国内外切削刀具涂层技术的发展

以柔克刚

　　切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。采用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。因此，涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。
4 @8 G$ `4 i! s2 C6 \. ?+ ^& M　　为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。我国的刀具涂层技术经过多年发展，目前正处于关键时期，即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求，国内各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。因此，充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势，瞄准国际涂层技术先进水平，有计划、按步骤地发展刀具涂层技术(尤其是pvd技术)，对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。
　　2.国外刀具涂层技术的现状及发展趋势
  |, T- U! \( a　　刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积(cvd)技术和物理气相沉积(pvd)技术两大类，分别评述如下。
　　2.1国外cvd技术的发展
　　二十世纪六十年代以来，cvd技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。由于cvd工艺气相沉积所需金属源的制备相对容易，可实现tin、tic、ticn、tibn、tib2、al2o3等单层及多元多层复合涂层的沉积，涂层与基体结合强度较高，薄膜厚度可达7～9μm，因此到八十年代中后期，美国已有85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理，其中cvd涂层占到99%；到九十年代中期，cvd涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占80%以上。
　　尽管cvd涂层具有很好的耐磨性，但cvd工艺亦有其先天缺陷：一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹；三是cvd工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染，与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触，因此自九十年代中期以来，高温cvd技术的发展和应用受到一定制约。八十年代末，krupp.widia开发的低温化学气相沉积(pcvd)技术达到了实用水平，其工艺处理温度已降至450～650℃，有效抑制了η相的产生，可用于螺纹刀具、铣刀、模具的tin、ticn、tic等涂层，但迄今为止，pcvd工艺在刀具涂层领域的应用并不广泛。九十年代中期，中温化学气相沉积(mt-cvd)新技术的出现使cvd技术发生了革命性变革。mt-cvd技术是以含c/n的有机物乙腈(ch3cn)作为主要反应气体、与ticl4、h2、n2在700～900℃下产生分解、化学反应生成ticn的新工艺。采用mt-cvd技术可获得致密纤维状结晶形态的涂层，涂层厚度可达8～10μm。这种涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性，并可通过高温化学气相沉积(ht-cvd)工艺在刀片表面沉积al2o3、tin等抗高温氧化性能好、与被加工材料亲和力小、自润滑性能好的材料。mt-cvd涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用，其寿命可比普通涂层刀片提高一倍左右。目前，cvd(包括mt-cvd)技术主要用于硬质合金车削类刀具的表面涂层，涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用cvd技术还可实现α-al2o3涂层，这是pvd技术目前难以实现的，因此在干式切削加工中，cvd涂层技术仍占有极为重要的地位。最常用的涂层：TiN，涂层颜色为金黄色，适合于加工低合金钢和不锈钢；TiCN(碳氮化钛)，涂层颜色为灰色，硬度比TiN要高，耐磨性更好，其进给速度和切削速度分别较TiN高出40%和60%；TiAlN，涂层为灰色或黑色，主要涂在硬质合金刀具基体表面。
文章关键词： 切削