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硬質(zhì)合金刀具表面涂層技術(shù)的研究
發(fā)布時間：2021-04-12
隨著現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)朝著高精度、高速切削、硬加工代研磨、干加工(無冷卻液)保護(hù)環(huán)境以及降低成本等方向發(fā)展，對刀具性能提出了相當(dāng)高的要求。開發(fā)各種耐磨性能優(yōu)越，能長時間進(jìn)行穩(wěn)定加工的切削材料是必然的發(fā)展趨勢。
在切削加工中，刀具性能對切削加工的效率、精度、表面質(zhì)量有著決定的影響。刀具性能的兩個關(guān)鍵指標(biāo)—硬度和強(qiáng)度，它們之間總存在著矛盾，硬度高的材料強(qiáng)度低，而提高強(qiáng)度往往是以硬度的降低為代價。為了進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金刀具的耐磨性，發(fā)展了硬質(zhì)合金涂層。硬質(zhì)合金的涂層作為一個化學(xué)屏障和熱屏障，減少了硬質(zhì)合金刀具月牙的磨損，涂層具有很高的摩擦系數(shù)，因而可以顯著地提高其使用壽命。
所謂硬質(zhì)合金涂層是指在硬質(zhì)合金表面上涂覆一層硬度和耐磨性很高的物質(zhì)。在刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜(如TiC，TiN，Al2O3等)組成的涂層刀具，能較好的解決刀具存在的強(qiáng)度和硬度之間的矛盾，這是切削刀具發(fā)展的一次革命。
(1)涂層刀具結(jié)合了基體高強(qiáng)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基體的韌性。因此，涂層硬質(zhì)合金具有高硬度和優(yōu)良的耐磨性;
(2)涂層薄膜對基體的韌性影響不大;
(3)降低刀具與工件的摩擦系數(shù);
硬質(zhì)合金的涂層方法有高溫化學(xué)氣相沉積涂層(CVD)、物理氣相沉積涂層(PVD)、等離子化學(xué)氣相沉積涂層(IBVD)、中溫化學(xué)氣相沉積涂層(MTCH)和離子輔助物理氣相沉積涂層(IBVD)等，最常用的方法是高溫化學(xué)氣相沉積涂層和物理氣相沉積涂層，并且不同的涂層方法有不同的涂層機(jī)理、優(yōu)點和缺點。
2.1 高溫化學(xué)氣相沉積涂層
2.1.1 高溫化學(xué)氣相沉積涂層的機(jī)理
高溫化學(xué)氣相沉積涂層是指在一定溫度條件下，涂層材料的混合氣體在硬質(zhì)合金表面相互作用，使混合氣體中的一些成分分解，并在硬質(zhì)合金的表面形成金屬或化合物的涂層。此方法的關(guān)鍵:
(1)作為涂層材料的混合氣體與硬質(zhì)合金表面的相互作用，即涂層材料的混合氣體之間在硬質(zhì)合金表面上反應(yīng)來產(chǎn)生沉積，或通過涂層材料的混合氣體的一個組分與硬質(zhì)合金表面反應(yīng)來產(chǎn)生沉積;
(2)該沉積反應(yīng)必須在一定的能量激活條件下進(jìn)行。
2.1.2 高溫化學(xué)氣相沉積涂層的優(yōu)點
高溫化學(xué)氣相沉積涂層具有以下優(yōu)點:
(1)高溫化學(xué)氣相沉積所需要涂層源的制備相對容易;
(2)可以實現(xiàn)TiC，TiN，TiCN，TiB，Al2O3等單層及多元層復(fù)合涂層;
(3)涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度高;
(4)涂層具有良好的耐磨性能。
2.1.3 高溫化學(xué)氣相沉積涂層的缺陷
雖然高溫化學(xué)氣相沉積涂層具有以上優(yōu)點，但是，它還存在先天性的缺陷。其缺陷:
(2)涂層內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，使用時容易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生;
