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刀具塗層
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作者:佚名
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發佈時間: 2021-02-17
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通過化學或物理的方法在刀具表面形成某種薄膜（即鍍膜工藝），使切削刀具獲得優良的綜合切削性能，從而滿足高速切削加工的要求；自20世紀70年代初硬質塗層刀具問世以來，化學氣相沉積(CVD)技術和物理氣相沉積(PVD)技術相繼得到發展，爲刀具性能的提高開創了歷史的新篇章。塗層刀具與未塗層刀具相比，具有顯著的優越性：它可大幅度提高切削刀具壽命；有效地提高切削加工效率；提高加工精度並明顯提高被加工工件的表面質量；有效地減少刀具材料的消耗，降低加工成本；減少冷卻液的使用，降低成本，利於環境保護。
通過化學或物理的方法在刀具表面形成某種薄膜（即鍍膜工藝），使切削刀具獲得優良的綜合切削性能，從而滿足高速切削加工的要求；自20世紀70年代初硬質塗層刀具問世以來，化學氣相沉積(CVD)技術和物理氣相沉積(PVD)技術相繼得到發展，爲刀具性能的提高開創了歷史的新篇章。塗層刀具與未塗層刀具相比，具有顯著的優越性：它可大幅度提高切削刀具壽命；有效地提高切削加工效率；提高加工精度並明顯提高被加工工件的表面質量；有效地減少刀具材料的消耗，降低加工成本；減少冷卻液的使用，降低成本，利於環境保護。
刀具塗層的特點：
1，採用塗層技術可在不降低刀具強度的條件下，大幅度地提高刀具表面硬度，目前所能達到的硬度已接近100GPa；
2.隨着塗層技術的飛速發展，薄膜的化學穩定性及高溫抗氧化性更加突出，從而使高速切削加工成爲可能。
3.潤滑薄膜具有良好的固相潤滑性能，可有效地改善加工質量，也適合於乾式切削加工；
4.塗層技術作爲刀具製造的最終工序，對刀具精度幾乎沒有影響，並可進行重複塗層工藝。
常用的塗層:
1，氮化鈦塗層： 氮化鈦（TiN）是一種通用型PVD塗層，可以提高刀具硬度並具有較高的氧化溫度。該塗層用於高速鋼切削刀具或成形工具可獲得很不錯的加工效果。
2，氮化鉻塗層：CrN塗層良好的抗粘結性使其在容易產生積屑瘤的加工中成爲首選塗層。塗覆了這種幾乎無形的塗層後，高速鋼刀具或硬質合金刀具和成形工具的加工性能將會大大改善。
3，金剛石塗層：CVD金剛石塗層可爲非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金屬基複合材料(MMC)、高硅鋁合金及許多其它高磨蝕材料的理想塗層(注意：純金剛石塗層刀具不能用於加工鋼件，因爲加工鋼件時會產生大量切削熱，並導致發生化學反應，使塗層與刀具之間的粘附層遭到破壞)。
4，氮碳化鈦塗層：氮碳化鈦（TiCN）塗層中添加的碳元素可提高刀具硬度並獲得更好的表面潤滑性，是高速鋼刀具的理想塗層。
5，氮鋁鈦或氮鈦鋁塗層(TiAlN/AlTiN)：TiAlN/AlTiN塗層中形成的氧化鋁層可以有效提高刀具的高溫加工壽命。主要用於乾式或半乾式切削加工的硬質合金刀具可選用該塗層。根據塗層中所含鋁和鈦的比例不同，AlTiN塗層可提供比TiAlN塗層更高的表面硬度，因此它是高速加工領域又一個可行的塗層選擇。
6，此外還有類金剛石塗層(DLC)：
