TiAlN涂层刀具的发展与应用
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。
TiAlN纳米复合涂层的技术进展

TiAlN纳米复合涂层的技术进展毛延发1 唐为国2 刘金良2 韩培刚3 1西安建筑科技大学 2兰州大学 3深圳市广大纳米工程技术有限公司摘 要:综合介绍了国内外TiAlN涂层技术的发展现状和TiAlN涂层的性能特点、PCD制备工艺以及今后的发展趋势和研究方向;重点评述了高Al含量TiAlN超硬涂层、异质多层膜纳米复合TiAlN涂层和多元合金增强涂层技术的最新进展;指出了TiAl N涂层刀具在精密模具和汽车零部件加工中的重要作用。
关键词:TiAlN, 超硬涂层, 纳米复合涂层, PVD工艺, 刀具, 技术进展Technology Development of TiAlN Naro-composite CoatingsMao Yanfa Tang Weiguo Liu Jinliang et alA bstract:The developing status of TiAlN coatin g technology in home and abroad and TiAlN coating's performances,PVD process,technique developing trends and study aspects are introduced s yntheticall y.The updated develop ment of TiAl N superhard coatings with higher Al content,naro-compos ite TiAl N coatings with heterogeneity multi-films and the multi-alloy-reinforced coating technology are reviewed emphaticall y.The important roles of TiAl N coated cutting tools on the precis ion mold and die industry and the manufacturing of auto parts are point out.Keywords:TiAlN, superhard coating, naro-composite coating, PVD process, cutting tool, technology develop ment 1 引言在过去二十多年中,采用物理气相沉积(PVD)涂层技术对金属材料进行表面改性已取得了很好的使用效果,TiN硬质涂层在工具行业的广泛应用就是明显的例子。
国内外切削刀具涂层技术发展综述

国内外切削刀具涂层技术发展综述引言切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。
采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机械加工效率。
因此,涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。
为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。
我国的刀具涂层技术经过多年发展,目前正处于关键时期,即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求,国内各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。
因此,充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势,瞄准国际涂层技术先进水平,有计划、按步骤地发展刀具涂层技术(尤其是PVD技术),对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。
2.国外刀具涂层技术的现状及发展趋势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,分别评述如下。
2.1 国外CVD技术的发展二十世纪六十年代以来,CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。
由于CVD工艺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的沉积,涂层与基体结合强度较高,薄膜厚度可达7~9μm,因此到八十年代中后期,美国已有85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理,其中CVD涂层占到99%;到九十年代中期,CVD 涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占80%以上。
尽管CVD涂层具有很好的耐磨性,但CVD工艺亦有其先天缺陷:一是工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度下降;二是薄膜内部呈拉应力状态,易导致刀具使用时产生微裂纹;三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染,与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触,因此自九十年代中期以来,高温CVD 技术的发展和应用受到一定制约。
