涂层刀具的优越性及最新技术发展

近30余年来，刀具涂层技术迅速发展，涂层刀具得到了广泛应用。1969年德国克虏伯（Krupp）公司和瑞典山特维克（Sandvik）公司研发成功了化学气相沉积（CVD）涂层技术，并向市场推出了CVDTiC涂层硬质合金刀片产品。20世纪70年代初，美国本夏（R.Runshan）和拉格胡南（A.Raghuran）研发了物理气相沉积（PVD）工艺，并于1981年将PVDTiN高速钢刀具产品推向市场。当时CVD涂层工艺温度约1000℃，主要用于硬质合金刀具（刀片）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。后来，CVD和PVD涂层技术不断迅速发展，在涂层材料、涂层设备和工艺等方面都有了很大进步，而且发展了多层材料的涂覆技术，使涂层刀具（刀片）的使用性能有了很大的提高。PVD涂层技术过去主要用于高速钢刀具，而近年来随着PVD涂层技术飞跃发展，也成功用于硬质合金刀具（刀片），占领了硬质合金涂层刀具（刀片）的一半阵地。现在，涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具（刀片）广泛应用，已占全部刀具使用总量的50%以上。涂层刀具的优越性在韧性较好的刀具（刀片）基体上进行表面涂层，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层（如TiN、TiC等），使刀具（刀片）具有全面、良好的综合性能。未涂层高速钢的硬度仅为62~68HRC（760~960HV），硬质合金的硬度仅为89~93.5HRA（1300~1850HV）；而涂层后的表面硬度可达2000~3000HV以上。①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（刀片）相比，涂层刀具允许采用较高的切削速度，从而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。②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（刀片）的切削力小于未涂层刀具（刀片）。③用涂层刀具（刀片）加工，零件的已加工表面质量较好。④由于涂层刀具（刀片）的综合性能良好，故涂层硬质合金刀片有较好的通用性，一种涂层硬质合金牌号的刀片具有较宽的使用范围。刀具涂层技术的发展和进步笔者多次参观了国际机床工具展览会，收集到很多资料，并听取了各大工具公司的技术报告，从而了解到刀具产品表面涂层技术的发展和进步。CVD涂层技术的进展过去，硬质合金刀具表面涂层采用高温化学气相沉积（HTCVD）工艺。在常压或负压的沉积系统中，将纯净的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等气体根据沉积物的成分，按一定配比均匀混和，依次涂到具备一定温度（一般为1000~1050℃）的硬质合金刀片表面，即在刀片表面沉积TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它们的复合涂层。直到现在，HTCVD仍是使用最多的工艺方法，除HTCVD外，还有等离子体化学气相沉积（PCVD）工艺，它是在硬质合金刀具（刀片）表面涂层的另一种方法，因这种涂层工艺温度较低（700~800℃），故刀片的抗弯强度降低。因为TiC与基体材料的线膨胀系数最接近，通常用TiC薄层先涂在基体表面上，外面再涂TiN、Al2O3，如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN等。后来，发展了各种不同组合的多层涂层。笔者在多次展览会上调查和统计了瑞典、德国、美国、日本、韩国、以色列和中国各公司的CVD涂层硬质合金刀片产品，涂层材料有以下组合：TiCN/Al2O3、TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/Al2O3、TiCN/Al2O3/TiN、TiCN/TiC/Al2O3/TiN、TiCN/Al2O3/TiCN、TiN,TiC/TiCN/TiN、TiN/TiCN/TiN等。可以看出，近年多用TiCN或TiN作底层，这是因为基体硬质合金有了改进，例如采用了梯度结构，才有可能用TiCN或TiN垫底。