涂层刀具的切削性能及发展趋势_刀具涂层

　　摘 要：切削刀具材料不仅需要有很高的硬度和耐磨性，而且需要有较好的抗弯强度和冲击韧性。这两方面的性能相互矛盾，难以兼顾。在刀具表面敷以涂层，是解决这一矛盾的有效方法。刀具材料表面有了涂层，其综合性能得到了明显的提高。本文将着重讨论涂层刀具的切削性能和发展趋势。
　　关键词：刀具；涂层；切削性能；存在的问题；发展趋势
　　中图分类号：TG71 文献标识码：A
　　
　　引言
　　制造业的发展离不开切削刀具，现代切削刀具已经成为提升制造业技术水平的关键因素之一，切削加工的要求日趋提高，如高速、高精度、高效、智能和环保等成为现代切削加工主要追求的目标。而被加工材料的能级不断提高，如高强和超高强度材料、高韧性、难切削等材料层出不穷。新形势下对切削加工还提出了特殊要求，如加工硬度50HRC以上的硬加工、微润滑和无润滑的干切削不断涌现，使切削加工中的个性化特点日见显现。面对这些变化，若要求在刀具的设计和制造工艺或刀具材料的整体性能上来适应这些要求，技术上的难度是很大的，尤其对刀具材料而言，不仅在资源利用上极不经济，而且要求材料满足日趋复杂的综合切削性能，通常难以做到。
　　采用而涂层刀具是解决上述问题的最佳方案之一，涂层刀具对改善的刀具性能起着非常重要的作用。经涂层的刀具大大提高了加工效率、加工精度、延长了刀具寿命、降低了加工成本，由此可以说，现代制造业的发展推动了刀具业的发展。 笔者曾多次参观苏州国际机床及工模具展览会，收集了许多相关资料，并听取了各大工具公司对新产品的介绍和技术分析，从而了解到涂层刀具技术的发展和进步。
　　1 涂层刀具的性能
　　刀具涂层技术主要有2大类：化学气相沉积(CVD)涂层技术，物理气相沉积(PVD)涂层技术。涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得。常用的涂层材料有氮化钛涂层（TiN）、氮碳化钛涂层（TiCN）、氮铝钛或氮钛铝涂层（TiAlN/AlTiN）、氮化铬涂层（CrN）、金刚石涂层（Diamond）等。CVD涂层工艺温度约1000℃，主要用于硬质合金刀具(的表面涂层；PVD涂层工艺温度为500℃和500℃以下，主要用于高速钢刀具的表面涂层。
　　1.1涂层刀具的性能
　　金属切削刀具中涂层通过延缓各种磨损过程(前刀面磨损、月牙洼磨损、缺口磨损、粘结磨损等)，超硬涂层延长了硬质合金刀具的使用寿命，提高了被加工零件的表面精度，通过高速、高进给加工显著提高了切削生产率。
　　1.1.1延长刀具使用寿命
　　在相同的切削条件下，涂层刀具的使用寿命比未涂层刀具提高3～5倍。在相同的切削条件下，相同刀具寿命时，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具提高20％～30％。
　　例如：涂TiCN高速钢钻头在高强度钢上钻孔，与未涂层钻头相比，涂层钻头的使用寿命提高7～9倍。在其他高速钢刀具上涂覆TiCN，亦有显著效果。
　　1.1.2减少刀具的切削抗力
　　在相同的切削条件下，涂层刀具的切削力小于未涂层者。如：涂覆TiC硬质合金刀具车削钢材与未涂层刀具对比，主切削力Fc可减小3％～4％，涂覆TiN或TiCN涂层刀具的Fc约可减小6％，进给力Ff与切深力Fp的减小尤为显著。
　　1.1.3加工范围广，表面质量高
　　许多涂层刀具在加工中具有自润滑性和刀具前刀面的抗粘结性。如TiCN涂层刀具在加工中具有表面自润滑性，高速切削时表面质量较好。而CrN涂层刀具具有良好的抗粘结性，不易产生积屑瘤加工性能大大改善。金刚石涂层刀具，则可加工非铁金属材料，如石墨、金属基复合材料、高硅铝合金及其它高磨蚀材料等，均能获得较好表面质量。
　　2涂层刀具的优势
　　涂层刀具的优势主要表现在具有良好的综合切削性能。如果将未涂层高速钢刀具与涂层高速钢刀具进行切削加工性对比，可以发现未涂层高速钢的硬度仅为62～68HRC，硬质合金的硬度仅为89～93.5HRA，而涂层后的表面硬度可达2000～3000HV以上。
　　2.1高耐磨性和红硬性
　　由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温。故与未涂层的刀具相比，涂层刀具适合于较高的切削速度，从而提高了加工效率，或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。
　　2.2摩擦系数低
