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刀具涂层技术的现状与展望 |
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自六十年代末第一代TiC化学技术气相沉积(CVD)涂层硬质合金刀片问世以来，涂层技术对硬质合金刀具的发展起到了巨大的促进作用。八十年代初，TiN物理气相沉积(PVD)涂层高速钢刀具的出现，被誉为高速钢刀具性能的革命性变革。几十年来，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。本文拟从以下三个方面介绍涂层技术的进步并展望2000年以后的发展动向：(1)刀具涂层技术的应用； (2)涂层技术的新发展； (3)CVD与PVD两种技术在刀具涂层中的相互补充。
1 刀具涂层技术的应用
目前，机械加工企业大都已经或正在认识到刀具采用涂层技术是提高切削效率、降低加工成本的有效途径。随着涂层技术装备的改进，涂层费用已比初期下降1/2-1/3，因此，涂层技术的应用将使刀具品种不断增多，涂层刀具在刀具总量中所占的比例也将不断扩大。
从涂层刀具(涂层硬质合金和涂层高速钢刀具)在全部使用刀具中所占比例来看，工厂规模不同，该项比例的大小也不同。国外规模较大、管理较好的工厂，每月所耗刀具涂层费用大于5万美元，涂层刀具占其全部使用(或销售)刀具的85%；规模较小的工厂每月所耗刀具涂层费用则在5万美元以下，涂层刀具占其全部刀具的55%。目前，我国只有几个大型硬质合金厂有CVD涂层设备，而且涂层刀片所占比例不大。在PVD涂层高速钢刀具方面，国内主要用于套装麻花钻及齿轮刀具的涂层处理，估计涂层套装麻花钻已占全磨制麻花钻总量的50%左右。以江苏丹阳飞达、天工两个大型工具集团为例，每年麻花钻涂层费用均超过500万元人民币，约有20台PVD设备供麻花钻涂层使用。国内主要齿轮刀具厂均拥有PVD设备，为本厂产品涂层服务，加上齿轮制造厂自身在邻近涂层厂涂层的刀具，齿轮刀具中涂层刀具的比例已大于60%。近年来，齿轮刀具刃磨后进行重涂以提高切削效率的概念已逐渐被齿轮加工业认可，因此，今后齿轮刀具的涂层量必将进一步增加。
随着涂层技术的推广应用，在工业集中地区建立涂层中心(或涂层工厂)的工作已得到很大发展，在工业发达国家已有上百个涂层中心在运转，每个涂层中心均拥有数台PVD及CVD设备。如Balzers、Multi-Arc这两家著名的刀具涂层设备制造公司(生产PVD设备)在世界各地建立了很多涂层中心，两家公司在涂层中心的收入比他们销售涂层设备的收入更丰厚。目前，国内虽已有不少涂层工厂，如仅江苏丹阳地区就有6家涂层工厂，但技术水平和规模均达不到涂层高品质刀具的要求。因此，当务之急是在国内建立具有开发能力和高技术水平的涂层中心，其涂层业务也应从刀具扩展至模具、机械零件及高档饰品。
2 涂层技术的新发展
纵观CVD、PVD技术的发展过程，可以发现几个共性规律。当第一代CVD TiC涂层硬质合金刀片及PVD TiN涂层刀具进入市场后，首先要解决的问题是设计制造出稳定可靠的批量涂层刀具的技术装备，并逐步加以完善，以满足市场需求；其次是开发新一代涂层成分，进一步提高涂层刀具的切削效率；第三阶段是研制多层涂层及控制技术，使刀具表层具有多种涂层材料的综合物理机械性能，从而满足加工不同金属的需求。
人们开始研究新的涂层时，均把目光投向过渡族元素碳、氮化物，因为它们均具有较高的硬度，表1所列为耐磨化合物的部分物理机械性能。采用CVD、 PVD技术制备这些涂层并不困难，关键是涂层质量能否发挥出其自身应有的性能及在切削过程中所起的抗磨损作用。
表1 几种材料的物理机械性能
| 材料 | 熔点
(°C) | 密度
(g/cm³) | 硬度
(HV) | 弹性模量
(kN/mm²) | 线胀系数
(10-6/K) | 抗高温
