硬质合金涂层刀具的发展

作者：李义庭 译

欢迎访问e展厅 展厅 5 刀具相关产品展厅 刀柄, 刀具管理系统, 成型刀具, 复合刀具, 非标刀具, ... 硬质合金刀具的硬涂层可提高刀具寿命和生产率。化学气相沉积(CVD)技术已从早期的单涂层发展到现在的由Tic、TiN、TiCN和Al2O3复合多涂层，而且通过选择涂层的顺序及涂层的总厚度来满足特种金属切削的要求，尤其是Al2O3涂层可提供包括高的抗扩散性磨损、优良的抗氧化性和高的热硬度等极好的高温性能，所以在铸铁及钢等材料高速加工获得广泛应用。 近年来，刀具制造商已引进中温(MT)CVD TiCN涂层，当使用乙晴作为有机的C/N源，TiCN的沉积大约发生在850℃，而高温CVD TiCN涂层要加热高于1000℃。MT－TiCN涂层用于车削和铣削时具有很好的耐磨性能，它具有稳定的C/N比，并可减少涂层与硬质合金基体之间界面形成eta相的倾向。 十多年前，物理气相沉积(PVD)已应用于圆柱形硬质合金刀具，包括间断切削和/或一些需要锋利刀刃的金属切削刀片。最初PVD涂层只限于TiN,而现在工业上已有适用的PVD TiCN和TiAlN涂层，采用多种不同的PVD技术，如电子束蒸发、溅射、电弧蒸发等。 CVD金刚石涂层采用了许多金刚石合成技术，最普通的是热丝法、微波等离子法和d、c等离子喷射法。通过改进涂层方法和涂层的粘结，已生产出金刚石涂层硬质合金刀具，并在加工非铁及非金属材料方面起着重要的作用。最近金刚石涂层刀具已在工业上得到应用。 硬质合金刀具的硬涂层 硬涂层的性能 切削刀具基体硬涂层的成功是由于涂层的物理和力学性能的复合作用。从使用的角度来年，涂层应具有稳定的化学稳定性能、热硬度和与基体较强的粘结性能。优化的涂层厚度、细的显微结构及残余压应力可以进一步提高涂层性能。 化学稳定性 涂层材料化学惰性的标准是它的形成标准，自由能的负数很高或在切削温度下它在工件材料的溶解度很低。至今，CVD Al2O3硬涂层在材材加工中完全可满足这些要求。无定形PVD Al2O3涂层是软的而且不稳定，因此不如结晶的CVD Al2O3；PVD TiAlN涂层与TiN或TiCN相比，具有较高的稳定性，因此有可能在高速切削加工中获得应用。金刚石涂层刀具适用于加工含有第二相磨粒的非铁合金(如硅铝合金)以及不与硫反应的非金属材料(如金属基复合材料和纤维增强塑料)。 硬度 切削刀具的后面承受磨粒磨敲，在切削温度下，只要硬涂层比基体的硬度高，就有助于增强抗磨粒磨损，虽然切削主要由化学磨损所控制，但由于高的涂层硬度会使刀具前面在较高的温度下，其抗月牙洼磨损性能得到增强。这一观点目前尚存有争议。 显微结构及形态 涂层方法及过程参数影响硬涂层的显微结构，反之，显微结构(如颗粒尺寸、颗粒结构、颗粒边界和相边界)又影响硬涂层的力学性能和金属切削性能。众所周知，PVD TiN涂层具有较细的颗粒尺寸，相对于CVD TiN涂层具有较高的显微硬度，具有高的点阵缺陷密度的PVD涂层还具有高的残余应力，这也有助于提高其显微硬度。 硬质合金刀具的Al2O3涂层通常是用CVD方法沉积的。Al2O3存在许多结晶形态；最普遍存在的多晶形态是稳定的α－Al2O3和亚稳定的K－Al2O3。α－Al2O3的颗粒形状为柱状，它和K－Al2O3相比，其位错密度及孔隙较大，并且孔隙常存在于颗粒边界。K－Al2O3涂层是细颗粒的2～0.5μm，而且没有位错。 粘结 为了获得满意的切削性能，刀具涂层与基体的粘结必须牢固。在基体上开始的涂层成核应该是涂层和基体原子在界面上的相互扩散，这在热CVD方法中能够达到，等离子辅助沉积法即使在较低的温度下用高能轰击产生晶格缺陷，亦可提高涂层试样在界面的快速扩散，对于金刚石涂层，在涂层之前，待涂基体表面的钴是衡量涂层与基体粘结强度好坏的关键，表面腐蚀和热处理是用以促进金刚石膜对硬质合金基体粘结的另一种方法。 涂层厚度 为了达到最大的金属切除率，涂层的厚度必须是最优化的：太薄，在切削时保持的时间太短；太厚，它的作用就好象是整体的材料，失去了与基体组合的优越性。