此外，TiN涂层不宜单独使用，因为与硬质合金相比，TiN的硬度提高不多，TiN必须与TiC、TiCN、Al2O3等组合使用。PVD涂层技术的进展早期，PVD涂层均采用“真空蒸镀法”，膜层往往不均匀，与基体的结合不够牢固，后发展了“真空磁控溅射法”和“真空等离子镀工艺”，效果很好。现在刀具表面涂层主要用后两种方法。早年，PVD涂层只用于高速钢刀具，涂层材料几乎只用TiN一种。后来，改进了涂层工艺，发展了多种涂层材料和多层涂层，在硬质合金刀具上也得到了大量的应用。涂层效果比以往大有进步。TiN涂层材料仍在使用，新兴的涂层材料是TiAlN和AlTiN，其使用效果优于TiN。欧洲的PVD涂层技术水平最高，领先于其他国家和地区。知名的厂商有欧瑞康巴尔查斯（OerlkonBalzers）公司、德国PVT等离子真空技术公司和丹麦尤尼莫克（Unimerco）公司等。他们的PVD涂层设备和工艺先进，涂层材料品种多，涂层刀具和其他产品使用性能好。国外一些知名的高速钢和硬质合金工具厂，都有涂层刀具（刀片）产品，但涂层设备和工艺多购自涂层技术的专业公司，或与之合作，而不是自行研制。据悉，瑞典山特维克公司和以色列伊斯卡公司的PVD涂层设备都是从欧瑞康巴尔查斯公司购进的。中国也应当这样做，这是一条既好又快的道路。例如，中国哈尔滨第一工具厂和德国PVT公司合作，成立了哈一工普威特镀膜合资股份公司。欧瑞康巴尔查斯公司在全球设有77个涂层中心，在中国苏州、天津和汉江各设有一个中心，中国邻近城市和地区的工具厂家，其涂层产品多在上述中心进行涂层。湖南株洲硬质合金厂和四川自贡长城硬质合金厂的涂层设备都是从国外引进的。CVD涂层新技术在超硬材料涂层方面的应用利用“热丝CVD法”、“等离子体喷射CVD法”、“火焰燃烧法”等工艺能在硬质合金或高速钢刀具表面沉积金刚石薄膜（10μm）。CVD金刚石膜的力学、物理性能介于天然金刚石和热压聚晶PCD金刚石之间，能够有效地加工有色金属。如增加沉积时间，可在基体或衬底（一般用硅片）上沉积出厚度大于0.5mm的厚膜。将厚膜从基体上剥离，并切割成一定形状的小块，再将小块钎焊在基体刀片（一般为硬质合金刀具）上使用。CVD厚膜金刚石刀具应用范围大于薄膜涂层刀具。在CIMT2007上，很多国内外刀具公司都有CVD薄膜金刚石涂层刀具产品，但只有少数厂家有厚膜产品。北京东方天地超硬材料工具公司能生产金刚石厚膜刀具产品，并且已有多年的经验。厚膜刀具应用范围较广，能加工各种有色金属、非金属硬材料及颗粒增强的复合材料等。PVD涂层新技术在超硬材料涂层方面的应用武汉大学物理系用直流反应磁控溅射法在刀具表面沉积出氮化碳（CxNy）超硬涂层薄膜，厚度只有几个微米，硬度可达40~50GPa。CxNy涂层刀具能切削黑色和有色金属。实验数据笔者对涂层高速钢和硬质合金刀具（刀片）的切削性能进行了长期的研究，进行了很多科学实验。兹介绍部分实验数据如下：①在相同的切削条件下，涂层刀具刀片的使用寿命比未涂层刀具（刀片）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%。②在相同的切削条件下，涂层刀具（刀片）的切削力小于未涂层者。笔者用涂覆TiC硬质合金刀片车削钢材与未涂层刀片对比，主切削力Fc可减小3%~4%，TiN或TiC/TiN涂层刀片的Fc约可减小6%，进给力Ff与切深力Fp的减小尤为显着。Al2O3涂层刀片与切削力的减小效果与TiN涂层刀片接近。③笔者曾用CVD涂层金刚石厚膜刀具，加工过硅铝合金、各种硬铝、铅黄铜、无氧铜、碘化钛以及纤维增强和颗粒增强的复合材料等，均取得较好效果。但用作超精密切削的刀具，其效果不如天然金刚石刀具。④笔者曾用CxNy涂层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CxNy，亦有显着效果。又曾在硬质合金刀片上涂覆CxNy，用以车削钢料，效果尚不够理想，其使用寿命不超过普通TiC涂层硬质合金刀片。中国的刀具涂层技术与工业发达国家相比尚有很大差距，涂层刀具的数量也差得很远，大致只占全部刀具的20%。其中数控机床和加工中心上使用得多一些，在普通的非数控机床上则少得可怜，原因是认识问题和价格等因素。我们应该努力提高刀具涂层技术和应用技术的水平，大力推广应用涂层刀具，促进切削加工和机械制造水平的提高。