刀具涂层技术及其发展

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　　内容摘要:现代化的金属切削加工，对刀具的要求是高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数，从而使刀具的性能大大提高。

　　1现代金属切削对刀具的要求

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　　现代化的金属切削加工，对刀具的要求是高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数，从而使刀具的性能大大提高。

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　　自20世纪70年代初硬质涂层刀具问世以来，化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术相继得到发展，为刀具性能的提高开创了历史的新篇章。涂层刀具与未涂层刀具相比，具有显著的优越性：它可以提高加工效率，提高加工精度，延长刀具使用寿命，从而保证加工件的质量，降低加工成本。

　　2刀具硬质涂层新材料

　　2.1多元、复合硬质涂层材料的发展

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　　刀具表面的硬质薄膜对材料有如下要求：①硬度高、耐磨性能好；②化学性能稳定，不与工件材料发生化学反应；⑧耐热耐氧化，摩擦系数低，与基体附着牢固等。单一涂层材料很难全部达到上述技术要求。涂层材料的发展，已由最初的单一TiN涂层、TiC涂层，经历了TiC-Al2O3-TiN复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层的发展阶段，现在最新发展了TiN/NbN、TiN/CN，等多元复合薄膜材料，使刀具涂层的性能有了很大提高。

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　　硬质涂层材料中，工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。目前，工业发达国家TiN涂层高速钢刀具的使用率已占高速钢刀具的50%-70%，有的不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90%。由于现代金属切削对刀具有很高的技术要求，TiN涂层日益不能适应。TiN涂层的耐氧化性较差，使用温度达500℃时，膜层明显氧化而被烧蚀，而且它的硬度也满足不了需要。

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　　TiC有较高的显微硬度，因而该材料的耐磨性能较好。同时它与基体的附着牢固，在制备多层耐磨涂层时，常将TiC作为与基体接触的底层膜，在涂层刀具中它是十分常用的涂层材料。

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　　TiCN和TiAlN的开发，又使涂层刀具的性能上了一个台阶。TiCN可降低涂层的内应力，提高涂层的韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩散，减少刀具崩刃。将TiCN设置为涂层刀具的主耐磨层，可显著提高刀具的寿命。TiAlN化学稳定性好，抗氧化磨损，加工高合金钢、不锈钢、钦合金、镍合金时，比TiN涂层刀具提高寿命3—4倍。在TiAlN涂层中如果有较高的Al浓度，在切削时涂层表面会生成一层很薄的非品态Al2O3，形成一层硬质惰性保护膜，该涂层刀具可更有效地用于高速切削加工。掺氧的氮碳化钛TiCNO具有很高的显微硬度和化学稳定性，可以产生相当于TiC+Al2O3复合涂层的作用。一些过渡金属氮化物、碳化物、硼化物以及它们的多元复合化合物，有的具有相当高的硬度，这些材料都可以开发出来应用于涂层刀具，将会使涂层刀具的性能有新的突破。

　　2.2低压气相合成金刚石薄膜的应用

　　在上述硬质薄膜材料中，显微硬度HV能够超过50GPa的有3种：金刚石薄膜、立方氮化硼CBN、氮化碳β-C3N4。这些为数不多的超高硬度薄膜材料的出现，为涂层刀具硬质薄膜的发展开辟了十分稀少而昂贵的天然金刚石远远满足不了现代工业的需要。20世纪50年代中期，美国通用汽车公司人工合成了金刚石，得到颗粒状和粉末状金刚石。由于颗粒状金刚石加工困难，很难把它涂到刀具表面。机械行业常用的聚品金刚石刀片(PCD)也由于几何形状单一，无断屑槽和合理的几何参数，限制了其性能的发挥。70年代初采用低压化学气相沉积方法合成了金刚石薄膜，经过20多年的技术攻关，低压气相合成金刚石的技术终于有了重大突破，研究金刚石成为世界性的热门课题。