　　由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故涂层刀具的切削力小于未涂层刀具，加工的表面质量较高。
　　2.3涂层刀具具有良好的通用性
　　涂层刀具具有良好的综合切削性能，故具有较好的通用性，一种涂层刀具具有较宽的使用范围。
　　2.4涂层刀具具有环保性
　　从环境保护的角度来看，迫切需要干加工技术的快速发展。N涂层刀具由于具有良好的红硬性、抗氧化性及比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，成为干切削加工中最好的涂层刀具。
　　3目前涂层刀具主要存在的问题
　　尽管近年来我国刀具涂层技术有了多元性发展，但与工业发达国家相比尚有很大差距，涂层技术还不够成熟，高端设备几乎完全依赖由国外引进，缺乏自主创新，因此在涂层工艺上很难有突破。目前涂层刀具存在的问题主要有以下几个方面：
　　3.1涂层容易剥落
　　刀具寿命与膜厚有一定的关系，随膜厚增加刀具寿命也会增加，但膜层太厚时易引起剥离。加上目前我国涂层工艺尚不成熟，以现有涂层工艺进行涂层后，因基体材料涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层基体之间界面结合强度低，涂层易剥落。
　　3.2涂层质量不稳定
　　目前TiAlN涂层在成分、薄膜结构、致密性、结合强度以及均匀性等方面尚不成熟，由于涂层的不均匀性，影响了刀具整体的寿命和综合切削加工性能。
　　3.2涂层刀具的不可重磨性
　　涂层刀具在切削加工中，当涂层被磨穿时，刀具的损坏会急剧下降。由于涂层刀具的不可重磨性，无法保证连续切削中加工精度要求。
　　 3.2 涂层刀具价格昂贵
　　由于我国涂层设备多数依赖进口，涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升。
　　4 涂层刀具的发展趋势
　　涂层刀具的发展主要体现在涂层材料的发展，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应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，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单一涂层TiC、Al2O3、TiN，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。
　　新开发的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC-Al2O3-TiN等涂层的复合，在复合涂层中，各单一成分涂层的厚度将越来越薄，并逐步趋于纳米化。加上新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。目前，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。
　　近年来，高硬度涂层开始出现。如立方氮化硼（CBN）涂层、氮化碳（CNX）、多晶氮化物超点阵涂层等，CBN涂层硬度达5200kgf/mm2，仅次于金刚石，可有效切削淬火钢其它难加工合金。
　　结束语
　　近10年来，涂层技术在切削刀具上的应用得到了快速普及，涂层刀具已成为切削加工不可缺少的主流刀具。涂层刀具较好解决了刀具强度和韧性之间的矛盾，通过优化涂层的晶格结构、添加合金元素及多层涂层组合来提高涂层的强韧性，以适应不同的切削条件，大大提高了刀具的耐用度和切削速度。
　　为适应涂层工艺的发展，涂层的工艺装备也正向着集成化、模块化和智能化方向发展，并使涂层技术日趋个性化。随着汽车、航空航天、电子、军工等部门对特殊材料需求的增加，涂层刀具的应用也更显其优越性。目前涂层刀具攻坚难题是对具有纳米多层结构和纳米复合涂层新型刀具涂层材料以及具有特殊性能的刀具软涂层的研究、开发和应用。
　　参考文献
　　[1]王启仲.金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2008（04）.
　　[2]吴道全.金属切削原理及刀具[M].重庆大学出版社，1999（11）.

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