硬质合金涂层刀具研究进展
涂层硬质合金刀具及其在切削加工中的应用
个 重 要里 程 碑 ， 着涂 层技 术 的迅 速 发展 ， 层 随 涂
硬 质合 金 的性 能 有 了重 大 的改 进 ， 用 范 围 日益 应
扩 大 。为满 足 现代 机 械 高效 率 、 高精 度 、 可靠 性 高
的要求 ， 界各 国都 十分注重涂 层技术 的发展。 世
从 ２ 世纪 ７ 年代起涂层硬质合金刀具已经普遍 ０ ０ 应 用 到 加 工生 产 当 中 ， 当前 Ｃ ＮＣ机床 所用 切 削刀 具 有 ８ ％左 右使 用 涂层 硬 质 合金 刀具 。 ０
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光 电对 抗 与 无源 干 扰
２０ ０ ２年 第 ３期
涂 层 硬 质 合 金 刀 具 及 其 在 切 削加 工 中 的应 用 ＊
宋 洁 冰 李 雪 飞 刘 桂 金 张春 艳
（ 息产业 部电子第五 十三研究所 信 锦州 １ １０ ２ ００）
Ｃ ＶＤ技 术 的发展 受 到 了一 定 的制 约 。
２ ２ Ｐ Ｄ 技 术 的发 展 ． Ｖ
金 刀 片基 体上 涂 覆 ＴＣ ， ｉ 与未 涂 层 的 ＷＣ 基 硬 质 合 金 ＹＴ１ 进 行 车 削 对 比 。 工 件 材 料 为 ５
６ Ｓ２ （ Ｃ ０ 切 削 用 量 ａ ０ ｉＭｎ 职 ４ ）， ： １ ｍｍ， ｆ＝ ０ ． ２ ｍ／， ＝ １ ５ ｍｉ 测 得 刀 具 后 刀 面 磨 损 曲 ｍ ｒ １ ｍ／ ｎ，
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ：ｃ ｔｅ ；ｃ ａ ｔｎｇ；ｈａ ｄ ａｌ ｙ ｕ ｔｒ ｏ ｔｉ ｒ ｌ ｏ
１ 概 述
涂层 硬 质 合 金刀 具 的 出现 是 刀具 发展 史 上 的
一
采用 了涂层 处 理 ， 中 Ｃ 其 ＶＤ涂 层 占到 了 ９ ％ ； ９ 九 十年 代 中期 ， ＶＤ涂 层硬 质 合金 刀 片在涂 层 硬 质 Ｃ
ZrN涂层YT15硬质合金刀具的制备及切削性能
收稿日期: 2008204208; 修订日期: 20092 03223 作者简介: 吴雄彪( 1965- ) , 男, 浙江浦江人, 副教授, 硕士。
时工作气压为 0. 45 P a, 由压强 控制仪控制工作气 体氩气, 使用流量计控制反应气体氮气的流量。通 入工作气体氩气后, 开启电弧离子镀和磁控溅射的 锆靶, 先沉积 5 min 在刀片上形成过渡锆层, 以提高 涂层与基体的结合力; 然后通入氮气, 制得 ZrN 层。 之后在电弧离子镀的靶源上放置钛靶, 按上述工艺 流程, 通入氮气后交替开启多弧离子镀的钛靶和中 频磁控溅射的锆靶, 各沉积 3 min。则分别得到不 同厚度的纯 ZrN 涂层和有过渡层的 ZrN/ T iN/ Zr、 ZrN/ Zr 复合涂层。
第 33 卷 第 8 期 2009 年 8 月
机械工程 材料
Mat erials for Mechanical Engineering
Vol. 33 No. 8 Aug. 2009
ZrN 涂层 YT15 硬质合金刀具的制备及切削性能
吴雄彪1 , 陈 英2 , 张雁平1 ( 1. 金华职业技术学院, 金华 321017; 2. 乐山职业技术学院, 乐山 614000)
Abstr act: T hr ee kinds of Zr N coatings were pr epar ed on YT15 cemented car bide by using combination
technologies of medium frequency magnetron sputtering, and ar c ion plating and the physical propert ies of the coatings were tested. The effect of different ZrN coatings on the cutting per for mance of the YT15 cemented carbide cutting tools was analyzed, and then compared with that of cutt ing tool without coat ing. The r esults show that the har dness of the YT15 cemented carbide tools deposited by ZrN coatings increased 12 GPa, and the ZrN coat ing with Zr tr ansition layer had better wear resistance and lower cutting for ce.