八十年代末,Krupp.Widia开发的低温化学气相沉积(PCVD)技术达到了实用水平,其工艺处理温度已降至450~650℃,有效抑制了η相的产生,可用于螺纹刀具、铣刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂层,但迄今为止,PCVD工艺在刀具涂层领域的应用并不广泛。
TiAlCrN涂层的研究现状及发展前景

1 TiAlCrN硬质涂层制备方法 TiAlCrN 硬质涂层制备常用方法分为三大类 :磁控溅
射沉积、多弧离子镀和电弧 / 溅射一体技术。磁控溅射是将
收稿日期 :2020-12 作者简介 :付泽钰,男,生于 1996 年,汉族,湖北十堰人,硕士研究生, 研究方向 :多弧离子镀技术研究与应用。
高能量粒子轰击靶材后产生高能量金属离子进行沉积。磁 控溅射沉积具有沉积速率较高、可镀基体靶材较多(大多金 属、半导体材料都可以作为基体)、实验设计简便、镀膜质 量好、工艺可控制性高等优点,由于其金属离化率且在 N2 分压较大时容易造成“靶中毒”现象,部分研究学者研究出 闭合场非平衡磁控溅射和高功率脉冲磁控溅射等技术制备 TiAlCrN 硬质涂层。
Research and Development of TiAlCrN Coatings
FU Ze-yu, WANG Tian-guo
(Hubei University of Automotive Technology, Shiyan 442000,China) Abstract: Compared with other coatings such as TiAlrN, TiAlCrN coating has more excellent performance and has more extensive applications in industrial production. The article introduces the methods and methods of TiAlCrN coating preparation, and describes the substrate selection, target selection, and N2 partial pressure. Influence of process parameters such as substrate bias voltage and deposition temperature on coating performance, analyze the changes of Ti, Al, Cr, N element content on coating performance and the mechanism of action, discuss the corrosion resistance and high temperature oxidation resistance of the coating And look forward to the development direction of TiAlCrN coatings. Keywords: TiAlCrN;Preparation;Process parameters;Corrosion resistance;Oxidation performance
刀具涂层技术在金属切削中的应用

刀具涂层技术在金属切削中的应用刀具涂层技术在金属切削中扮演着重要的角色。
它通过在刀具表面形成一层涂层,提高刀具的硬度、耐磨性和切削性能,从而延长刀具的使用寿命和提高切削效率。
本文将探讨刀具涂层技术的原理、种类及其在金属切削中的应用。
刀具涂层技术的原理主要包括两个方面:一是通过涂层改变刀具表面的化学成分和结构,使其具有更高的硬度和抗磨性;二是通过涂层改变刀具表面与金属工件的摩擦系数和热传导能力,减少切削时的摩擦热和切削力。
刀具涂层主要使用物质包括碳化物、氮化物、氧化物和金属等。
根据涂层材料的不同,刀具涂层可以分为硬质涂层和润滑涂层两大类。
硬质涂层主要包括碳化物涂层、氮化物涂层和金属涂层等,它们的主要功能是提高刀具硬度和耐磨性。
碳化物涂层如碳化钛涂层(TiC)和碳化钼涂层(MoC)具有很高的硬度,适用于高速切削;氮化物涂层如氮化钨涂层(WN)和氮化钛铝涂层(TiAlN)具有优异的耐磨性,适用于大批量生产;金属涂层如钛涂层(Ti)和铬涂层(Cr)则可以提供较好的切削性能。
润滑涂层主要包括润滑油膜涂层和固体润滑涂层,其目的是减少切削时的摩擦和热量,延长刀具寿命。
润滑油膜涂层如含铝的石墨性复合涂层(Al-graphite)和含硼的钢基涂层(B-coated steel)具有良好的润滑性能;固体润滑涂层如涂有自润滑材料的碳化硅涂层(SiC)在高温和高速切削时具有较好的效果。
在金属切削中,刀具涂层技术的应用可以带来多方面的好处。
首先,它可以显著提高刀具的硬度和耐磨性,使刀具更加耐用。
硬质涂层可以形成一个坚硬的表面层,提高刀具的抗磨性,减少刀具磨损的速度,从而延长刀具的使用寿命。
其次,刀具涂层可以减少切削时的摩擦和热量,降低切削力和切削温度,避免切削时的粘刀、焊接和割裂等问题。
这可以保证刀具和工件的表面质量,提高加工精度。
此外,刀具涂层还可以提高切屑形态和切屑的排出,减少切削时的切削阻力,提高切削效率。
刀具涂层技术的应用在众多金属切削领域中都有广泛的运用。
刀具涂层技术介绍

04
电子工业领域:提高电子元器件的耐磨性和耐腐蚀性
05
能源领域:提高太阳能电池板的耐磨性和耐腐蚀性
06
建筑领域:提高建筑材料的耐磨性和耐腐蚀性
谢谢
01
陶瓷涂层材料:具有高硬度、高耐磨性和耐高温性
02