DLC具有很多優良的特性：高硬度-60GPa或Hv6000以上；低摩擦係數-0.06；極好的膜層緻密性；良好的化學穩定性以及良好的光學性能等。應用於刀具上的DLC塗層所表現出的特殊性能遠超過其它硬質塗層。塗以DLC的刀具主要應用包括：石墨切削，各種有色金屬（如鋁合金，銅合金等）切削，非金屬硬質材料（如亞克力，玻璃纖維，PCB材料）切削等。
由於DLC具有極低的摩擦係數（0.05~0.2）和自潤滑性，塗以DLC的刀具是幹切削的最好選擇。與沒有塗層的刀具相比，在乾式切削的條件下DLC塗層刀具的切削力可下降6%；。與其它塗層的刀具相比（如塗以TiN，TiAlN），在乾式切削的條件下DLC塗層刀具的切削力可下降23%；同樣也是因爲DLC的低摩擦係數可使金屬切削（鋁合金切削）的切削力大爲下降，從而大大降低能源消耗。在有冷卻液的切削條件下，DLC塗層刀具的切削力比沒有塗層刀具和其它塗層刀具下降18%，而且被加工的金屬表面粗糙度下降Ra0.04~R0.23um)，達到Ra0.38。
塗層技術及刀具塗層知識:
1，氮碳化鈦(TiCN)塗層比氮化鈦(TiN)塗層具有更高的硬度。由於增加了含碳量，使TiCN塗層的硬度提高了33%，其硬度變化範圍約爲Hv3000——4000(取決於製造商）。
2，CVD金剛石塗層：表面硬度高達Hv9000的CVD金剛石塗層在刀具上的應用已較爲成熟，與PVD塗層刀具相比，CVD金剛石塗層刀具的壽命提高了10——20倍。金剛石塗層刀具的高硬度，使得切削速度可比未塗層的刀具提高2——3倍，使CVD金剛氧化溫度是指塗層開始分解時的溫度值。氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN塗層的常溫硬度也許低於TiCN塗層，但事實證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN塗層在高溫下仍能保持其硬度的原因在於可在刀具與切屑之間形成數控微信號cncdar一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成爲硬質合金刀具的首選塗層，硬質合金鑽頭和立銑刀通常採用這種PVDTiAlN塗層石塗層刀具成爲有色金屬和非金屬材料切削加工的不錯選擇。
3，刀具表面的硬質薄膜對材料有如下要求：①硬度高、耐磨性能好；②化學性能穩定，不與工件材料發生化學反應；⑧耐熱耐氧化，摩擦係數低，與基體附着牢固等。單一塗層材料很難全部達到上述技術要求。塗層材料的發展，已由最初的單一TiN塗層、TiC塗層，經歷了 TiC—A12O3一TiN複合塗層和TiCN、TiAlN等多元複合塗層的發展階段，現在最新發展了TiN／NbN、TiN／CN，等多元複合薄膜材料，使刀具塗層的性能有了很大提高。
4，在塗層刀具製造過程中，一般根據塗層的硬度，耐磨性，高溫抗氧化性，潤滑性以及抗粘結性等幾個方面來選擇，其中塗層氧化性是與切削溫度最直接相關的技術條件。氧化溫度是指塗層開始分解時的溫度值，氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN塗層的常溫硬度也許低於TiCN塗層，但事實證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN塗層在高溫下仍能保持其硬度的原因在於可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成爲硬質合金刀具的首選塗層，硬質合金鑽頭和立銑刀通常採用這種PVDTiAlN塗層.
