1 涂層刀具、涂層材料及涂層方法

1. 涂層刀具的特點
   
   涂層刀具結(jié)合了基體高強度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優(yōu)點，提高了刀具的耐磨性而不降低其韌性。涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴大，使用涂層刀具可以獲得明顯的經(jīng)濟效益。一種涂層刀具可以代替數(shù)種非涂層刀具使用，因而可以大大減少刀具的品種和庫存量，簡化刀具管理，降低刀具和設(shè)備成本。但是刀具在現(xiàn)有的涂層工藝進行涂層后，因基體材料和涂層材料性質(zhì)差別較大，涂層殘留內(nèi)應(yīng)力大，涂層和基體之間的界面結(jié)合強度低，涂層易剝落，而且涂層過程中還造成基體強度下降、涂層刀片重磨性差、涂層設(shè)備復雜、昂貴、工藝要求高、涂層時間長、刀具成本上升等缺點。
   
   
2. 常用的涂層材料及性質(zhì)
   
   
   
   • 常用的涂層材料
     
     常用的涂層材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金剛石及復合涂層八大類數(shù)十個品種。根據(jù)化學鍵的特征，可將這些涂層材料分成金屬鍵型、共價鍵型和離子鍵型。
     
     
   • 涂層材料的性質(zhì)
     
     金屬鍵型涂層材料(如TiB₂、TiC、TiN、VC、WC等)熔點高、脆性低、界面結(jié)合強度高、交互作用趨勢強、多層匹配性好，具有良好的綜合性能，是最普通的涂層材料。共價鍵型涂層材料(如B₄C、SiC、BN、金剛石等)硬度高、熱脹系數(shù)低、與基體界面結(jié)合強度差、穩(wěn)定性和多層匹配性差。而離子鍵型材料化學穩(wěn)定性好、脆性大、熱脹系數(shù)大、熔點較低、硬度不太高。
   
   
   在這些涂層材料中，用的最多的是TiC、TiN、Al₂O₃、金剛石以及復合涂層。
   
   TiC耐磨性好，能有效地提高刀具的抗月牙洼磨損能力，適合于低速切削及磨損嚴重的場合；TiN涂層具有低的摩擦系數(shù)，潤滑性能好，能減少切削熱和切削力，適合于產(chǎn)生融合和磨損的切削；Al₂O₃的高溫耐磨性、耐熱性和抗氧化能力比TiC和TiN好，月牙洼磨損率低，適合于高速、大切削熱切削；金剛石涂層硬度和熱導性高，摩擦系數(shù)很低，適合于有色金屬合金的高速切削；而復合涂層綜合幾種涂層材料的特點，目前以雙涂層和三涂層組合居多。
   
   
3. 常用涂層方法
   
   目前常用的涂層方法是CVD(化學氣相沉積法)和PVD(物理氣相沉積法)，其它方法如等離子噴涂、火焰噴涂、電鍍、溶鹽電解等還存在較大的應(yīng)用局限性。
   
   CVD法是利用金屬鹵化物的蒸氣、氫氣和其它化學成分，在950～1050℃的高溫下，進行分解、熱合等氣、固反應(yīng)，或利用化學傳輸作用，在加熱基體表面形成固態(tài)沉積層的一種方法。CVD法工藝要求高，而且由于氯的侵蝕及氫脆變形可能導致涂層易碎裂、基體斷面強度下降，涂層硬質(zhì)合金時還易產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象而形成n相。近年來，中、低溫CVD法和PCVD法開發(fā)成功，改善了原有CVD工藝。
   
   PVD法起步晚、發(fā)展快、溫度低( 約300～500℃)，優(yōu)點很多，但涂層的均勻性不如CVD法，涂層與基體結(jié)合不太牢固，涂層硬度比較低，涂層優(yōu)越性未得到充分體現(xiàn)。PVD 法工藝要求比CVD 法高，設(shè)備更復雜，涂層循環(huán)周期長。目前常用的PVD方法有低壓電子束蒸發(fā)(LVEE)法、陰極電子弧沉積法(CAD)、三極管高壓電子束蒸發(fā)法(THVEE)、非平衡磁控濺射法(UMS)、離子束協(xié)助沉積法(IAD)和動力學離子束混合法(DIM)，其主要差別在于沉積材料的氣化方法以及產(chǎn)生等離子體的方法不同而使得成膜速度和膜層質(zhì)量存在差異。