经确定，有新的刀具涂层厚度范围是2～20μm。CVD沉积的涂层厚度取决于应用场合，一般在5～20μm范围内，而PVD涂层厚度通常小于5μm。金刚石涂层的厚度一般比CVD或PVD涂层厚，与聚晶金刚石涂层一样可适用于厚度为20～40μm的范围。 硬涂层的沉积方法 按其原始材料的挥发和反应需要的能量形式，有热沉积和等离子辅助沉积之分。 当今，金属切削切具广泛使用钛基硬涂层TiN、TiCN、TiC、和TiAlN以及陶瓷硬涂层Al2O3。许多不同热沉积技术和等离子沉积技术用于制造具有相同成分的涂层。在多数情况下可使用几种不同的涂层方法。涂层的显微结构及涂层刀具的性能是由涂层方法和涂层过程参数来确定，通常，挥发的形式和沉积温度可区分不同的涂层方法。热高温CVD法(HT-CVD)发生在900～1100℃，此温度高于PVD法采取的300～600℃。 热中温CVD(MT-CVD)方法的工作温度介于HT-CVD和PVD方法之间，当使用乙晴(CH3CN)作为一种有机C/N源来沉积MT-TiCN涂层时，MT-CVD涂层温度减至750～900℃。CVD硬涂层采用等离子辅助，进一步减少沉积温度至750℃以下是可能的。在PA-CVD过程用脉冲低压辉光放电催化反应气体，能使在较低温度下发生化学反应，与CVD法不同的是，PVD法的沉积温度相当低，因此PVD等离子产生亚稳结构，在基体上使用负偏压引进离子轰击，改进了PVD涂层的粘结并生长出细颗粒的抗磨层，激烈的离子轰击也在PVD涂层内引入高的内应力。 由于金属性硬组分的挥发形式不同，其PVD方法和采取的等离子条件也不同。 PVD溅射法是金属汽不经过液相，直接从金属靶子挥发，主要优点是能够蒸发不同熔点的金属(如TiAlN)。PVD电弧蒸发法比PVD溅射法采用的输入能量要高。高能量电弧很快地通过挥发的金属表面，使一块小的、有限的面积挥发，这样产生的等离子是由高度离子化的金属汽组成的。 PVD方法常采用一种高能电子束，此法的优点是有很好的过程控制和平衡的等离子离子化。 目前，金刚石沉积采用三种方法：微波等离子法、热丝法和等离子喷射法。高质量的金刚石膜应存在大量的氢原子，以稳定SP3金刚石键和减少膜中的石墨量。 微波等离子法使用微波能源以产生沉积速率为2～3μm/h的辉光放电。热丝法是将耐火金属丝加热到2000～2500℃，以产生所需足够量的原子氢和金刚石原始粒子，沉积速率可达0.5～1.5μm/h。等离子喷射法包括d、c和r、f等离子，它们的气体温度在5000～8000℃范围。热等离子促使气体粒子分解，可达到极高的沉积速率(高至400μm/h)。 所有上述热的和等离子辅助涂层方法都需要价格昂贵的设备，此外，涂层过程的复杂性(技术上或经济上的原因)都难以去组合不同的涂层方法。 涂层技术基本上分为两个重要的过程参数：沉积温度和工作压力，这些参数对沉积条件有很大影响，对涂层产品的性能也有很大的影响。 由于涂层刀具具有抗磨粒磨损、抗月牙洼磨损等性能，并允许使用较高的切削速度，所以当今在美国和西欧超过60%的金属切削刀片都是CVD涂层的。硬质合金基体的脆性与早期的CVD涂层沉积技术形成的η相有关，而现在由于基体的碳控制较好和CVD方法的改进，形成η相的情况已大大减少或已被消除，使涂层硬质合金刀具应用范围更广，包括车、镗、切丝、切槽、切割和铣削。这些刀具适用于加工硫、合金、不锈钢、灰铸铁、韧性铸铁和高温合金材料。 用于铣削工序抗磨的5μm HT-CVD涂层，第一层是TiN,它可减少形成η相的倾向；用于车削的涂层，第一层是13μm厚的TiC(HT-CVD)。在第一层之上生长的主要作用层是TiCN,它优化了硬度、抗月牙洼磨损和抗后面磨损的性能，表面层是TiN。 尤其对于间断切削的应用(铣削)，用MT-CVD涂层可进一步改善CVD涂层硬质合金刀具的韧性，MT-CVD方法较低的沉积温度(～850℃)和较短的沉积时间减少了在涂层和基体界面形成脆性η相的倾向，因此提高了涂层刀具在间断切削应用中的性能。