　　金刚石和石墨是同素异形体，金刚石品体是立方品系，属Fd3m空间群；而石墨是六角品系，属R3m空间群。由于原子之间的键合方式不同，使其性能差异十分巨大。从热力学的理论来看，石墨比金刚石更稳定。低压气相生长金刚石，在碳的相图中，是在石墨为稳态而金刚石为亚稳态的区域中进行。然而，由于两相的化学势十分接近，两相都能生成。低压气相合成金刚石的关键技术是抑制石墨相，促进金刚石相生长。常用的合成方法有热丝法，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，包括微波PCVD、电子回旋共振ECR—PCVD、直流和射频PCVD等方法，直流和高频电弧放电热等离子体法等。反应过程中输入的能量(如射频功率、微波功率等)、反应气体的激活状态和最佳配比、沉积过程的成核模式等，对于生成金刚石膜有决定性作用。衬底材料的晶型和点阵常数对金刚石膜成核生长影响很大，当金刚石相和石墨相在衬底上同时成核时，石墨相就会迅速生长。如果存在高浓度的原于氢就会对长出的石墨相起腐蚀作用而将石墨相除去，虽然它也能对金刚石相起腐蚀作用，但速度却慢得多，从而达到抑制石墨相生长的目的。许多沉积金刚石薄膜的温度要求为600℃-900℃，因此该技术常用于硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜。

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　　金刚石硬质合金刀具的商品化，是近几年涂层技术的重大成就。

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　　2.3立方氮化硼CBN薄膜技术尚待突破

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　　与人工合成金刚石薄膜相比，人工合成CBN薄膜的研究工作开展得较晚。BN有3种异构体：

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　　CBN立方品系闪锌矿结构，F43m空间群；h—BN六方品系石墨结构，P6/mmc空间群；w—BN六方品系纤锌矿结构，P63mc空间群。3种异构体的性能差别很大，h—BN具有与石墨极为相似的结构，质地很软。而w—BN和CBN中，B、N原子都要被此形成四配位结构，它们都是超硬材料。用高温高压方法得到的CBN是颗粒状晶体，最高显微硬度可达84.3GPa，CBN薄膜的最高显微硬度为61.8GPa，其综合性能并不亚于金刚石薄膜。CBN在硬度和导热率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至1000℃也不发生氧化。CBN对于铁族金属具有极为稳定的化学性能，与金刚石不宜加工钢材不同，它可以广泛用于钢铁制品的精加工、研磨等。CBN涂层除具有优良的耐磨损性能外，还可以在相当高的切削速度下加工耐热钢、钛合金、淬火钢，能切削高硬度的冷硬轧辊、掺碳淬火材料和对刀具磨损非常严重的Si-Al合金等。低压气相合成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化学输运PCVD，热丝辅助加热PCVD、ECR-CVD等；PVD则有反应离子束镀、活性反应蒸镀、激光蒸镀离子束辅助沉积法等。

　　CBN的合成技术，在基础研究和应用技术方面都还有不少工作要做，包括反应机制和成膜过程、等离子体诊断和质谱分析、最佳工艺条件的确定、高效率设备的开发等。

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　　2.4有可能超过金刚石硬度的氮化碳

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　　20世纪80年代末，美国科学家I’IU和Co-henE4’设计了类似p-Si3N4的新型化合物p-C3N4，采用固体物理和量子化学理论，计算了它的体模量、能带和品格常数，发现氮化碳的体模量达到金刚石的数值范围。由于物质的硬度与体模量成正比，这样序C3N4的硬度有可能达到金刚石的硬度，这引起世界各国科学家的关注。1994年，I’IU公布了他的研究新成果E53，他采用了可变品格模型分子动力学(VCS—MD)从头计算法，扩展了低能量C3N4固体的理论研究，指出C3N4可能具有3种结构：六角品系的p相、立方品系的闪锌矿结构和三角品系的类石墨结构。1996年，美国的Jeter和Hemley仍然采用第一性原理从头计算法，但改变了计算过程。使用初始条件时，采用共扼梯度法使电子自由度达到最小；使用边界条件时采用周期函数，将电子的波函数以平面波展开；使用了扩展标准守恒和强度守恒(ENHC)阳势。得到了5种结构的C3N4，它们分别是n相、p相、立方相缺陷闪锌矿结构、立方相硅锌矿E结构和类石墨相。除类石墨相以外，其它4种都是超硬材料。其中立方相硅锌矿E结构c—C3N4的体模量超过了金刚石。因此，氮化碳有可能具有达到或超过金刚石的硬度。