硬质合金刀具的强化
金 具有 高 的抗 粘 附
疲劳 磨 损 、 化学一 磨 料磨 损 和
磨 料 磨损 ， 以及 高的 耐热 性 、 导热 性 和 强度 ， 它 们 故 被 广泛 用于制造 切 削刀具 和模具 。 为提 高硬 质 合 金刀具 的使 用性 能 ， 可通 过 涂 覆
２ｍｉ ０ ｎ后冷 却到低 于尿 素的熔 化温 度 （ ℃） 当 １３ 。 ３
硬 质合 金 刀具 的 淬 火 可 提 高 材 料 的 强 度 和 韧 性 ， 而可 改善其 在 冲击 载荷 时的切 削性 能 ． 从 但淬火 对 材料的 硬度几乎 无 影响 ， 本 文将研 究 ＹＧ８硬 质合 金 刀具 的热 处理 方法 和分析 台 金状态 图 ． 供 参考 。
硬 质合 金刀具 的强 化新 方法 一 如下 。将 斌样和 刀具 先 在煤 油或 白醇 内除 油 ． 后 置 于敞 开 的容器 然 内 ， 上尿 素 。 撤 进而 ． 将它 们加热 到温 度 １ Ｏ ． ８ ℃ 这时 尿素 被熔 化并 通过气 渗入 硬质 台金 内 ， Ｌ 在保 持 １ ｊ
按 上述 方 法热 处 理 后 ， 具 的使 用性 能 获得 显 著 提 刀
高． 从而 得到 证实 。表面 层渗入 氮和碳 ， 促使提 高 可 抗压强 度极 限 。
图 ２ ＹＧ８ 质 台 金 在 强 化 前 （ 剖 面 线 ） 强 化 后 硬 无 和
作 者简介 ： 李良福 ． 男 ６ ２岁 ． ６ 年毕业干沈阳航空 工业学极 ． ｔ ０ ￣ 工程师 ． 曾任技术科长 一 在技术杂志上发表论文近 ｌ 篇 ∞
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硬
质
台
盘
第１ ９卷
述断 口可看作假 二 元合 金 Ｃ —ＷＣ状 态图 （ １ 。 ｏ 图 ） 在 文献 中 列 出的关 于 ＷＣ在 不 同改性 的钴 （ 立 方 和六方 ） 中的 溶解 度 有显著 的不 同 ， 在共晶 区最 但 可 靠 的溶解 度值 接 近 １ （ ４ 此处 和下 文 均 为质量 百 分数） 。按 图 １所 示 状 态 图 ， 烧 结 和 缓慢 冷 却 后 在 ＷＣ在温度 ９ ０ ０ ℃时 的溶解 度为 ７ 。 曲线外延 到 将 较 低 温度 一侧 时 表 明 ． 室 温下 ＷＣ在钴 内的溶 解 在 度足 够高 ， 位于 ４ ５ ～９ ０ 。 ． ． 由此 ， 区 由 ｗ 和 相 ｃ在钴 内的 固溶体组７ ０ ） 保 温 时 ， 素将 产 ５０ ０℃ 和 尿
硬质合金刀具月牙洼磨损定量化实验研究
２ ０ １ ７年 ８月
兵
工
学
报
ＶＯ １ ． ３ ８ ＮＯ ． ８
ＡＣＴＡ Ａ ＲＭ ＡＭ ＥＮＴＡＲＩ Ｉ
Ａｕ ｇ．
２ ０１ ７
硬质合金刀具 月牙洼磨损定量 化实验研究
王 凯 ，孙 剑 飞 一， 天 大 学 机 械 工 程 及 自动 化 学 院 ，北 京 １ ０ ０ １ ９ １ ； ２ 先 进 航 空 发 动 机 协 同创 新 中心 ，北 京 １ ０ ０ １ ９ １ ）
月 牙洼磨 损 演 变速 率 的 影响规 律 。求 解 出不 同切 削参 数 下月 牙 洼的磨 损体 积 ， 分 析 了切 削速度 、 进
给 率和 工件 材料 去 除率对 月 牙洼 磨损 体 积 的影 响规 律 。研 究 结 果表 明 ， 切 削速 度 是 影 响 月 牙 洼磨
损 体 积 的主 导 因素。 关键 词 ：刀具 技术 ；月牙 洼磨损 ；切 削参 数 ；磨损演 变速率 ；磨损体 积 ； 硬 质合金 刀具 ； 钛 合金
ｃ ｒ ａ ｔ ｅ ｒ ｍｏ ｒ ｐｈ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｐ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｔ ｏ ｕ ｒ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｉ ｔ ｓ ｗｅ ａ ｒ ｄｅ ｐ ｔ ｈ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ． Ｔｈ ｅ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ ｃ ｒ ａ ｔ ｅ ｒ ｗｅ ａ ｒ ｉ ｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｔ ｈ ｅ ｖ ａ ｒ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ａ ｒ ｅ ａ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎ ｔ ｏ ｕ ｒ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ｗｉ ｔ ｈ ｉ ｔ ｓ ｗｅ ａ ｒ ｄｅ ｐ ｔ ｈ． Ｔｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ
PVD涂层超微粒硬质合金
PVD涂层超微粒硬质合金随着近几年竞争愈加激烈，对制造业提出了更高的要求。
在切削加工领域，通过高速、大进给加工以提高加工效率，缩短加工时间；使用精密刀具实现高精度、高品质加工以提高附加价值；延长刀具寿命以降低刀具使用成本；使用最新技术的刀具以改变加工工序（由研磨、电火花加工变更为切削加工）等各方面，机加工用户提出了越来越高的要求，切削刀具发挥了非常大的作用。
在各种刀具材质中，PVD涂层超微粒硬质合金的进步最为显著。
其优异的性能大幅推动了模具和汽车零部件等钻削加工技术的发展。
到目前为止，CVD硬质合金材质为主流的车削加工中也发挥了出色的性能。
下面对“PVD涂层超微粒硬质合金”技术及最新的加工实例进行介绍。
超微粒硬质合金硬质合金是主要成分的Wc（碳化钨、高硬度脆性材料）分散在Co（钴、低硬度高韧性材料）中的复合材料，是兼顾硬度与抗弯曲强度的硬质材料中的一种。
目前的切削刀具用材料中，在以上的硬质合金上通过CVD（化学涂层法）PVD（物理涂层法）施加可承受高速切削的Al2O3或（Ti、Al）N等涂层的硬质合金涂层材料占据主要位置。
Co含量和Wc颗粒大小等要素决定了硬质合金的性质。
Co含量越少的硬质合金的硬度、抗压缩强度、刚性越高，但同时抗冲击值越低；Wc颗粒越小的硬质合金的硬度、抗弯曲强度越高，但同时其韧性值越低。
超微粒硬质合金是为同时提高硬度和抗弯曲强度而开发的合金材料，与普通的硬质合金相比，在硬度相同时具有强度高、在强度相同时具有硬度高的特点。
普通硬质合金的Wc颗粒为1—6μm（μ=10-6）左右，超微粒硬质合金的Wc颗粒为0.6μm左右，因为非常微小所以Wc颗粒周围起到粘结作用的Co成分的厚度薄，同时，折断起始尺寸小使抗弯曲强度高。
超微粒硬质合金最初在细径钻头、立铣刀等整体硬质合金刀具使用，最近也开始用于可转位刀片。
但是，虽然超微粒硬质合金在低温下显示优异的特性，可在高温状态下容易出现慢性变形，在切削速度高的情况下使用时，有时会产生塑性变形、磨损增大等现象，请予以注意。
硬质合金立铣刀项目可行性研究报告
硬质合金立铣刀项目可行性研究报告一、项目背景随着制造业的快速发展，切削工具市场也在不断扩大。
硬质合金立铣刀作为一种高效的切削工具，在金属加工领域有着广泛的应用。
本文旨在对硬质合金立铣刀项目进行可行性研究，为项目决策提供科学依据。
二、市场分析1.市场需求：随着制造业的发展，金属加工需求呈现增长趋势。
硬质合金立铣刀具有高效、持久的特点，能够满足客户对于精密金属加工的需求。
2.市场竞争：目前市场上存在大量的硬质合金立铣刀供应商，竞争激烈。
我们需要在质量、价格、技术支持等方面与竞争对手相比具备竞争优势。
3.市场规模：根据市场调研数据显示，硬质合金立铣刀市场规模预计在未来五年内将呈现稳步增长。
三、技术分析1.材料选择：硬质合金是制作立铣刀的主要材料，具有优异的硬度和耐磨性。
2.制造工艺：通过粉末冶金工艺制备硬质合金材料，然后经过精密磨刀、回火等工艺加工成立铣刀。
3.产品创新：为了与竞争对手区分开，我们可以通过研发新型的切削刃形状、刀柄材质等创新点来提升产品性能。
四、财务分析1.投资成本：项目的投资成本主要包括设备购置费用、人员培训费用、市场推广费用等。
我们需要综合考虑各项成本，制定有效的预算计划。