(3)在涂層過程中排放的廢氣、廢液會造成工業(yè)污染，對環(huán)境的影響較大，與目前提倡的綠色工業(yè)相抵觸，因此，在90年代中后期這種方法的發(fā)展受到了一定的制約。
物理氣相沉積涂層出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末期，其技術(shù)在高速鋼刀具領(lǐng)域的成功應(yīng)用，引起了世界各國的高度重視，人們在競相開發(fā)高性能、高可靠性涂層設(shè)備的同時，也對其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大進(jìn)行了更加深入的研究，尤其是在硬質(zhì)合金、陶瓷類刀具領(lǐng)域的應(yīng)用。
物理氣相沉積涂層是指真空條件下，用物理的方法將涂層材料汽化為原子、分子或電離成離子，再通過氣相過程在硬質(zhì)合金的表面沉積成涂層。此方法的過程可以分為三步:第一步是將涂層材料汽化，即使涂層材料蒸發(fā)、升華和分解等，成為涂層源;第二步是涂層材料的原子、分子或離子遷移到硬質(zhì)合金表面的過程，在這一過程中，原子、分子或離子之間可能發(fā)生碰撞，產(chǎn)生離化、復(fù)合、反應(yīng)、能量的變化和運行方向的改變等一系列復(fù)雜的過程;第三步是涂層的原子、分子或離子在硬質(zhì)合金表面的吸附、堆集、形核和長大到最終形成涂層。
(3)對環(huán)境不產(chǎn)生污染，符合目前綠色工業(yè)的發(fā)展方向;
(4)由于納米級涂層的出現(xiàn)，使得物理氣相沉積涂層刀具質(zhì)量有了新的突破，這種涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高和抗氧化性能好，還可以有效地控制精密刀具刃口形狀及精度。
(3)涂層的刀具幾何形狀單一，限制其優(yōu)越性的發(fā)揮;
(4)涂層與基體在冷卻時由于收縮率不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和微裂紋。
2.3 等離子化學(xué)氣相沉積涂層
由于高溫化學(xué)氣相沉積涂層和物理氣相沉積涂層都具有一定的缺陷，所以，近幾年來，國外采用高溫化學(xué)氣相沉積涂層和物理氣相沉積涂層相結(jié)合的技術(shù)，開發(fā)出了等離子化學(xué)氣相沉積涂層。
2.3.1 等離子化學(xué)氣相沉積涂層的機(jī)理
等離子化學(xué)氣相沉積涂層是指通過電極放電產(chǎn)生高能電子使氣體電離成為等離子體，或者將高頻微波導(dǎo)入含碳化物氣體產(chǎn)生高頻高能等離子，由其中的活性碳原子或含碳基團(tuán)在硬質(zhì)合金的表面沉積涂層的一種方法。
2.3.2 等離子化學(xué)氣相沉積涂層的優(yōu)點
等離子化學(xué)氣相沉積涂層的優(yōu)點:
(1)它利用等離子體促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，可以把涂層溫度降至600℃以下;
2.3.3 等離子化學(xué)氣相沉積涂層的缺點
等離子化學(xué)氣相沉積涂層的缺點:
(1)設(shè)備投資大，成本高，對氣體的純度要求高;
(2)涂層過程中產(chǎn)生的劇烈噪音、強(qiáng)光輻射、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對人體有害;
(3)對小孔孔徑內(nèi)表面難以涂層等。
2.4 中溫化學(xué)氣相沉積涂層
2.4.1 中溫化學(xué)氣相沉積涂層的機(jī)理
中溫化學(xué)氣相沉積涂層的機(jī)理與化學(xué)氣相沉積涂層的機(jī)理相同，只是前者的涂層溫度比后者的涂層溫度低一些，中溫化學(xué)氣相沉積涂層的涂層溫度一般為700℃～900℃。
2.4.2 中溫化學(xué)氣相沉積涂層的優(yōu)點
中溫化學(xué)氣相沉積涂層的優(yōu)點:
(1)沉積速度快;
(2)涂層厚;
(3)對于形體復(fù)雜的工件涂層均勻;
(4)涂層附著力高;
(5)涂層內(nèi)部殘余應(yīng)力小。
2.4.3 中溫化學(xué)氣相沉積涂層的缺點
中溫化學(xué)氣相沉積涂層的缺點:
(1)涂層層內(nèi)部為拉應(yīng)力狀態(tài)，使用時容易導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生;
(2)在涂層過程中排放的廢氣、廢液會造成工業(yè)污染，對環(huán)境的影響較大，與目前提倡的綠色工業(yè)相抵觸，因此，這種方法的發(fā)展受到了一定的制約。
離子輔助物理氣相沉積涂層是指在冷相沉積涂層的同時，用具有一定能量的離子束轟擊不斷沉積的物質(zhì)，使沉積原子與基體原子不斷混合，界面處原子相互滲透溶為一體，從而大大改善了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。
離子輔助物理氣相沉積涂層具有氣相沉積和離子注入的優(yōu)點。使沉積溫度可以降低到200℃～500℃，因而可以在較低溫度下制備C，N，B化合物，可用于因結(jié)合力欠佳而難以涂層的硬質(zhì)合金。
TiC顏色為灰色，表面硬度為HV3000，開始氧化溫度為400℃，密著強(qiáng)度一般。它表面硬度雖然高，但是附著力和耐熱性比較低。
用TiC涂層的硬質(zhì)合金最早出現(xiàn)是涂層刀具。它涂層的厚度5～7μm，硬度達(dá)HV2300～3250。用TiC涂層硬質(zhì)合金的主要特點:涂層硬度高，且易于擴(kuò)散到基體內(nèi)，因而涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，抗粘、耐用度較高和抗氧化性能好。這種涂層的硬質(zhì)合金刀具對鋼的摩擦系數(shù)小，適用于加工鋼材，切削時刀具磨損小。但是，在涂層與基體之間會產(chǎn)生脫碳層(脆性相)，此脫碳層會隨著涂層厚度的增大而增厚，導(dǎo)致刀片抗彎強(qiáng)度降低，脆性增加，切削時易崩刀。
TiN顏色為金黃色，表面硬度為HV2000，開始氧化溫度為600℃，密著強(qiáng)度很好。它的熱膨脹系數(shù)與高速鋼相近，與高速鋼的附著力好。
用TiN涂層的硬質(zhì)合金涂層厚度為8～12μm，其主要特點:涂層硬度比TiC低，與基體的結(jié)合強(qiáng)度比TiC差。但是，TiN涂層導(dǎo)熱性好，與鐵基體材料的摩擦系數(shù)比TiC涂層小，所以，抗月牙磨損性能較好。此外，TiN涂層與基體之間不易產(chǎn)生脆性相，因此，涂層允許厚度比TiC涂層大。
TiCN顏色為紫紅色，表面硬度為HV2700，開始氧化溫度為450℃，密著強(qiáng)度好。它具有TiN的密著強(qiáng)度好和TiC的耐磨性好的優(yōu)點，硬度比TiN高，且摩擦系數(shù)小，對粘結(jié)性有一定的抑制作用。
用TiCN涂層硬質(zhì)合金，可以降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高涂層的韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴(kuò)散，減少刀具崩刃。將TiCN作為涂層刀具的主涂層，兼有TiC的良好韌性和TiN的良好硬度，可以顯著地提高刀具的使用壽命。
氧化鋁(Al2O3)的特點是在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)性質(zhì)，機(jī)械強(qiáng)度最高。
在抗氧化磨損和抗擴(kuò)散磨損性能上，沒有任何材料能與氧化鋁(Al2O3)相比，但是由于氧化鋁(Al2O3)與硬質(zhì)合金基體的物理、化學(xué)性能相差太大，單一的氧化鋁(Al2O3)涂層無法制成理想的涂層硬質(zhì)合金刀具。多層涂層及相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使得涂層既可以提高與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合強(qiáng)度，同時又能具有多種材料的綜合性能，用它涂層的硬質(zhì)合金刀具適合于切削時產(chǎn)生大熱量的場合。
TiAlN顏色為紫黑色，表面硬度為HV2800，開始氧化溫度為800℃，密著強(qiáng)度很好。它的附著力比TiN涂層大，耐熱性能優(yōu)越，開始氧化溫度高，所以適合于高速加工及高硬度鋼加工。