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　　合成氮化碳的成功，是分子工程学十分杰出的范例。作为超硬材料的氮化碳，预期还有其它许多宝贵的物理化学性质，研究氯化碳成为世界材料科学领域的热门课题。合成氮化碳的主要方法有直流和射频反应溅射法、激光蒸发和离子束辅助沉积法、ECR—CVD法、双离子束沉积法等。日本冈山大学采用电子束蒸发离子束辅助沉积法获得的氮化碳薄膜，达到目前氮化碳的最高显微硬度：63.8GPa。我国清华大学也获得60.8GPa的高硬度氮化碳。武汉大学合成的氮化碳硬度达到50.OGPa，并沉积到高速钢麻花钻上，获得非常好的钻孔性能。制备氮化碳超硬涂层的关键技术是避免石墨相的析出。

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　　3怎样提高涂层刀具的使用效果

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　　刀具材料的选用决定于切削条件，也决定于哪个面将被重磨。例如，如果刀具的前刀面被重磨，使用含钻的高速钢会更有利，因为在刀具前刀面无涂层之后’，这种钢更耐月牙洼磨损。刀具材料的进步，出现了高速钢、硬质合金、各种增韧陶瓷、铣基金属陶瓷、聚品金刚石和c—BN等材质刀具的使用，大大提高了金属切削的加工效率。每种材料的刀具有各自的优缺点，因而有特定的用途。

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　　涂层刀具对刀具几何形状提出了新的要求。一般认为，刀具几何形状的改进，如前角、排屑空间等，应集中在排屑能力上，以适应在更高的进给量和更高的速度下切削量的增加。涂层刀具有较高的加工效率，它允许有较高的进给量和切削速度(可增至原切削速度的2-3倍)。对于难加工材料，涂层对刀具性能改善较大。

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　　具有超硬涂层的刀具之所以磨损量小，是由于膜层超硬化合物的硬度高、熔点高、热化学稳定性优良所致。超硬化合物多为过渡金属的氮化物、碳化物和硼化物所组成。它们以强大的共价键结合，具有很低的标准生成自由能，构成了十分稳定的体系，在高温下硬度也不显著降低。这些膜层较之硬质合金和高速钢等刀具材料显示出更高的耐机械磨损和耐热磨损等方面的能力。

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　　镀膜条件、工艺参数、镀前基体预处理等对于优质涂层的制取是非常重要的。刀具表面的状态对涂层的附着力至关重要，被镀工件表面必须没有其它膜层、烧斑、锈斑、油污或其它沾污。工件要经过严格的喷砂和去油清洗，在真空中生长硬质膜前还要进行离子轰击清洗。

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　　不同涂层材料的刀具，使用效果是不一样的。低速切削，TiC涂层占有优势；高速切削，TiN较合适；HfN的热化学稳定性比TiN更高，适合于在更高的切削速度下工作。TiN和A1203涂层相比，高速切削时A1203涂层占有明显优势，而低速切削时TiN涂层刀具的使用寿命更长。

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　　刀具寿命与膜厚也有一定的关系。若以后刀面磨损为基准，随膜厚增加刀具寿命也会增加，但膜厚为5μm时达到饱和，即寿命不再明显增加；但如果以前刀面月牙洼深度为刀具寿命的基准，刀具寿命与膜厚成正比，未发现饱和现象。膜层太厚时易引起剥离，现在车刀的涂层厚度多为5µm-10µm。

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　　对于铣刀的硬质涂层，膜厚的影响却不相同。对钢制工件进行铣削加工时，无论采用哪种膜层，膜厚大约2μm时刀具寿命最长，膜厚再增加时寿命反而下降。但是对冲击作用较小的铸铁等进行加工时，最佳膜厚向更厚的方向变化。在铣削中，TiC涂层具有最好的效果，而Al2O3涂层却显示不出在车削加工中的优势。

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　　硬质合金刀具通常采用CVD法镀膜，但PVD镀膜处理几乎不造成刃口强度下降，PVD镀层硬质合金铣刀比CVD镀层更耐用。对于一般高速钢刀具的耐磨损性能，CVD涂层要优于PVD涂层，但精密的、形状复杂、价格昂贵、不可重磨的高速钢刀具多为PVD镀膜。

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　　要提高涂层刀具的使用效果、充分发挥硬质涂层的作用是一相当复杂的技术。为了达到优化组合，建立涂层刀具数据库，对不同的工件，通过计算机来选择刀具涂层材料和加工参数，情况就变得简单而有效，从而真正达到优质、高效、低成本的加工目标。【MechNet】

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