧蚀。 TiC 涂层有较高的硬度与耐 磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。 TiCN 兼 有 TiC 和 TiN 两种材料的优点， 它在涂覆过程中可 通过连续改变 C、N 的成份控制 TiCN 性质， 并形成 不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力，提高 韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩 刃。 TiCN 基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和 耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可 提高 2～3 倍[8]。 TiAlN 是近几年来开发的硬质涂层新 材料，已经实现商品化，它的化学稳定性和抗氧化 磨损性能好，用其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和 镍 合 金 时 的 刀 具 寿 命 可 比 TiN 涂 层 高 3～4 倍 。 此 外，TiAlN 涂层中如果有合适的铝浓度，切削时在刀 具前刀面和切屑的界面上还会产生一层硬质的惰 性保护膜，该膜有较好的隔热性，可更有效地用于 高速切削。如德国 CemeCon 公司开发了 Supernitride 涂层系列， 其中超级氮铝钛涂层有很高的含铝量， 可形成稳定的氧化层(氧化温度达 1 000 ℃)，它比一 般的 TiAlN 涂层更硬、更致密、更耐高温，适用于高