MT-CVD方法较高的沉积速率产生一种柱状涂层结构。MT-CVD涂层可应用于所有HT-CVD涂层刀具应用的加工领域。 CVD Al2O3涂层方法也有很大的改进，可生产一定晶体结构、厚而均匀的Al2O3涂层。由于Al2O3的高温性能，所以HT-Al2O3涂层刀具可应用于高速加工钢和铸铁。Al2O3涂层能沉积为单层或交替多层的α-Al2O3或K-Al2O3结构，用这些涂层几乎可以达到陶瓷切削刀具同样高的切削速度。 目前已经发展了既有Al2O3涂层极其优良的高温性能，又有MT-CVD TiCN涂层高韧性的复合CVD涂层，这些MT-TiCN-Al2O3复合涂层已成功地用于铣削和车削，在控制条件下可沉积K-Al2O3和α-Al2O3。 PVD涂层的进展 由于PVD方法具有沉积温度低、能够在锐利的刀刃上涂的光滑的，细颗粒的无裂纹的涂层和良好的残余内应力等优点，所以PVD TiN涂层已广泛用于硬质合金刀具和其它基体(如对涂层温度敏感的金属陶瓷基体)。 PVD技术的进展已导致商品化的新化合物如TiCN、TiAlN及TiZrN和CrN等化合物的出现。 在涂层刀片的应用中，CVD涂层刀具占大多数。而在铣、钻、螺纹加工、切槽和切断等加工中，刀具PVD涂层已超过CVD涂层。PVD涂层在加工难加工材料如高温合金和奥氏体不锈钢时效果很好。 金刚石涂层 金刚石涂层具有硬度高、摩擦系数低、导热性高和热膨胀系数低等特点，然而金刚石会与周期表IVA族至VIIA族的元素起反应，所以金刚石涂层刀具只适于加工非铁和非金属工件材料。金刚石刀具的磨损方式有氧化、与工件材料起化学反应、微裂和严重断裂等几种情况及其组合。 金刚石涂层具有一种高度小平面形的组织结构，这使得在刀片的前面呈显微粗糙的表面。这种粗糙的金刚石小平面的作用好象是显微断屑器，而在刀片的后面，这种小平面会导致工件加工表面光洁度变差。 当今，汽车工业在加工硅—铝合金(特别是300系列)零件时，主要是使用金刚石涂层刀具。金刚石涂层刀具还有望在加工金属基复合材料(MMC)、碳—碳复合材料和村材加工业等领域获得应用。 立方氮化硼(CBN)涂层 立方氮化硼(CBN)是氮化硼的高温高压相，它是第二种最硬的材料(达60GPa)，其结构类似于金刚石，但CBN对于热铁、热钢和氧化环境具有化学惰性，在氧化时，形成一薄层氧化硼，此氧化物层给涂层提供了化学稳定性，因此它在加工硬的铁材(50～65HRC)、灰铸铁、高温合金和烧结的粉末金属时具有明显的优越性。 许多科研人员试图用CVD和PVD技术沉积立方氮化硼薄膜。试验结果表明，在合成CBN相、对硬质合金基体的良好粘结和合适的显微硬度等方面已取得一定的进展。目前沉积在硬质合金基体上的立方氮化硼膜厚最大仅为0.2～0.5μm,若想达到商品化，则必须采用可靠的技术来沉积高纯的、经济的CBN薄膜，其膜厚应在3～5μm,并在实际金属切削加工中证实其效果。将来的潜力 CVD涂层硬质合金刀具的使用已取得迅速发展，MT-CVD涂层的韧性超过HT-CVD涂层，但是除了沉积TiCN涂层之外，若想扩展这项涂层技术，至今还不能实现。等离子辅助CVD涂层也有类似的优越性，但涂层成分也受到限制。人们期望采用低温沉积方法能够生产出新的涂层成分。 新的PVD涂层材料的发展，包括PVD Al2O3和PVD多涂层将扩大PVD涂层刀具的应用范围，这对CVD涂层将是一种挑战。 CVD和PVD的复合涂层是完全能够实现的。TiN/NbN，TiN/Ni和TiN/NiCr的超点阵涂层与那些单相氮化物相比，具有较高的硬度，它们有望在金属切削加工中得到应用。工艺经济性的改进将增加使用金刚石涂层刀具的可能，然而它们的应用范围只限于非铁金属。突破性的发展潜力寄托于立方氮化硼(CBN)涂层硬质合金刀具，这种材料可用于加工超过当今被加工材料75%的铁材。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/24/2004)