5，從應用技術角度講：除了切削溫度外，切削深度、切削速度和冷卻液都可能對刀具塗層的應用效果產生影響。
常用塗層材料進展及超硬塗層技術:
硬質塗層材料中，工藝最成熟、應用最廣泛的是TiN。目前，工業發達國家TiN塗層高速鋼刀具的使用率已佔高速鋼刀具的50％一70％，有的不可重磨的復 雜刀具的使用率已超過90％。由於現代金屬切削對刀具有很高的技術要求，TiN塗層日益不能適應。TiN塗層的耐氧化性較差，使用溫度達500℃時，膜層 明顯氧化而被燒蝕，而且它的硬度也滿足不了需要。TiC有較高的顯微硬度，因而該材料的耐磨性能較好。同時它與基體的附着牢固，在製備多層耐磨塗層時，常將TiC作爲與基體接觸的底層膜，在塗層刀具中它是十分常用的塗層材料。
TiCN和TiAlN的開發，又使塗層刀具的性能上了一個臺階。 TiCN可降低塗層的內應力，提高塗層的韌性，增加塗層的厚度，阻止裂紋的擴散，減少刀具 崩刃。將TiCN設置爲塗層刀具的主耐磨層，可顯著提高刀具的壽命。TiAlN化學穩定性好，抗氧化磨損，加工高合金鋼、不鏽鋼、欽合金、鎳合金時，比 TiN塗層刀具提高壽命3—4倍。在TiAlN塗層中如果有較高的Al濃度，在切削時塗層表面會生成一層很薄的非品態A12O3，形成一層硬 質惰性保護膜，該塗層刀具可更有效地用於高速切削加工。摻氧的氮碳化鈦TiCNO具有很高的顯微硬度和化學穩定性，可以產生相當於TiC十A12O3複合 塗層的作用。
在上述硬質薄膜材料中，顯微硬度HV能夠超過50GPa的有3種：金剛石薄膜、立方氮化硼CBN、氮化碳。
許多沉積金剛石薄膜的溫度要求爲600℃一900℃，因此該技術常用於硬質合金刀具表面沉積金剛石薄膜。金剛石硬質合金刀具的商品化，是近幾年塗層技術的重大成就。
CBN在硬度和導熱率方面僅次於金剛石，熱穩定性極好，在大氣中加熱至1000℃也不發生氧化。 CBN對於鐵族金屬具有極爲穩定的化學性能，與金剛石不宜加工鋼材不同，它可以廣泛用於鋼鐵製品的精加工、研磨等。CBN塗層除具有優良的耐磨損性能外，還可以在相當高的切削速度下加工耐熱鋼、鈦合金、淬火鋼，能切削高硬度的冷硬軋輥、摻碳淬火材料和對刀具磨損非常嚴重的Si—Al合金等。低壓氣相合成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。 CVD包括化學輸運PCVD，熱絲輔助加熱PCVD、ECR—CVD等；PVD則有反應離子束鍍、活性反應蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。CBN的合成技術，在基礎研究和應用技術方面都還有不少工作要做，包括反應機制和成膜過程、等離子體診斷和質譜分析、最佳工藝條件的確定、高效率設備的開發等。
氮化碳有可能具有達到或超過金剛石的硬度。合成氮化碳的成功，是分子工程學十分傑出的範例。作爲超硬材料的氮化碳，預期還有其它許多寶貴的物理化學性質，研究氯化碳成爲世界材料科學領域的熱門課題.
刀具塗層的特點：
1，採用塗層技術可在不降低刀具強度的條件下，大幅度地提高刀具表面硬度，目前所能達到的硬度已接近100GPa；
2.隨着塗層技術的飛速發展，薄膜的化學穩定性及高溫抗氧化性更加突出，從而使高速切削加工成爲可能。
3.潤滑薄膜具有良好的固相潤滑性能，可有效地改善加工質量，也適合於乾式切削加工；
4.塗層技術作爲刀具製造的最終工序，對刀具精度幾乎沒有影響，並可進行重複塗層工藝。
常用的塗層:
1，氮化鈦塗層： 氮化鈦（TiN）是一種通用型PVD塗層，可以提高刀具硬度並具有較高的氧化溫度。該塗層用於高速鋼切削刀具或成形工具可獲得很不錯的加工效果。
2，氮化鉻塗層：CrN塗層良好的抗粘結性使其在容易產生積屑瘤的加工中成爲首選塗層。塗覆了這種幾乎無形的塗層後，高速鋼刀具或硬質合金刀具和成形工具的加工性能將會大大改善。
3，金剛石塗層：CVD金剛石塗層可爲非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金屬基複合材料(MMC)、高硅鋁合金及許多其它高磨蝕材料的理想塗層(注意：純金剛石塗層刀具不能用於加工鋼件，因爲加工鋼件時會產生大量切削熱，並導致發生化學反應，使塗層與刀具之間的粘附層遭到破壞)。
