浅谈涂层刀具的应用现状和发展前景

浅谈涂层刀具的应用现状和发展前景

摘要：随着新材料的出现，切削速度的提高，对刀具的要求是高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。涂层刀具的出现，使难加工材料以及新材料切削性能有了重大突破。本文从涂层刀具的概念入手，通过分析涂层刀具的发展历史和在金属切削加工中涂层刀具与普通刀具的性价对比来阐述涂层刀具的应用以及目前存在的问题，预测今后的发展前景。

关键词：涂层刀具切削加工应用

Abstract:With the emergence of new material, the increase of cutting speed on tool requirements, high cutting speed, high feed rate, high reliability, long life, high precision and good cutting control. Coated cutting tools appear, make hard processing materials and new materials cutting performance has been a major breakthrough. In this paper, through the analysis of coating tools, with its historical development in metal cutting processing, and general tool of price comparison on coated cutting tool application and present problems, forecast the development foreground henceforth

Key Words：Coated cutting tool Cuttingp rocessing Application

引言

对于机械行业来说，世界上目前发展的重要项目有:高速精密切削加工，少、无冷却润滑液的切削或干切削，高硬状态下切削加工。所有这些，以及现代新材料的出现，都对切削工具的技术要求越来越高。新形势下对切削加工还提出了特殊要求，如加工硬度50HRC 以上的硬加工、微润滑和无润滑的干切削不断涌现，使切削加工中的个性化特点日见显现。面对这些变化，若要求在刀具的设计和制造工艺或刀具材料的整体性能上来适应这些要求，技术上的难度是很大的，尤其对刀具材料而言，不仅在资源利用上极不经济，而且要求材料满足日趋复杂的综合切削性能，通常难以做到。而被加工材料的能级不断提高，如高强和超高强度材料、高韧性、难切削等材料层出不穷。

采用而涂层刀具是解决上述问题的最佳方案之一，涂层刀具对改善的刀具性能起着非常重要的作用。经涂层的刀具大大提高了加工效率、加工精度、延长了刀具寿命、降低了加工成本，由此可以说，现代制造业的发展推动了刀具业的发展。

1.涂层刀具的概述

1.1涂层刀具的定义

涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物（也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，涂层刀具的构成减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。

1.2涂层刀具的性能[4]

给刀具表面涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层，涂层通过延缓各种磨损过程(前刀面磨损、月牙洼磨损、缺口磨损、粘结磨损等)，超硬涂层延长了硬质合金刀具的使用寿命，提高了被加工零件的表面质量，通过高速、高进给加工显著提高了切削生产率。随着涂层技术的发展，越来越多的企业选择涂层刀具，使得涂层刀具成为了现代切削刀具的标志，在刀具的使用比例中已超过50%，下面就让我们分析一下涂层刀具的主要性能。

1.2.1刀具使用寿命延长

在相同的切削条件下，涂层刀具的使用寿命比未涂层刀具提高 3～5倍。在相同的切削条件下，相同刀具寿命时，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具提高20％～30％。例如：涂TiCN高速钢钻头在高强度钢上钻孔，与未涂层钻头相比，涂层钻头的使用寿命提高 7-9倍。

1.2.2刀具的切削抗力减少

在相同的切削条件下，涂层刀具的切削力小于未涂层者。如：涂覆TiC硬质合金刀具车削钢材与未涂层刀具对比，主切削力Fc可减小3％～4％，涂覆TiN或 TiCN复合涂层刀具的主切削力Fc约可减小6％，进给力F f与切深力 Fp的减小尤为显著。

1.2.3加工范围广，表面质量高

许多涂层刀具在加工中具有自润滑性和刀具前刀面的抗粘结性。如TiCN涂层刀具在加工中具有表面自润滑性，高速切削时表面质量较好。而CrN涂层刀具具有良好的抗粘结性，不易产生积屑瘤加工性能大大改善。金刚石涂层刀具，则可加工非铁金属材料，如石墨、金属基复合材料、高硅铝合金及其它高磨蚀材料等，均能获得较好表面质量。

