刀具涂层技术及其发展 1

2007年12月

Dec.2007

第24卷第4期Vol.24No.4

硬质合金CEMENTEDCARBIDE

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综合评述

刀具涂层技术及其发展

雒有成

(河南理工大学高等职业学院,河南焦作454000)

摘要随着切削技术向着高速、高效、干式的方向发展,刀具涂层技术得到了广泛的应用,并成为了左右切削技术发展的主要因素。本文介绍了各种刀具涂层材料、刀具涂层结构和刀具生长工艺的研究现状。对刀具涂层的发展方向提出了个人见解。关键词涂层刀具涂层材料涂层结构涂层工艺

作者简介:雒有成(1966--),男,本科,讲师。工作单位:河南理工大学高等职业学院。研究方向:机械加工。

随着现代化金属切削加工的发展,未来的刀具需要满足高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命等,并且需要适应高度自动化生产需求。传统无涂

层刀具由于高温性能差,易磨损已经无法适应现代高效、高精密加工的发展要求。涂层技术在刀具上的应用为现代化金属加工技术开辟了新的航线[1]。在切削加工中,刀具性能对切削加工效率、精度、加工表面质量等有着决定性的影响。刀具性能的两个关键指标———硬度和强度(韧性)之间又存在着矛盾,硬度高的材料往往强度和韧性低,而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。涂层技术通过改进刀具力学性能,有效调解了这两者的矛盾,同时刀具的耐磨性、高温强度等也得到大大改善。在相对较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜(如TiAlN、TiC、TiN、Al2O3等)组成的涂层刀具,是切削刀具发展的一次革命[2]。涂层刀具与未涂层刀具相比,具有明显的优越性:显著降低摩擦系数,改善刀具表面的摩擦学性能和排屑能力;显著提高耐磨性和抗冲击韧性,改善刀具的切削性能,提高加工效率和刀具寿命;提高刀具表面抗氧化性能,使刀具可以承受更高的切削热,有利于提高切削速度及加工效率,并扩大了干切削的应用范围,从而减少或消除切削液对环境的影响。在先进制造业中,硬质合金刀具及高性能高速钢刀具,80%以上都采用了表面涂层技术,CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。由于涂层刀具的切削速

度高、生产效率高,约80%的加工量由涂层刀具完成。本文重点关注以旋转刀具为对象的涂层技术及其发展。

1刀具涂层材料

刀具的涂层材料主要是一些具有高硬度的耐磨化合物。常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种[2]。近年来,涂层技术得到了飞速的发展,涂层材料方面,从最早的TiN涂层,已开发出TiCN、(Ti,Al)N、Al2O3、CrN、C3N4、ZrN等硬涂层及超硬涂层材料,以及MoS2、WS2、WC/C等软涂层材料,从而满足各种切削工艺的要求。1.1含钛硬涂层

氮化钛(TiN)是工艺最成熟,应用最早、最广泛的硬涂层材料。它具有较高的化学稳定性,可以大大减少刀具与工件之间的摩擦系数。目前工业发达国家TiN涂层高速钢刀具的使用率已经占高速钢刀具的50%~70%,有的不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90%。但是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,硬度较低,不能满足现代金属切削对刀具的技术要求[3]。

碳氮化钛(TiCN)是通过多元合金化方法,向TiN涂层中加入C元素得到的。由于C元素的引入,涂层的硬度和抗氧化温度都得到了提高。TiCN涂层

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