【刀具涂層】刀具涂層技術(shù)介紹

時間：2022-09-27作者：德耐納米科技（東莞）有限公司瀏覽：1406

現(xiàn)代制造業(yè)對機械加工提出較高的要求：提高加工效率、可靠性與精度。而刀具表面涂層技術(shù)作為一種解決方案，日益受到重視。

刀具表面涂層的優(yōu)勢

目前切削刀具制造領(lǐng)域有三大關(guān)鍵技術(shù)：刀具材料、切削加工工藝及涂層技術(shù)。涂層技術(shù)作為其中一大關(guān)鍵技術(shù)，能夠帶給刀具諸多優(yōu)勢。涂層技術(shù)之于刀具，可大幅度提高表面硬度，使刀具具有較好的耐磨性和切削性能，降低與工件的摩擦系數(shù)，改變熱擴散途徑從而保護刀具基體，改善使用效率等諸多優(yōu)勢。




4.刀具涂層材料

涂層材料發(fā)展于上世紀(jì)80年代，一般分為軟涂層與硬涂層材料兩大類，目前刀具采用的涂層材料多為硬涂層材料，一般分為硅化物、硼化物、氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、金剛石及復(fù)合涂層，共計八大類數(shù)幾十個品種。硬涂層材料包括了單層薄膜和復(fù)合薄膜，主要分為：以金剛石、TiSiN、TiAlSiN等為代表的超硬涂層、TiN/TiCN、Al2O3/TiN等多層復(fù)合涂層、TiCN、TiAlN、TiAlCN及潤滑膜等多元復(fù)合金屬的化合物及TiN、TiC、ZrN、CrN等過渡金屬的氮化物和碳化物。

TiC和TiN涂層材料發(fā)展較早且在工業(yè)上有較為成熟的應(yīng)用，TiC涂層的抗機械磨損性能良好，可以降低加工過程中的阻力，降低切削溫度，有較高硬度和耐磨性，但性脆，不耐沖擊。TiN材料具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，但抗氧化能力弱，韌性和抗月牙洼磨損能力較弱，與鐵基體親和力小，摩擦系數(shù)低。TiN一般切削溫度在300℃左右，當(dāng)使用溫度達到500℃的時候，膜層有明顯的氧化燒蝕。

TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的特點，可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴展，減少崩刃，適合于要求較低摩擦系數(shù)又要求較高硬度的場合，如普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵的加工。

(Ti, Al)N在切削時會在刀刃界面上形成一層由一種非晶體的氧化鋁組成的硬的惰性的保護膜，此膜的導(dǎo)熱性差，可使切屑帶走更多的切削熱。(Ti, Al)N涂層具有良好的紅硬性、抗氧化性及低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，在高速切削中性能優(yōu)異，它比TiN較能有效地用于連續(xù)高速車削，也適合于加工鈦合金、鎳合金不銹鋼等工件。

相比于TiC和TiN涂層刀具，A12O3涂層刀具具有較高的切削性能。在進行鋼件高速切削時，A12O3具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和高溫抗氧化能力，A12O3涂層在高溫下硬度的降低較TiC涂層小，因此具有較好的抗磨損和抗熱塑性變形的能力，具有較高的耐用度。

金剛石涂層硬度可達10000HV ,導(dǎo)熱性強，摩擦系數(shù)較低，具有優(yōu)異的力、熱、光、電等性能以及高彈性模量和低摩擦系數(shù)，適用于有色金屬合金的高速切削，具有廣泛的應(yīng)用前景。國內(nèi)外研究表明金剛石涂層刀具已可實用于石墨電極、石墨模具、陶瓷生坯、航空高硅鋁合金、碳纖維復(fù)合材料、手機外殼和零部件以及其他有色金屬材料等加工領(lǐng)域。

**剛石涂層刀具不能用于加工鋼件，因為加工鋼件時所產(chǎn)生的切削熱導(dǎo)致金剛石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭?，使涂層與刀具之間的粘附層遭到破壞。

軟涂層材料包含：MoS2, WS2, CaS2, TaS2/Mo, WC/C等，加工時，該涂層可在刀具表面形成固體潤滑膜，使刀具材料具有很低的摩擦系數(shù)。目前國內(nèi)進行軟涂層刀具技術(shù)研究的較少，在干切削中應(yīng)用軟涂層刀具，可有效阻止粘結(jié)、減小摩擦、降低加工成本、提高刀具壽命，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>




5.刀具涂層結(jié)構(gòu)

涂層結(jié)構(gòu)一般分為單涂層、多涂層、復(fù)合涂層、梯度涂層及納米結(jié)構(gòu)涂層等結(jié)構(gòu)分類。

單涂層也叫普通涂層，只由一種成分構(gòu)成，在薄膜的縱向生長方向上涂層成分穩(wěn)定。在PVD技術(shù)發(fā)展初期一直采用單一涂層的技術(shù)，典型的單一涂層有TiCN等。

多涂層，由多種成分穩(wěn)定、性能各異的薄膜疊加而成。常見的多層涂層由2種不同膜組成，層數(shù)可達十幾層以上。每層薄膜尺寸較小為幾十納米，例如A1N+TiN涂層等。與單層涂層相比，多層涂層可有效地抑制粗大晶粒組織的生長，改善涂層組織狀況。

采用PCD多層涂層結(jié)構(gòu)的CBN材料刀具可應(yīng)用于連續(xù)、斷續(xù)切削的廣泛加工領(lǐng)域，耐磨損性、耐破損性大幅提高。




對刀片進行TiCN-AL2O3-TIN多層涂層，涂層內(nèi)層的TiCN與基體有較強的結(jié)合力和強度，中間的Al2O3作為一種有效的熱屏障可允許有較高的切削速度，外層的TiCN保證了前刀面和后刀面的抗磨損能力，較外一層金黃色薄層的TiN使得容易辨別刀片的磨損狀態(tài)。

TiN與A1N可形成一種納米多層涂層，層數(shù)可達千余層，其與基體結(jié)合強度高，涂層硬度接近CBN，抗氧化性能好，抗剝離性強，而且可顯著改善刀具表面粗糙度，其壽命是TiN、TiAlN涂層的2～3倍。


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