刀具涂层.docx

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1、涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体外表上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上而制备的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，削减了刀具与工件间的集中和化学反响，从而削减了基体的磨损。涂层刀具具有外表硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具寿命提高 35 倍以上，提高切削速度 20%70%，提高加工精度 0.51 级，降低刀具消消耗用 20%50%。现状涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过 50%。切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、

2、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成 形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可承受涂层工艺来提高它们的使用性能。类别涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料金刚 石或立方氮化硼刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片外表的断裂韧度可提高 10%以上， 可削减刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。型涂层技术Ti-Al-X-N 型涂层技术是利用气相沉积方法在高强度工具基体外表涂覆几微米高硬度、高耐磨性难熔 Ti-Al-X-N 涂层，从而到达削减刀具磨损，延长寿命，提高切削速度的目的。它是高档

3、数控机床与根底制造装备国家重大专项课题取得的重要成果。涂层方法生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积 PVD) 法和化学气相沉积CVD) 法。前者沉积温度为 500，涂层厚度为 25m；后者的沉积温度为 9001100，涂层厚度可达 510m，并且设备简洁，涂层均匀。因 PVD 法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般承受 PVD 法，硬质合金大多承受 CVD 法。硬质合金用 CVD 法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间简洁形成一层脆性的脱碳层 相，导致刀片脆性裂开。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可承受 PVD 法。国外还用 PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的

4、涂层工艺，称为 PACVD 法等离子体化学气相沉积法。即利用等离子体来促进化学反响，可把涂覆温度降至 400以下涂覆温度已可降至180200，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生集中、相变或交换反响，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼 CBN超硬涂层特别有效。涂层材料涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反响、耐热 耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着结实等要求。明显，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的 TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的阶段。开发的 TiCN、TiAlN、Ti

5、AlN 多元、超薄、超多层涂层与 TiC、TiN、Al2O3 等涂层的复合，加上型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全 面提高了刀具的性能。工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是 TiN，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转变 C、N 的成份掌握 TiCN 性质，并形成

6、不同成份的多层构造，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻挡裂纹的扩展，削减崩刃。所以，生产的一些刀片，如瑞典 Sandvik 公司推举用于加工钢料的 GC4000 系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的 CN 系列刀片、日本东芝公司的 T715X 和 T725X 涂层刀片中均有 TiCN 涂层成份。TiCN 基涂层适于加工一般钢、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 23 倍。硬质涂层TiAlN、CrN、TiAlCrN 是开发的硬质涂层材料。TiAlN 涂层刀片已商品化。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

7、比TiN 涂层高 34 倍。此外，TiAlN 涂层中假设有适宜的铝浓度，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。例如，美国 Kennametal 公司推出的 H7 刀片，系 TiAlN 涂层，是专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而设计的。CrN 是一种无钛涂层，适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其它软材料，化学稳定性好，不产生粘屑。TiAlCrN 是一种梯度构造涂层，不仅具有高的韧性和硬度，而且摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优于TiN。氮化钛涂层德国某公司开发了 Supernitride

8、 涂层系列，其中超级氮化钛涂层有很高的含铝量，可形成稳定的氧化层氧化温度达 1000，它比一般的 TiAlN 涂层更硬、更致密、更耐高温，适用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高达 58HRC 以上的淬火钢。纳米涂层此外，纳米超薄膜涂层工艺已日趋成熟。据报道，日本某公司推出了一种高速强力型钻 头，它是在韧性好的 K 类WC+Co硬质合金基体上交互涂覆了 1,000 层 TiN 和 AlN 超薄膜涂层，涂层厚度约 2.5 微米。使用说明，该钻头的抗弯强度与断裂韧性可大幅度提高，其硬度则与 CBN 相当，刀具寿命可提高 2 倍左右。该公司还开发出 ZX 涂层立铣刀，超薄膜镀层数达2,0