氧化性能 | | TiC | 3067 | 4.93 | 2800 | 470 | 8.0 | 一般 | | TiN | 2950 | 5.40 | 2100 | 590 | 9.4 | 一般 | | TiB2 | 3225 | 4.50 | 3000 | 560 | 7.8 | 一般 | | ZrN | 2982 | 7.32 | 1600 | 510 | 7.2 | 较好 | | CrN | 1650 | 6.12 | 1100 | 400 | | 一般 | | Al2O3 | 2047 | 3.98 | 2100 | 400 | 8.4 | 很好 | | 硬质合金 | | | 1700
~1800 | | 4.5~5.6 | 差 | | 高速钢 | 1500 | 7.8 | 900 | | 12 | 很差 |
刀具磨损机理研究表明，在高速切削时，刃尖温度最高可达900°C，此时刀具的磨损不仅是机械摩擦磨损(刀具后面磨损的主要形式)，还有粘结磨损、扩散磨损及氧化磨损(刀具刃口磨损及月牙洼磨损的主要形式)，因此，可将切削过程视为一个微区的物理化学变化过程。
碳化钛是一种高硬度耐磨化合物，有着良好的抗摩擦磨损性能；氮化钛的硬度稍低，但却有较高的化学稳定性，并可大大减少刀具与被加工工件之间的摩擦系数。从涂层工艺性考虑，两者均为理想的涂层材料，但无论碳化钛或氮化钛，单一的涂层均很难满足高速切削对刀具涂层的综合要求。
碳氮化钛(TiCN)是在单一的TiC晶格中，氮原子?(N)占据原来碳原子(C)在点阵中的位置而形成的复合化合物，TiCxNy中碳氮原子的比例有两种比较理想的模式，即TiC0.5N0.5和TiC0.3N0.7。由于TiCN具有 TiC和TiN的综合性能，其硬度(特别是高温硬度)高于 TiC和TiN，因此是一种较理想的刀具涂层材料。
在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上，没有任何材料能与氧化铝(Al2O3)相比。但由于氧化铝与基体材料的物理、化学性能相差太大，单一的氧化铝涂层无法制成理想的涂层刀具。多层涂层及相关技术的出现，使涂层既可提高与基体材料的结合强度，同时又能具有多种材料的综合性能。
到目前为止，硬质合金刀片的CVD涂层大致可分为四大系列：TiC/TiN、 TiC/TiCN/TiN、TiC/Al2O3和TiC/Al2O3/TiN。前两类适用于普通半精及精切加工，后两类适用于高速及重负荷切削。
涂层成分能否在涂层刀具上发挥其应有性能，在很大程度上取决于涂层工艺的技术水平，因为涂层与基体的结合强度、涂层及界面组织结构、择优取向、 各单层厚度及总厚度等是决定涂层刀具性能的重要因素，而这些因素都与涂层工艺直接相关。各厂家所制备的相同涂层系列的刀具，除了刀片材料、几何参数外，在切削性能上的差异主要是由于所采用的涂层工艺及控制技术不同而造成的。因此，在改进CVD工艺及控制技术方面，还有不少问题尚待解决。
上述选择涂层材料的原则同样适用于PVD涂层， 由于Al2O3(a相)涂层的PVD技术还未完全突破，因此含有Al2O3的涂层系列尚无法用PVD工艺进行大批量涂层，而另外两种复合涂层系列近年来已在PVD涂层中得到应用。从技术上讲，制备由上百层(每层厚度为50~1000nm)组成的多层涂层，在PVD工艺中容易实现。单层厚度为 20~50nm时，这种涂层的耐磨性最佳。目前，TiN/TiCN、 TiC/TiCN/TiN、TiN/ZrN等多层涂层通过PVD工艺已在硬质合金刀具和部分高速钢刀具涂层中加以应用，使用寿命比单一的TiN PVD涂层提高一倍以上。其中，ZrN涂层刀具特别适合加工不锈钢等材料。
TiAlN是唯一含有铝的PVD涂层，在切削过程中铝氧化而形成Al2O3，从而起到抗氧化和抗扩散磨损作用，但其抗氧化性能比单一的Al2O3涂层稍差，因为TiAlN中形成的Al2O3在切削过程中边生成边磨掉。但在高速切削时，其效果优于不含铝的TiCN涂层。图1、2所示为CVD及PVD 涂层刀具中各种涂层成分所占的大致比例。 