复合涂层材料:结合多种材料的优点,提高涂层性能
03
环保型涂层材料:减少环境污染,提高涂层的环保性能
04
涂层技术的优化
01
涂层材料的改进:提高涂层的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性等性能
03
涂层结构的优化:设计更合理的涂层结构,提高刀具的使用寿命和加工效率
提高刀具寿命:涂层技术可以降低刀具磨损,提高刀具寿命
提高加工精度:涂层技术可以提高刀具的耐磨性和抗磨损性,从而提高加工精度
降低加工成本:涂层技术可以降低刀具更换频率,从而降低加工成本
提高生产效率:涂层技术可以提高刀具的切削速度和进给速度,从而提高生产效率
降低生产成本
提高刀具寿命:涂层技术可以延长刀具的使用寿命,从而降低生产成本。
刀具涂层技术介绍
演讲人
目录
刀具涂层技术的背景
01
刀具涂层技术的原理
02
刀具涂层技术的应用
03
刀具涂层技术的发展趋势
04
1
刀具涂层技术的背景
刀具磨损问题
刀具磨损是影响加工效率和成本的重要因素
01
刀具磨损会导致加工精度下降,影响产品质量
02
刀具磨损会增加生产成本,降低生产效率
03
刀具磨损问题一直是制造业面临的重要挑战
04
热稳定性测试:测试涂层在高温环境下的稳定性能,以评估其使用寿命
3
刀具涂层技术的应用
物理气相沉积TiAlN涂层
物理气相沉积TiAlN涂层的研究进展*曹华伟张程煜乔生儒曹晓雨(西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室,西安710072)摘要:本文概述了物理气相沉积TiAlN涂层的研究现状及发展趋势,详细分析了制备方法、Al元素含量、N2流量、基体偏压、温度以及其他元素对TiAlN涂层的结构、硬度、高温抗氧化性和耐腐蚀性等性能的影响。
目前制备的TiAlN涂层存在残余应力较大,表面液滴数量较多和涂层致密度差等问题。
为进一步促进TiAlN涂层的应用,今后还需探索该涂层的制备方法,优化其制备工艺。
多元纳米复合涂层和超点阵多层涂层是两个具有潜力的发展方向。
关键词:TiAlN涂层制备方法晶体结构硬度高温抗氧化性综述Recent progresses in physical vapor deposited TiAlN coating CAO Huawei ZHANG Chengyu QIAO Shenru CAO Xiaoyu(National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, Northwestern PolytechnicalUniversity, Xi′an 710072, China)Abstract: The research and development of physical vapor deposited TiAlN coatings are summarized in the paper. The preparation methods, aluminum content, nitrogen flow rate, substrate bias, temperature and alloying elements had significant effects on the properties of TiAlN coatings, including crystal structure, hardness, high temperature oxidation resistance and corrosion resistance. Although the coating was used in many applications, there were many drawbacks which limit its performance, such as high residual stress, formation of large droplets and poor density. For further application, new preparation method should be explored. Meanwhile, the optimization of the processing technology should be made. It is potential to develop multiple nano-composite coating and superlattice multi-layer coating in the future.Key words: TiAlN coatings, preparation methods, crystal structure, hardness, high temperature oxidation resistance, review0前言*国家自然科学基金面上项目(50702045);高等学校博士学科点专项科研基金(20070699007)和新世纪优秀人才支持计划(NCET-08-0460)第一作者:曹华伟(1986~),河南周口,男,西北工业大学超高温结构复合材料实验室研究生、主要研究多弧离子镀TiAlN涂层的结构与性能。
TiAlN涂层刀具在淬硬模具材料加工中的应用
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圜 究 讨 - 研 舞 _ ・ _ _ _ 一
2J 切 削 力 .
实验中, 出了直径为 2的 ATN涂层硬质合金刀 列 Ii
具 铣 削加 工 4 淬硬 钢 时 , 同切 削参数 变 化对 铣 削力 的 5 不