9、00 层，每层厚度约 1nm，用该立铣刀加工 60HRC 的高硬度材料，刀具寿命远高于 TiCN 和TiAlN 涂层刀具。第八届中国国际机床展览会CIMT2023上，瑞士某公司推出的纳米构造涂层AITiN/SiN) 立铣刀，其涂层硬度为 45GPa，氧化温度 1100，切削比照试验说明，其寿命比 TiN 涂层立铣刀高 3 倍，比 TiAlCN 涂层立铣刀高 2 倍。除上述 AITiN/SiN、TiAlCN 涂层外，还有特定功能的涂层，如 MoS2、DLC 润滑涂层，其摩擦因数小0.05，适于涂覆丝锥、钻头等刀具，可改善排屑性能，或者作为复合涂层的外表涂层，削减切屑的粘结。世界顶尖刀具涂层技术介

10、绍内容，由深圳机械展收集整理！更多数控刀具技术展现，就在深圳机械展-刀具展区！切削刀具外表涂层技术是近几十年应市场需求进展起来的材料外表改性技术。承受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。1. 刀具涂层的特点（1） 力学和切削性能好。涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。因此，涂层刀具的切削速度与未涂层的相比，切削速度可提高 25 倍，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。（2） 通用性强。涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，一种涂层刀具可以代替数种非涂

11、层刀具使用， 因而可以大大削减刀具的品种和库存量，简化刀具治理，降低刀具和设备本钱。2. 涂层的分类依据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相沉积Chemical Vapour Deposition，简称 CVD涂层刀具、物理气相沉积Physical Vapour Depositon，简称 PVD涂层刀具及混合工艺及组合技术。CVD 涂层原理如图 1a 所示，PVD 涂层原理如图 1b 所示。混合工艺是等离子关心 CVD 技术与传统的 PVD 技术进展有效的结合。比方先沉积传统的 CrN 硬质涂层，再在最上面沉积一层用于削减摩擦的 DLC 涂层。组合技术是涂层前对工具或零部件的外表层进展氮化，可

12、以提高涂层的成效。CVD 可以涂覆耐磨损性优异的 TiCN、耐热性格外优异的 Al2O3 厚膜，因此在产生高温的高速、高效率切削加工中能显示出长寿命，CVD 涂层如图 2a 所示。PVD 一般用在与无涂层硬质合金、高速钢一样或较高速的切削速度条件下，以延长刀具寿命为目标。对基体制约少、损伤小，因此特别适合用于要求耐磨损性、耐崩刃性的刀具，也适用于要求锐利刃口的低进给加工与精加工或螺纹加工工具等，PVD 涂层如图 2b 所示。依据涂层刀具基体材料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具以及在陶瓷和超硬材料金刚石和立方氮化硼上的涂层刀具等。涂层硬质合金刀具一般承受化学气相沉积法，沉积

13、温度在 1 000左右。涂层高速钢刀具一般承受物理气相沉积法，沉积温度在 500左右。金刚石涂层承受 CVD化学蒸镀法在硬质合金基体上合成。合成的涂层具备与自然金刚石相匹敌的硬度与导热系数，在非铁材料的加工中发挥着优异的性能。金刚石涂层刀具由于其良好的切削性能，在切削加工领域具有宽阔的应用前景，是加工石墨、金属基复合材料、高硅铝合金及很多其他耐磨蚀材料的抱负刀具，目前其主要应用领域是汽车和航空航天工业。金刚石涂层刀具的组织如图 3 所示。依据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，其主要优点是硬度高、耐磨性好，典

14、型的是 TiC 和 TiN 涂层，各种涂层刀具如图 4 所示。“软”涂层刀具是承受固体润滑剂如 MoS2、WS2 等制备的刀具，“软”涂层追求的目标是低摩擦系数，也称为自润滑刀具，它与工件材料的摩擦系数很低，只有 0.1 左右，可减小粘、减轻摩擦、降低切削力和切削温度。对刀具进展涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，涂层刀具的消灭，使刀具切削性能有了较大的提 高，应用领域不断扩大，涂层刀具在数控加工领域有巨大潜力，将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种。目前国外硬质合金可转位刀片的涂层比例在 70%以上，欧洲齿轮刀具的涂层比例高达 90%。涂层技术已应用于立铣刀、铰刀、复合孔加工工具、齿轮滚刀