TiAlN/Al2O3多层PVD涂层已在实验室中研究成功，目前已可制备有400层(总厚度5µm)的多层涂层硬质合金刀具，这种 刀具的涂层硬度达4000HV，其切削性能优于TiC/Al2O3/TiN涂层刀具。可以预期，进一步研究PVD工艺技术，扩大多种多层涂层在不同刀具上的应用，必将取得更大的技术经济效益。其它硬质材料如TiB2、HfN、TiNB等均可作为涂层物质，但由于其物理机械性能与前述涂层系列相比无明显优势，因此在实际生产中应用很少。此外，CrN PVD涂层由于其韧性和耐磨性比较突出，特别适合用于各类模具的涂层处理。
金刚石涂层是近几年研究成功的新型刀具涂层材料，这种涂层刀具特别适用于加工非黑色金属及纤维材料。金刚石涂层的硬质合金刀片及整体硬质合金多刃刀具在加工印刷线路板和硅铝合金等方面已取得很大成功，工具寿命比未涂层硬质合金刀具提高数十倍。制备金刚石涂层的技术有CVD、PVD及PCVD多种，无论何种技术，只要能在刀具各几何面上均匀涂镀金刚石薄膜，有足够的结合强度，工艺控制稳定性能满足批量生产要求，就可在金刚石涂层刀具的工业化应用中取得良好的效益。那种把CVD制备的金刚石厚膜片焊接在硬质合金刀片刃部的方法，取代不了金刚石涂层技术在刀具中应用的地位。目前，金刚石涂层硬质合金立铣刀已有f2-12共94种规格，金刚石涂层硬质合金麻花钻已有100余种尺寸，金刚石涂层可转位刀片已有180余种规格，此外还有各种涂层的成型刀具。总之，今后金刚石涂层硬质合金刀具的品种规格及应用范围均将进一步扩大。
3 CVD、PVD技术在刀具涂层中的相互补充
自八十年代初TiN PCD涂层高速钢刀具投入工业应用以来，人们一直在探索能否用PVD代替CVD工艺对硬质合金刀片进行涂层。由于PVD工艺温度低，不会降低硬质合金刀片自身的强度，刀片刃部可磨得十分锋利，从而可降低机床的功率消耗。
尽管PVD有CVD难以比拟的优点，也可进行除a-Al2O3以外的多种硬质涂层，但实践表明，一般车削(部分铣削)刀片的TiC/Al2O3或TiC/Al2O3/TiN CVD涂层性能仍优于PVD涂层，这里除CVD可进行a-Al2O3涂层外，涂层与基体的结合强度比PVD涂层高也是其性能优于PVD涂层的一个重要因素。涂层硬质合金刀片的划痕试验表明，PVD涂层的临界载荷一般为30-40N，而CVD涂层的临界载荷可大于90N；CVD涂层的厚度可达7-10µm，而PVD涂层厚度必须控制在3-5µm，否则涂层易产生剥落现象。此外，硬质合金刀片CVD工业化涂层成本低于PVD，这也是CVD工艺应用更为广泛的原因之一。
今后，CVD和PVD两种工艺技术在刀具涂层中仍将并存和相互补充，并因其自身的优点而在刀具涂层比例中占有各自的份额。一般说来，高速钢等钢制工具、锋利的硬质合金精切刀片和硬质合金整体多刃刀具(如立铣刀、麻花钻等)采用PVD工艺涂层比较理想；其余大部分硬质合金刀片均可采用CVD工艺涂层。而且，CVD涂层技术也在不断发展，目前，除采用中温CVD(降低涂层温度)以减小硬质合金强度的降低幅度外，还可采用计算机精确控制单层涂层厚度，避免涂层形成柱状晶，以满足精切硬质合金刀片的涂层要求。图3所示为工业发达国家对目前工厂所用刀具情况的调查结果。由图可见，CVD、 PVD涂层在刀具中的应用比例为54.1%，尚有42%的刀具可采用涂层技术改善其性能。而且 CVD、PVD两种技术也可相互结合，取长补短，如目前已开发成功的PCVD涂层技术在进行金刚石涂层中已取得了较好效果。(end)
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(12/19/2004) |
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