4，氮碳化鈦塗層：氮碳化鈦（TiCN）塗層中添加的碳元素可提高刀具硬度並獲得更好的表面潤滑性，是高速鋼刀具的理想塗層。
5，氮鋁鈦或氮鈦鋁塗層(TiAlN/AlTiN)：TiAlN/AlTiN塗層中形成的氧化鋁層可以有效提高刀具的高溫加工壽命。主要用於乾式或半乾式切削加工的硬質合金刀具可選用該塗層。根據塗層中所含鋁和鈦的比例不同，AlTiN塗層可提供比TiAlN塗層更高的表面硬度，因此它是高速加工領域又一個可行的塗層選擇。
6，此外還有類金剛石塗層(DLC)：
DLC具有很多優良的特性：高硬度-60GPa或Hv6000以上；低摩擦係數-0.06；極好的膜層緻密性；良好的化學穩定性以及良好的光學性能等。應用於刀具上的DLC塗層所表現出的特殊性能遠超過其它硬質塗層。塗以DLC的刀具主要應用包括：石墨切削，各種有色金屬（如鋁合金，銅合金等）切削，非金屬硬質材料（如亞克力，玻璃纖維，PCB材料）切削等。
由於DLC具有極低的摩擦係數（0.05~0.2）和自潤滑性，塗以DLC的刀具是幹切削的最好選擇。與沒有塗層的刀具相比，在乾式切削的條件下DLC塗層刀具的切削力可下降6%；。與其它塗層的刀具相比（如塗以TiN，TiAlN），在乾式切削的條件下DLC塗層刀具的切削力可下降23%；同樣也是因爲DLC的低摩擦係數可使金屬切削（鋁合金切削）的切削力大爲下降，從而大大降低能源消耗。在有冷卻液的切削條件下，DLC塗層刀具的切削力比沒有塗層刀具和其它塗層刀具下降18%，而且被加工的金屬表面粗糙度下降Ra0.04~R0.23um)，達到Ra0.38。
塗層技術及刀具塗層知識:
1，氮碳化鈦(TiCN)塗層比氮化鈦(TiN)塗層具有更高的硬度。由於增加了含碳量，使TiCN塗層的硬度提高了33%，其硬度變化範圍約爲Hv3000——4000(取決於製造商）。
2，CVD金剛石塗層：表面硬度高達Hv9000的CVD金剛石塗層在刀具上的應用已較爲成熟，與PVD塗層刀具相比，CVD金剛石塗層刀具的壽命提高了10——20倍。金剛石塗層刀具的高硬度，使得切削速度可比未塗層的刀具提高2——3倍，使CVD金剛氧化溫度是指塗層開始分解時的溫度值。氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN塗層的常溫硬度也許低於TiCN塗層，但事實證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN塗層在高溫下仍能保持其硬度的原因在於可在刀具與切屑之間形成數控微信號cncdar一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成爲硬質合金刀具的首選塗層，硬質合金鑽頭和立銑刀通常採用這種PVDTiAlN塗層石塗層刀具成爲有色金屬和非金屬材料切削加工的不錯選擇。
3，刀具表面的硬質薄膜對材料有如下要求：①硬度高、耐磨性能好；②化學性能穩定，不與工件材料發生化學反應；⑧耐熱耐氧化，摩擦係數低，與基體附着牢固等。單一塗層材料很難全部達到上述技術要求。塗層材料的發展，已由最初的單一TiN塗層、TiC塗層，經歷了 TiC—A12O3一TiN複合塗層和TiCN、TiAlN等多元複合塗層的發展階段，現在最新發展了TiN／NbN、TiN／CN，等多元複合薄膜材料，使刀具塗層的性能有了很大提高。
4，在塗層刀具製造過程中，一般根據塗層的硬度，耐磨性，高溫抗氧化性，潤滑性以及抗粘結性等幾個方面來選擇，其中塗層氧化性是與切削溫度最直接相關的技術條件。氧化溫度是指塗層開始分解時的溫度值，氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN塗層的常溫硬度也許低於TiCN塗層，但事實證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN塗層在高溫下仍能保持其硬度的原因在於可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成爲硬質合金刀具的首選塗層，硬質合金鑽頭和立銑刀通常採用這種PVDTiAlN塗層.