15、、剃齿刀、成形拉刀及各种机夹可转位刀片，满足Inveio是对氧化铝涂层中单一晶体定向技术的一项突破，赐予刀片更高的耐磨性和更长的刀具寿命。高速切削加工各种钢和铸铁、耐热合金和有色金属等材料的需要。3. 涂层刀具的制备周密工具、零部件和功能件的型高性能涂层都是由涂层炉生产出来的。由于不同的应用需要不同种类的涂层，且需要快速的交货期，因此涂层炉必需要有足够的敏捷性，以保证生产不同系列的涂层都能有最正确的本钱效益。现代化的涂层设备能够在金属、陶瓷甚至是塑料的外表进展快速、稳定且全自动的涂层。现代涂层设备必需满足以下准则：单炉时间短。日常运营本钱低。敏捷性高。设备保养和备件费用本钱设计低。生产牢靠性高

16、。全自动操作。CE 认证，职业安全标准高。4. 涂层的选用为了更好地选择和进展刀具及零部件的最正确成效，需要鉴别其主要及特定的磨损性和失效机理。磨损、粘附、腐蚀和疲乏都视为磨损机理，而且都取决于实际的应用。阅历指出，材料的摩擦和磨损都不是材料的缘由，而是整个系统的缘由。因此，在选择涂层前就必需分析整个摩擦系统，包括零部件的技术性能、抗压力范围以及磨损机理的类型。5. 实际案例Inveio-单一晶体定向技术材料科技背景：在传统的 CVD 氧化铝涂层中，晶体的生长方向是随机的。在开发 Inveio时，我们的专家们找到了一种掌握该涂层中晶体生长的方法，以确保全部晶体都沿着一样的方向排列，并使最结实的

17、局部朝向顶面。您可以在下面的显微镜图片中看到这种情形，其中，每种晶体方向都被赐予一种独特的颜色。在传统的 CVD 氧化铝涂层中，晶体取向是随机的。通过 Inveio，氧化铝涂层中的全部晶体都沿着一样的方向朝向顶面排列。Inveio 的作用：严密排列的单向晶体在切削区域和铁屑间构造了一个结实的屏障。这极大程度地改进了抗月牙洼磨损和抗后刀面磨损特性。另一种作用是能够更快速地将热量从切削区域带走，从而有助于切削刃在更长时间的切削期间保持不变形。可推测性和长刀具寿命：案例 2：京瓷涂层技术产品简介：京瓷先进“KCRIOS”CVD 涂层以独创的结晶掌握技术与覆膜密度强度的提高，将CVD 图层带到了一个全

18、的阶段。车削涂层 CA5 系列结合最P 系列断屑槽，使车削从粗加工到精加工实现长寿命及优良的断屑效果，铣削CVD 涂层 CA420M 结合铣削 GM、GH、GL 及修光刃W 断屑槽使铣削刀具寿命更高，“KCRIOS”CVD 涂层使我们车削、铣削加工刀具实现长寿命、稳定加工。“KCRIOS”CVD 涂层的特点：Inveio对刀片强度、耐磨性和刀具寿命具有最大的单独影响。Inveio 涂层与刀片的全部其他元素相结合：基体、刃边处理和后处理工艺。它们可共同确保可推测的长刀具寿命。寿命延长：朝着高耐磨性与高崩损性的方向掌握-Al2O3 的结晶成长；-Al2O3 的结晶呈现柱状化/微小化，相比以往涂层更具有高硬度，高韧性。从而提高了刀具的寿命，并可对应多样加工。抑制涂层剥离：对界面的优化处理使其覆膜密着强度比以往提高了40%；-Al2O3 层与 TiCN 层的界面改善使其密着强度提高了 40%；抑制涂层剥离大幅提高了寿命稳定性。防止崩损：高纵横比 TiCN 层提高了覆膜强度与抗崩损性；TiCN 层与以往产品相比更加微小化。掌握结晶方向形成致密组织构造。大幅提高其耐磨损性。“KCRIOS”涂层结合车削、铣削丰富的断屑槽使加工更加稳定。