2.预期收益：根据市场需求和产品定价，我们可以估计项目预期收益。
同时，需要考虑竞争对手的市场份额和价格压力。
五、风险分析1.技术风险：由于立铣刀制造涉及多个技术环节，技术流程中可能存在的问题会对项目进展产生不利影响。
2.市场风险：市场需求波动、竞争加剧等市场风险也需要充分考虑，制定应对策略以降低风险。
3.资金风险：项目的投资金额较大，资金回报周期较长，需要保证项目资金的可持续性。
六、可行性分析通过对市场需求、技术、财务和风险的分析1.市场需求稳定增长，具有良好的发展前景。
2.技术制造和创新能力较强，具备研发新产品的条件。
3.投资成本较高，但预期收益可观。
4.需要有效管理技术和市场风险，降低潜在风险对项目的影响。
综合以上分析，我们认为硬质合金立铣刀项目具有可行性。
碳纤维增强碳化钨硬质合金的烧结方法和研究进展
碳纤维增强碳化钨硬质合金的烧结方法和研究进展1．引言碳化钨-钴（WC-Co）硬质合金是以碳化钨粉末为主要原料，Co做粘结剂而制成的一种合金。
因碳化钨-Co硬质合金具有高硬度、高强度和优良的耐磨性及抗氧化性，而被广泛的用于机械加工、采矿钻探、模具和结构耐磨件等领域[1]。
超细碳化钨-钴硬质合金是指合金中碳化钨晶粒平均尺寸为0.1~0.6μm，这使其具有高强度、高硬度和高韧性，有效地解决了传统硬质合金硬度与强度之间的矛盾。
碳化钨晶粒在100nm 以下的纳米硬质合金应当有更优良的性能。
1959年，Shindo A首先发明了用聚丙烯腈（PAN）纤维制造碳纤维。
美国在21世纪革命性的12项材料技术中，则将“新一代碳纤维、纳米碳管”排在第四位[2]。
碳纤维具有高强度、高模量、密度小，比强度高、耐高温、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小等优良性能。
正因如此，将碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合后得到的碳纤维复合材料，同样具有高的比强度、比模量、耐疲劳、耐高温、抗蠕变等特点。
近年来它们被广泛地应用于航空航天、汽车构件、风力发电叶片、油田钻探、体育用品、建筑补强材料等领域[3]。
超细碳化钨-钴硬质合金和碳纤维在某些方面的优异性能和在工业上的广泛应用，使得国内外很多研究学者对这两种材料进行了深入研究。
本文将主要从超细碳化钨-钴硬质合金的烧结手段及其对硬质合金性能的影响、致密化方式和效果，碳纤维增强复合材料的性能等方面对国内外文献进行综述。
2. 烧结方法目前国内外研发了许多制备超细碳化钨粉末的方法，主要有直接碳化法[4]、氢气还原WO X碳化法、流化床还原碳化法、气相沉积法、有机盐热分解碳化法、等离子电弧法、熔盐法和机械球磨法、液相还原法[5]等，目前应用于工业化规模生产的主要是前三种方法。
要使超细碳化钨粉末具备特殊性能，必须经过烧结这一关键步骤，烧结技术的不同将对硬质合金的性能产生重要影响。
而如何有效控制碳化钨晶粒在烧结过程中的长大行为成为制备超细晶和纳米晶硬质合金的关键技术。
硬质合金立铣刀对316L不锈钢的铣削加工研究
收稿时间：２０１８－０７作者简介：黄帅，生于１９８３年，男，汉族，江西省南昌市人，本科学历，研究方向：硬质合金材料开发316L 是含钼不锈钢种，标准牌号为022Cr17Ni12Mo2，由于钢中含钼，316L 不锈钢总的性能优于310和304不锈钢，具有广泛的用途。
316L 不锈钢材料因表面加工硬化严重、切削力大、切削温度高、切屑不易折断、刀具磨损快、工件线膨胀系数高等加工特点造成了它的可切削加工性较差，与碳钢材料相比，其可加工性下降将近50%[1]。
本文选用了国内A 公司生产的不锈钢加工专用硬质合金立铣刀，安排不同材料不同厚度的涂层，用涂层后的硬质合金立铣刀对316L 不锈钢材料进行切削试验，测定了刀具后刀面的磨损程度，观察了刀具后刀面的磨损形貌，同时分析了刀具的磨损机理。
1 试验部分（1）性能检测。
刀具参数检测。
试验刀具外形如图1所示，涂层参数见表1，涂层厚度数据见表2。