2 涂層刀具的發(fā)展方向

1. 新型的涂層材料
   
   刀具涂層材料出現(xiàn)了很多新種類：TiCN基新涂層兼有TiC和TiN涂層良好的韌性和硬度，比常用的TiN刀具耐用度高2～4倍。此外，以TiCN為基的多元成分新涂層材料如(Ti，Zr)CN、( Ti，Al)CN、(Ti，Si)CN等紛紛出現(xiàn)。AlON涂層刀具產(chǎn)生的月牙洼磨損極小。TiAlN有很高的高溫硬度和優(yōu)良的抗氧化能力，涂層硬度高，抗氧化性能好，切削性能優(yōu)于TiN涂層，用于加工航天合金材料時的刀具壽命可提高1～4倍。CrC和CrN涂層是無鈦涂層，可有效地切削鈦和鈦合金以及鋁合金等其它軟材料。另外，Hf、Zr、Ta的碳化物與氮化物，Hf、Zr、Ti、N、Ta的硼化物，Hf、Zr、Ti、Be的氧化物等涂層材料均成功采用。
   
   值得一提的是美國Multi-Scientific Coating公司的類金剛石的碳涂層，使用熱陰極蒸發(fā)技術(shù)把碳沉積到刀具表面后，類金剛石碳涂層和基體結(jié)合良好，有很多金剛石相似的性能，有高的耐磨性和低的摩擦系數(shù)。其它ZrN，TiZrN類金剛石膜涂層(DLC)的應(yīng)用范圍也不斷拓展，主要用于加工有色合金。
   
   氮化鋁鈦涂層也由原先常使用的Ti_0.75Al_0.25N轉(zhuǎn)化為優(yōu)先使用Ti_0.5Al_0.5N，Ti_0.5Al_0.5N涂層抗氧化溫度為700℃，在空氣中加熱會在表面產(chǎn)生一層非晶態(tài)Al₂O₃薄膜，可以對涂層起保護作用。
   
   日本不二越公司開發(fā)出一種稱為SG的新型涂層，它由TiN、TiCN及Ti系膜三層組成，耐磨性優(yōu)于TiN涂層，且涂層與基體的結(jié)合強度高，表層為Ti系特殊膜層，具有極好的耐熱性。
   
   瑞士還開發(fā)出一種稱為“MOVIC”軟涂層的新工藝，即在刀具表面涂復一層固體潤滑膜二硫化鉬，刀具切削壽命數(shù)倍增加，且能獲得優(yōu)良的加工表面。其它硫族元素如WS₂等軟涂層也取得了一定進展。這些軟涂層在加工高強度鋁合金和貴重金屬方面有良好的應(yīng)用前景。
   
   近年來，高硬度的涂層開始出現(xiàn)。包括立方氮化硼(CBN)涂層、氮化碳(CN_X)、多晶氮化物超點陣涂層等。CBN涂層硬度達5200kgf/mm²，僅次于金剛石，可有效的切削淬火鋼和其它難加工合金。如果氮化碳(CN_X)涂層能夠形成b-C₃N₄，理論上可以計算出其硬度將超過金剛石。已經(jīng)有氮化碳合成的報道。多晶氮化物超點陣涂層是一種很有希望的新型刀具涂層，多晶TiN/NbN和TiN/VN超點陣涂層的硬度分別為5200kgf/mm²和5600kgf/mm²，超點陣涂層由于層內(nèi)或?qū)娱g位錯困難導致其硬度很高。
   
   
2. 新的涂層工藝方法
   
   隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了綜合PVD和CVD的PACVD法，另外，還有離子束濺射方法，中能離子束輔助沉積技術(shù)(IBAD)也可用于涂層，離子束輔助沉積兼有氣相沉積與離子注入的優(yōu)點。等離子輔助化學氣相沉積(PCVD)利用等離子體來促進化學反應(yīng)，可使沉積溫度降低到200～500℃。Sol-Gel法由于其自身的優(yōu)點也越來越受到人們的重視。
   
   MT-CVD(中溫化學氣相沉積)則在一定程度上克服了一般HD-CVD(高溫化學氣相沉積)的缺點，其沉積溫度低(700～900℃)，沉積速度快，涂層厚，工藝環(huán)鍍性好，對于形體復雜的工件涂層均勻，而且涂層附著力高，涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力小，是一種優(yōu)于HT-CVD的涂層工藝方法。
   
   涂層所用的基體范圍也在擴大，包括高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷都可以進行涂層。近幾年來陶瓷涂層硬質(zhì)合金刀具發(fā)展迅速，特別是Al₂O₃陶瓷由于其高化學穩(wěn)定性和耐氧化性特別適用于高速切削，在陶瓷涂層中所占比例較大。
   
   雖然刀具涂層工藝上獲得了長足的發(fā)展，特別是梯度涂層工藝，但總體說來涂層技術(shù)有待進一步提高。

3 結(jié)論