5，從應用技術角度講：除了切削溫度外，切削深度、切削速度和冷卻液都可能對刀具塗層的應用效果產生影響。
常用塗層材料進展及超硬塗層技術:
硬質塗層材料中，工藝最成熟、應用最廣泛的是TiN。目前，工業發達國家TiN塗層高速鋼刀具的使用率已佔高速鋼刀具的50％一70％，有的不可重磨的復 雜刀具的使用率已超過90％。由於現代金屬切削對刀具有很高的技術要求，TiN塗層日益不能適應。TiN塗層的耐氧化性較差，使用溫度達500℃時，膜層 明顯氧化而被燒蝕，而且它的硬度也滿足不了需要。TiC有較高的顯微硬度，因而該材料的耐磨性能較好。同時它與基體的附着牢固，在製備多層耐磨塗層時，常將TiC作爲與基體接觸的底層膜，在塗層刀具中它是十分常用的塗層材料。
TiCN和TiAlN的開發，又使塗層刀具的性能上了一個臺階。 TiCN可降低塗層的內應力，提高塗層的韌性，增加塗層的厚度，阻止裂紋的擴散，減少刀具 崩刃。將TiCN設置爲塗層刀具的主耐磨層，可顯著提高刀具的壽命。TiAlN化學穩定性好，抗氧化磨損，加工高合金鋼、不鏽鋼、欽合金、鎳合金時，比 TiN塗層刀具提高壽命3—4倍。在TiAlN塗層中如果有較高的Al濃度，在切削時塗層表面會生成一層很薄的非品態A12O3，形成一層硬 質惰性保護膜，該塗層刀具可更有效地用於高速切削加工。摻氧的氮碳化鈦TiCNO具有很高的顯微硬度和化學穩定性，可以產生相當於TiC十A12O3複合 塗層的作用。
在上述硬質薄膜材料中，顯微硬度HV能夠超過50GPa的有3種：金剛石薄膜、立方氮化硼CBN、氮化碳。
許多沉積金剛石薄膜的溫度要求爲600℃一900℃，因此該技術常用於硬質合金刀具表面沉積金剛石薄膜。金剛石硬質合金刀具的商品化，是近幾年塗層技術的重大成就。
CBN在硬度和導熱率方面僅次於金剛石，熱穩定性極好，在大氣中加熱至1000℃也不發生氧化。 CBN對於鐵族金屬具有極爲穩定的化學性能，與金剛石不宜加工鋼材不同，它可以廣泛用於鋼鐵製品的精加工、研磨等。CBN塗層除具有優良的耐磨損性能外，還可以在相當高的切削速度下加工耐熱鋼、鈦合金、淬火鋼，能切削高硬度的冷硬軋輥、摻碳淬火材料和對刀具磨損非常嚴重的Si—Al合金等。低壓氣相合成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。 CVD包括化學輸運PCVD，熱絲輔助加熱PCVD、ECR—CVD等；PVD則有反應離子束鍍、活性反應蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。CBN的合成技術，在基礎研究和應用技術方面都還有不少工作要做，包括反應機制和成膜過程、等離子體診斷和質譜分析、最佳工藝條件的確定、高效率設備的開發等。
氮化碳有可能具有達到或超過金剛石的硬度。合成氮化碳的成功，是分子工程學十分傑出的範例。作爲超硬材料的氮化碳，預期還有其它許多寶貴的物理化學性質，研究氯化碳成爲世界材料科學領域的熱門課題.