图1 刀具参数图表1 刀具涂层参数表编号A B C D 涂层材料TiAlNTiAlNAlTiNAlTiN 表2 涂层厚度检测表涂层厚度A B C D μm 圆角附近3.30 2.50 2.10 3.20侧刃3.20 2.15 2.00 3.00柄部2.802.051.802.50（2）基体材料检测。
对基体硬质合金材料性能进行测定，硬度为1780 HV30，巴氏韧性值为12.5MPa.m1/2，抗弯强度为4500N/mm 2。
取材料断口直接在Quanta200扫描电子显微镜下观察微观组织形貌，将硬质合金材料制备的金相试样放入10%氢氧化钾和 10%赤血盐同体积混合液溶液中腐蚀1分钟后，然后采用Quanta200扫描电子显微镜观察腐蚀后硬质合金材料的微观组织形貌。
2 316L不锈钢材料的铣削本次测试是在丽驰DM-800数控加工中心上实现的，被加工工件为200*200*20mm 的316L 不锈钢板材，切削过程为侧面铣削，铣削方式为顺铣，采用水性切削液进行冷却，刀具夹头为BT40弹性夹头，刀具安装后周刃跳动不大于3μm，切深3mm，切宽0.05mm，切削速度100m/min。
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第36卷第1期2008年3月稀有金属与硬质合金RareMetalsandCementedCarbidesVol.36 №.1
Mar. 2008
·专题论述·
硬质合金涂层刀具研究进展张文毓(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471039) 摘 要:在概述硬质合金刀具基本情况的基础上,介绍了硬质合金涂层刀具的研究现状、涂层方法、涂层类型和工艺,
以及多元、复合涂层材料应用等方面的情况,并对硬质合金涂层刀具的发展方向进行了展望。 关键词:硬质合金;涂层;刀具;研究进展 中图分类号:TG711 文献标识码:A 文章编号:100420536(2008)0120059205
LatestDevelopmentofCoatedCementedCarbideToolsZHANGWen2yu(LuoyangShipMaterialResearchInstitute,Luoyang471039,China)Abstract:Briefdescriptionismadeofthecementedcarbidetoolsgeneralsituation,latestdevelopment,coat2ingmethodandcategoryofthecementedcarbidecoatingtoolsaswellastheapplicationsofmulti2elementandcompositecoatingmaterials.Itsprospectoffuturedevelopmentispredicted.Keywords:cementedcarbide;coating;tool;latestdevelopment
硬质合金由难熔金属硬质化合物和金属粘结剂经粉末冶金方法而制成,其硬度(HRA)为89～94,远远高于高速钢;在540℃时硬度(HRA)为82～87,与高速钢常温时的硬度(HRA83～86)相当,同时还具有化学稳定性好、耐热性高等优点。目前供使用的刀具材料品种虽然很多,新型的刀具材料也不断出现,但硬质合金仍是很受欢迎的一种刀具材料。据报道,有的国家90%以上的车刀、55%以上的铣刀都采用了硬质合金制造,而且这种趋势还在增加。同时,硬质合金还是制造钻头、端铣刀等通用刀具的常用材料。此外,加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具和铰刀、立铣刀、拉刀等复杂刀具使用硬质合金的也日益增多。我国常用的硬质合金为碳化钨(WC)基硬质合金。随着生产发展的需要,近些年来,又推出了碳化钛(TiC)基硬质合金、超细晶粒硬质合金、表面涂层硬质合金等新品种[1]。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(如TiC,TiN,A12O3等)的涂层刀具,结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点,降低了刀具与工件之间的摩擦因数,提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。因此,涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性,延长了刀具的寿命,这是切削刀具发展的又一次革命。
