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刀具涂層及種類

刀具涂層及種類
自從20世紀60年代以來,經過近半個世紀的的發展,刀具表面涂層技術已經成為提升刀具性能的主要方法。刀具表面涂層,主要通過提高刀具表面硬度,熱穩定性,降低摩擦系數等方法來提升切削速度,提高進給速度,從而提高切削效率,并大幅提升刀具壽命。

一、涂層工藝
   
刀具涂層技術通常可分為化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)兩大類。
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CVD技術被廣泛應用于硬質合金可轉位刀具的表面處理。CVD可實現單成份單層及多成份多層復合涂層的沉積,涂層與基體結合強度較高,薄膜厚度較厚,可達79μm,具有很好的耐磨性。但CVD工藝溫度高,易造成刀具材料抗彎強度下降;涂層內部呈拉應力狀態,易導致刀具使用時產生微裂紋;同時,CVD工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環境污染。為解決CVD工藝溫度高的問題,低溫化學氣相沉積(PCVD),中溫化學氣相沉積(MT-CVD)技術相繼開發并投入實用。目前,CVD(包括MT-CVD)技術主要用于硬質合金可轉位刀片的表面涂層,涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。
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PVD技術主要應用于整體硬質合金刀具和高速鋼刀具的表面處理。與CVD工藝相比,PVD工藝溫度低(最低可低至80℃),在600℃以下時對刀具材料的抗彎強度基本無影響;薄膜內部應力狀態為壓應力,更適于對硬質合金精密復雜刀具的涂層;PVD工藝對環境無不利影響。PVD涂層技術已普遍應用于硬質合金鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。
物理氣相沉積(PVD)在工藝上主要有(1)真空陰極弧物理蒸發(2)真空磁控離子濺射兩種方式。

    1)陰極弧物理蒸發(ARC   真空陰極弧物理蒸發過程包括將高電流,低電壓的電弧激發于靶材之上,并產生持續的金屬離子。被離化的金屬離子以60100eV平均能量蒸發出來形成高度激發的離子束,在含有惰性氣體或反應氣體的真空環境下沉積在被鍍工件表面。真空陰極弧物理蒸發靶材的離化率在90%左右,所以與真空磁控離子濺射相比,沉積薄膜具有更高的硬度和更好的結合力。但由于金屬離化過程非常激烈,會產生較多的有害雜質顆粒,涂層表面較為粗糙。
   
2)磁控離子濺射(SPUTTERING  真空磁控離子濺射過程中,氬離子被被加速打在加有負電壓的陰極(靶材)上。離子與陰極的碰撞使得靶材被濺射出帶有平均能量46eV的金屬離子。這些金屬離子沉積在放于靶前方的被鍍工件上,形成涂層薄膜。由于金屬離子能量較低,涂層的結合力與硬度也相應較真空陰極弧物理蒸發方式差一些,但由于其表面質量優異被廣泛應用于有表面功能性和裝飾性的涂層領域中。


二、涂層種類
   
由于單一涂層材料難以滿足提高刀具綜合機械性能的要求,因此涂層成分將趨于多元化、復合化;為滿足不同的切削加工要求,涂層成分將更為復雜、更具針對性;在復合涂層中,各單一成分涂層的厚度將越來越薄,并逐步趨于納米化;涂層工藝溫度將越來越低,刀具涂層工藝將向更合理的方向發展。

PVD

涂層種類

涂層

特點

涂層硬度

HV

涂層厚度

μm

摩擦

系數

耐熱

溫度

涂層

顏色

應用范圍

TiN

單層

2300

2-3

0.6

600

金黃

應用最為普遍,具有高硬度高耐磨性寄耐氧化性;適合大多數切削刀具,也適合多數成形模具及抗磨損工件

TiCN

單層

2800

2-3

0.3

500

棕灰

具有較低的內應力,較高的韌性以及良好的潤滑性能;適合要求較低的摩擦系數而高硬度的加工環境。

TiAlN

單層

3100

2-3

0.3

750

紫藍

化學穩定性好,具有高熱硬性,極好的抗氧化和耐磨性,適合干切削場合。

CrN

單層

1800

2-3

0.2

700

銀灰

有著顯著的強潤滑性能和耐高溫特性,最適合銅類金屬的切削刀具,以及耐磨耐腐零件的涂層

DLC

單層

2500

1-2

0.1-0.2

300

黑灰

優良的耐磨、耐腐蝕性能,摩擦系數極低,與基體結合力強。用于刀具時,通常以TiAlN為基體配合使用,用以加工有色金屬、石墨等材料

A

(AHNO)

多層

3100

2-3

0.3

800

藍紫

AHNO獨特涂層配方,屬于多層復合高鋁涂層,具有高硬度,高耐磨性,較低的摩擦系數能優點。在高溫下穩定性強,特別適合高速切削場合


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