.: 构, 如底刃与侧刃有圆弧过渡等。 刀具破损后刀尖附近的 为 12 1
6 i 2 机械工程师 20 年 07 第7 期
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研 究 舞 讨
3 淬硬 模 具材 料 的加 工策 略
3J 刀具 的选择 .
国
刃上产生大量热 ,所以在逆铣 中产生的热量 比在顺铣时
用, 延缓了刀具 的磨损。因此 , 涂层氮铝钛( i1 ) TA N 硬质合 冲击韧性差 , 弯强度小 , 抗 不太适应断续切削 ; B C N刀具 金刀具的寿命更长。 冲击韧性好 , 但价格贵 , 应用 比较少 。我们根据模具厂 目 () 3整体硬质合金涂层立铣刀高速加工淬硬钢时 , 前生产的实际情况 ,比较了普通硬质合金刀具和常用 的 由
将 三 种 含 C 量 不 同 的涂 层 硬 质 合 金 和未 涂 层 硬 质 o
2 . 影响刀具磨损 的主要因素 .3 2
刀 具直 径 : 在相 同的切 削参 数和 加 工长 度 条件 下 , 直
合金刀具对相同材质的模具 钢 S D 1( R 4 )进行加 径小 的铣刀磨损 比直径大的铣刀磨损严重,而加工表面 K 6 H C0 工, 分别检测刀具 的磨损情况 , 可做 出三种刀具磨损量对 质量相差不大。 因此在用小直径铣刀加工淬硬模具钢时,
度为 1 m时, 涂层刀具的寿命是未涂层刀具的 2 4 ~ 倍。 高刀尖的抗冲击强度 , 如采用较小 的前角和后角等。 () 2涂层氮铝钛( i1 硬质合金刀具 比未涂层硬质 TAN) 刀具材料 :可用于淬硬模具钢加工的刀具材料有硬
TiA1N镀层硬质合金结构及性能研究
TiA1N镀层硬质合金结构及性能研究摘要:本文研究了TiAlN镀层硬质合金的结构和性能。
通过采用物理气相沉积技术,在WC-Co硬质合金表面沉积了TiAlN涂层。
通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对涂层样品进行表征,发现涂层具有沉积致密、均匀和无裂纹等特点。
研究了涂层的硬度、附着力和磨损性能,并与未镀层的样品进行对比。
结果表明,TiAlN镀层硬质合金具有较高的硬度和附着力,同时具有良好的磨损性能,可以显著提高硬质合金刀具的使用寿命。
关键词:TiAlN涂层,硬质合金,物理气相沉积,硬度,附着力,磨损性能正文:引言硬质合金是一种重要的刀具材料,通常用于加工高硬度材料、粉末冶金工件等。
但是,硬质合金具有较低的耐磨性和切削性能,限制了其在实际生产中的应用。
因此,研究如何提高硬质合金的性能成为了一个重要的研究领域。
涂层技术是一种有效的方法,可以通过在硬质合金表面沉积不同的材料,改善其表面性能。
实验设计为了研究TiAlN涂层对硬质合金性能的影响,我们采用物理气相沉积技术,在WC-Co硬质合金表面沉积了不同厚度的TiAlN涂层(厚度范围为1~5μm)。
沉积过程采用Ar/N2气体混合物,沉积压力为2.5×10^-3Pa,沉积速率为0.5μm/min。
结果与讨论通过XRD测试,我们发现TiAlN涂层主要由TiN和AlN两种物质组成,且涂层具有良好的结晶性和Oriented growth性质。
如图1所示,TiAlN涂层沉积后,具有沉积致密、均匀和无裂纹的表面结构。
同时,我们研究了涂层硬度和附着力的性能。
结果表明,涂层硬度随着厚度的增加而增加,当厚度为5μm时,涂层硬度达到32.8GPa。
涂层的附着力也随着涂层厚度的增加而增加,当涂层厚度为5μm时,涂层的附着力可以达到150N。
最后,我们研究了涂层的磨损性能,并与未涂层的样品进行比较。
结果表明,涂层样品具有更长的使用寿命和更好的磨损性能,如图2所示。
不断发展的刀具涂层技术
不断发展的刀具涂层技术各种新型刀具涂层正在不断流行,其特点是针对特定加工需求,采用多层涂层和新的涂层材料,使加工性能最优化。
位于纽约阿默斯特的表面工程涂层协会(SECA)主席、Teeter咨询公司执行董事Fred Teeter表示,“任何存在磨损的地方都可以考虑采用薄膜陶瓷涂层。
”尽管涂层在耐磨零件(如涡轮发动机零件)上的应用在不断增长,但涂层在切削刀具上的应用仍然占了绝大部分。
涂层的确也证明了自身的价值,根据SECA的统计,与非涂层刀具相比,涂层刀具的寿命可以提高2-10倍。
最高工作温度和硬度不断提高的新涂层还在不断涌现,涂层的一些特定性能(如耐磨性、韧性等)也在不断改进。
几十年前,氮化钛(TiN)涂层曾经是薄膜涂层的首选,虽然这种大家熟悉的金黄色涂层如今还被经常使用,但各种新型涂层早已层出不穷。
多层涂层的组合应用可以实现性能的均衡化,这是单层涂层难以做到的。
随着新型薄膜涂层的不断涌现,现在,许多工程师可能面临的问题是可供选择的涂层种类太多(而不是太少)。
加拿大Eifeler涂层服务公司总经理Mahesh Sukumaran指出,“在过去5-10年里,制备时间的缩短使涂层成本大幅降低。
此外,使用多层涂层可以充分发挥不同涂层各自的优势,从而降低对润滑剂的需求。
”在评价刀具涂层的总体发展趋势时,他解释说,目前仍有许多用户向他咨询TiN涂层的情况,他们不清楚现在已有许多新的涂层可供选择。
Eifeler公司可以提供9种不同的PVD涂层产品(图1),其中既有标准的TiN涂层,也包括ZrN、TiCN和AlTiSiN涂层。
Exxtral Plus是最受欢迎的涂层之一,这是一种由AlTiN+AlTiCrN组成的多层涂层,适合用于硬质合金立铣刀,能以半干切削或干切削方式高速加工淬硬钢。
该涂层的耐热阈值可达800℃,维氏硬度为HV3500±500。
Sukumaran指出,涂层技术面临的主要挑战是提高某些涂层的粘附性能以及进一步减小涂层厚度。