1 硬质合金刀具概况硬质合金产品按其特征和用途可分为切削刀片、矿用合金、耐磨异型产品三大类,其中切削刀片约占45%,矿用合金约占19%,耐磨异型产品约占36%[2]。在我国的硬质合金产品中,切削工具用硬质合金约占27%,年产量约3400t,其中焊接刀片和可转位刀片分别约为2600t和800t。切削工具用硬质合金的高档高附加值产品是高性能高精度研磨涂层刀片,据统计,我国目前市场的年流通量约250t,
收稿日期2623;修回日期22作者简介张文毓(682),女,学士,高级工程师,从事钛及其合金研究及有关技术信息工作。:200701:20071024
:19稀 有 金 属 与 硬 质 合 金第36卷其中国产约120t,进口约130t。从我国市场切削工具用硬质合金的产品结构来看,机加工的生产规模很大,但加工技术和装备的整体水平不高[3]。据不完全统计,近年来国内10多家硬质合金企业先后开发出30多种深加工产品,主要有可转位精磨刀片、涂层刀片、可转位刀具、焊接刀具、矿用钎头、镶套拉拔模、铰刀、螺旋立铣刀、玉米铣刀、钻头、自动车刀、轧辊、顶锤、圆片切刀、锯片铣刀等[4]。2 硬质合金涂层刀具研究现状2.1 涂层硬质合金涂层硬质合金发展迅速,其产量大幅度增加,应用范围不断扩大,已成功地应用于铣削等重要加工工具。目前涂层硬质合金刀片产量已占切削刀片总产量的一半以上,一些先进厂家涂层刀片已占可转位刀片的85%以上。目前,涂层硬质合金已由早期的TiC(1969年)、TiN(1971年)、Al2O3(1972年)等单涂层发展到TiC2TiN,TiCN2TiN等双涂层及TiC2TiN2Al2O3等三涂层,最多的可达13层涂层(如联邦德国的Widalon刀片)。同时,涂层材质也有了新的发展,金钢石涂层、立方氮化硼涂层等超硬涂层及其他新涂层也已出现并得到应用,如日本住友电工的非晶体金刚石涂层产品。当然,不同涂层其性能和特点也不相同,而对于不同的涂层最好采用与其匹配的硬质合金基体,以便获得良好的使用性能。瑞士PLATIT公司推出的最新涂层有:TiAlN单层、TiAlN多层、TiCN2MP(高韧性通用涂层)、MOVIC(MoS2基涂层)、CrN、TiAlCN、CBC(DLC,润滑涂层)、GRADVIC(TiAlCN+CBC)、AlTiN、AlTiN/SiN等。20世纪90年代中期开发成功的(Ti,Al)N涂层硬质合金刀具对高速切削加工和高硬材料加工作出了重要贡献,但这些涂层在抗高温扩散性能、润滑性能等方面还不够理想。不久前,日本成功研发了号称跨世纪水平的CrSiN、TiSiN、TiBON等新型刀具涂层材料[5]。日本的岛顺彦等开发了添加B、O元素的Ti2BON系列涂层材料,与(Ti,Al)N涂层相比,其涂层刀具的前刀面在高温下铁元素扩散极少,显示出优良的润滑性能,切屑不粘刀;在富氧氛围中使用T2BON涂层硬质合金刀具时,涂层的润滑效果更为显著,延长了刀具使用寿命,这是因为在富氧氛围中生成的氧化物具有良好润滑性能。这种利用富氧氛围生成氧化物以消除或减少粘刀,延长刀具寿命和提高加工质量的方法适用于钛合金及718镍铬铁耐热合金的切削加工。在富氧氛围和不加冷却液条件下,用TiBON涂层硬质合金立铣刀加工718镍铬铁耐热合金时,取得了改善粘刀和减少刀具磨损的良好效果。2.2 涂层基体材料在涂层基体方面,不仅有各种专用涂层基体,而且日本、瑞典等国还开发出带富钴层的涂层基体,从而明显地提高了涂层合金的强度和使用性能,扩大了涂层合金的应用范围。改善涂层基体合金成分和组织有不同方法,其一是使基体表面形成梯度组织,即合金基体表面是一个实际上没有立方碳氮化物相的粘结相富集层,基体的成分(质量分数,下同)为:1.69%TiC、1.28%TiN、1.21%TaC、0.77%NbC、7.5%Co,余为WC;其二是采用富钨粘结相。