用TiAlN涂層的硬質(zhì)合金刀具的抗氧化性極好，高溫硬度好，涂層材料開始分解的溫度比其它涂層要高，這種特性可以使涂層硬質(zhì)合金刀具避免受高溫的危害，從而保護(hù)切削刃。TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具適合模具的精加工，在無切削液的情況下，它可以高速切削淬火鋼，而不受所產(chǎn)生的切削熱影響。TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具雖然有很高的熱穩(wěn)定性，在傳統(tǒng)的切削參數(shù)下工作，切削性能優(yōu)于TiN涂層，但是其壽命不比TiN涂層刀具長，只有在高速切削條件下，才能使其使用壽命大幅度提高。
由于單一涂層材料無法滿足對刀具綜合機(jī)械性能的要求，涂層成分向多元化發(fā)展已成為必然趨勢。其目的是為了綜合利用各種涂層成分的優(yōu)點，使其獲得更好的綜合性能。為滿足不同的切削加工的要求，涂層成分會更為復(fù)雜、更具有針對性;每單層成分也會越來越薄，并且逐步趨于納米化;涂層溫度會愈來愈低;刀具涂層工藝則會向更合理的方向發(fā)展。常用的多滲層涂層硬質(zhì)合金為TiC-TiN，TiC-TiCN-TiN，TiC-Al2O3，TiC-Al2O3-TiN4大類。前兩類適用于普通半精及精切削加工，后兩類適用于高速及重負(fù)荷切削。
用TiC-TiN涂層硬質(zhì)合金刀具基體表面第一層為TiC，其厚度約為1μm，外層是TiN。其主要特點:基體表面先涂一層TiC，目的是獲得良好的結(jié)合強(qiáng)度。接著是相互滲透的碳、氮化物復(fù)合涂層，最外層為TiN。這種復(fù)合涂層與單純的TiC涂層相比較，其優(yōu)點是導(dǎo)熱系數(shù)大，抗粘附磨損性能較高，并且涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高。即此復(fù)合涂層兼TiN涂層和TiC涂層的優(yōu)點。
TiC-TiCN-TiN涂層硬質(zhì)合金的第一層為TiC，第二層為TiCN，第三層為TiN。第一層的TiC與硬質(zhì)合金基體結(jié)合緊密，使得涂層不易脫落;第二層的TiCN為過渡層，它兼有TiC和TiN的特性，在第一層與第三層之間起到緩沖作用;第三層的TiN是利用TiN的硬度提高硬質(zhì)合金刀具的耐磨性，延長刀具的使用壽命。
由于TiC與硬質(zhì)合金基體結(jié)合緊密，使得涂層不易脫落，而TiC相與氧化鋁(Al2O3)相的密排原子面相接觸，因此，氧化鋁(Al2O3)與TiC的面間粘結(jié)力被最大化，這樣能獲得致密而滿意的氧化鋁(Al2O3)涂層，并且這種涂層中的裂紋也很少，在切削過程中與硬質(zhì)合金基體剝離的傾向也很小，可用于高速切削。
TiC-Al2O3-TiN涂層硬質(zhì)合金刀具，在基體上涂覆的TiC涂層可以保證涂層與基體的牢固粘結(jié)，并使刀具在中、低速切削條件下具有高的抗機(jī)械磨損性能;在其上涂覆Al2O3涂層，則可獲得在高溫下良好的化學(xué)穩(wěn)定性和絕熱性，使刀具基體不會因溫度太高而產(chǎn)生塑性變形，因而在高速切削時有高的耐用度;在Al2O3涂層上再涂覆一層TiN，則可使刀具的摩擦系數(shù)小，切屑能順利排除，可降低切削溫度和防止粘刀現(xiàn)象，減少刀具的月牙洼磨損，而且還可以減少積屑瘤的產(chǎn)生。
CrC涂層的硬質(zhì)合金刀具摩擦系數(shù)小(0.1～0.15)，抗氧化溫度高。由于材料的親和性，以上涂層硬質(zhì)合金刀具不適合加工鈦和鈦合金類材料，而CrC和CrN涂層硬質(zhì)合金是一種無鈦涂層，可有限的切削鈦、鈦合金和鋁，以及其它軟材料。
4、結(jié)論
(1)硬質(zhì)合金涂層方法在不斷地進(jìn)步，日趨復(fù)雜化和多樣化，從最初的高溫化學(xué)氣相沉積涂層發(fā)展為等離子化學(xué)氣相沉積涂層、中溫化學(xué)氣相沉積涂層和離子輔助物理氣相沉積涂層等。
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