多项专利表明,用于球墨铸铁及灰口铸铁、不锈钢和中、低合金钢的断续车削及铣削加工,以及上述材料的铸件、锻件、热轧及冷轧坯料表面加工的涂层刀片,其基体以采用高钨合金化的粘结相比较有利。加工铸钢、铁锻件外皮及铣削时,基体不加TiC,且TaC+NbC的含量低于2%,其中NbC含量低于0.3%。加工球墨铸铁(包括断续车削)时,则用单一的WC2Co合金作基体。加工低合金钢及不锈钢(包括锻件及断续车削)则一般加入含量低于3%的TiC及3%左右的TaC[6]。涂层与合金基体之间的结合强度是制约涂层刀具使用寿命的关键因素。涂层必须与合适的基体相结合才能达到预期的性能。比如说,具有较高红硬性的耐磨基体通常为细晶低钴的碳化钨基合金,并通常加入少量的TiC、TaC和NbC,使基体具有更高的抗变形能力。粗晶、高钴合金和通过热处理或添加Ru、Zr,使粘结相性能得以改善的合金也具有较高的韧性。为了尽可能防止由于裂纹扩展而导致的材料失效,并有利于获得高性能的硬质合金切削工具材料,可对基体进行梯度处理,使涂层基体表面区域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域,此区域的粘结剂含量高于涂层基体的名义粘结剂含量;当涂06i 第1期张文毓:硬质合金涂层刀具研究进展层中形成的裂纹扩展到该区域时,由于其良好的韧性,可以吸收裂纹扩展的能量,因而能够有效地阻止裂纹向合金内部扩展,提高硬质合金切削工具的使用性能。目前,这种具有梯度结构基体的涂层刀片在我国已有研究,并已在部分硬质合金企业形成了产品[7]。3 硬质合金刀具的涂层方法、种类和工艺3.1 涂层方法目前硬质合金刀具涂层的方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主,这两种方法比较突出的问题是涂层与基体间的结合强度低,涂层容易剥落,这样就使涂层不能做得太厚,而涂层一旦被磨掉,刀具就会迅速磨损。近年来,已有一些新的涂层方法出现,如等离子辅助化学气相沉积(PACVD)、中温化学气相沉积(MTCVD)、溶胶2凝胶(Sol2Ge1)法、高速氧2燃气热喷涂(HVOF)、真空阴极电弧沉积(VCAD)等方法[8]。在韧性较好的硬质合金基体上,通过CVD、PVD、HVOF等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物,可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能。3.2 涂层种类自20世纪70年代以来,涂层材料已从单一涂层(TiC、TiN)经历了TiC2Al2O32TiN多层涂层和TiCN、TiA1N、A1TiN等多元复合涂层发展阶段,发展到了TiN/NbN、TiN/CN等多元复合薄膜纳米涂层材料。近年还出现了金刚石涂层、立方氮化硼(CBN)涂层、软涂层(MoS、WS)以及硬软组合涂层,使涂层刀具切削性能大大提高[9]。硬质合金涂层种类从单一化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展,涂层层数也从几层增加到十几层的多层涂层,而多元复合涂层、多元复合纳米涂层、金刚石涂层、CBN涂层将是未来涂层刀具的发展方向。3.3 涂层工艺3.3.1 化学涂层化学气相沉积(CVD)涂层仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,现今开发了中温VD、厚膜O3和过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使VD涂层的耐磨性和韧性都得到提高。CVD金刚石涂层也不断取得进展,使涂层表面光洁度提高,并已进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。CVD的Al2O3涂层的工业产品大都呈织构组织。这种涂层刀具可用于各种金属材料的加工,如钢、低碳钢、低合金钢、不锈钢、铸铁的车削、铣削和钻削加工[6]。研发一种粘着力好、外表平滑、有一定厚度,并且内聚力好、组织缺陷少以及厚度均匀的细晶Al2O3涂层的工艺方法,近十多年来一直是Al2O3
CVD工艺开发的重点之一。采用等离子活化CVD