1.3涂层刀具的优势

1.3.1高耐磨性和红硬性

由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高温。一般未涂层高速钢的硬度仅为62—68HRC，而涂层TiN单层材料后的表面硬度可达2300HV，红硬性更是达到500。与未涂层的刀具相比，涂层刀具适合于较高的切削速度，从而提高了加工效率，或能在相同的切削速度下，提高刀具寿命。[3]

1.3.2摩擦系数低

由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，例如TiN单层涂层摩擦系数为0.04，TiAlN摩擦系数为0.05等等，故涂层刀具的切削力小于未涂层刀具，加工的表面质量较高。

1.3.3涂层刀具具有良好的环保性

从环境保护的角度来看，迫切需要干加工技术的快速发展。涂层刀具由于具有良好的红硬性。抗氧化性及比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，成为干切削加工中最好的涂层刀具。

1.3.4涂层刀具具有良好的通用性

涂层刀具具有良好的综合切削性能，故具有较好的通用性，一种涂层刀具具有较宽的使用范围切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。[3]

2.涂层刀具在机械加工中的应用实例

2.1涂层刀具在钻削攻丝中的应用[4]

图1为涂层高速钢丝锥加工一定数量后的磨耗示意图，图2.2为未涂层高速钢丝锥加工同一数量工件后的磨耗示意图。图2.1显示，丝锥的TiN涂层开始出现剥落迹象，而高速钢基体牙型仍完整。图2.2显示，丝锥前刀面已经出现磨损点，边缘处已经磨圆，丝锥磨耗较大，牙型已不完整，需要重新研磨，而图2.3显示为涂层高速钢丝锥用更大数量工件后的磨耗示意图。图2.3显示丝锥TiN涂层出现部分剥落，但高速钢基体牙型较完整，齿阔仍为圆形，可继续使用。

图2.1涂层刀具图2.2没有涂层刀具图2.3有TiN涂层

2.2涂层刀具在车削中的应用[5]

从图2.4中可以看出硬质合金刀具在低速切削加工钛合金时，刀具的前、后刀面磨损形貌都是正常的弧形磨损。而从图2.4(b)中可以看出硬质合金刀具在高速切削加工钛合金时，刀具的后刀面发生严重的塑性变形，甚至在靠近刀尖处也出现塑性变形。这是由于在高速切削加工钛合金时，切削温度非常高，高的切削温度使得刀具的切削性能下降，刀具材料发生软化现象，在剧烈的摩擦和压力作用下，刀尖处发生塑性变形，从而使刀具失效。

从图2.5中可以看出硬质合金涂层刀具在低速切削加工钛合金时，刀尖部位出现一大

块的积屑瘤，这可能是由于刀具的涂层中含有Ti和Al元素，使得刀具涂层和钛合金工件有更强的亲和性，更容易发生积屑瘤。积屑瘤出现的初期，可以代替刀尖进行切削，从而起到保护刀尖的作用，但随着切屑不断的快速流出，积屑瘤不断受到冲击，当积屑瘤脱落时，其对刀具的破坏影响要大于粘结的小块切屑脱落时对刀具的破坏，同时还会造成切削系统的振动，影响加工表面质量。

2.4硬质合金刀具在不同切削状态下的切削性能。

2.5硬质合金涂层刀具在不同切削状态下的切削性能。

所以由此可以知道使用硬质合金刀具和硬质合金涂层刀具进行车削加工时，涂层刀具的使用寿命要大于硬质合金刀具的刀具寿命，当提高切削速度时，涂层刀具和硬质合金刀具的切削性能相差很小。在高速切削加工时，硬质合金刀具的后刀面会发生严重塑性变形，而涂层刀具则没有这般明显。

3.目前涂层刀具主要存在的问题

3.1涂层技术现状

刀具涂层技术迅速发展，涂层刀具得到了广泛应用。1969年德国克虏伯公司和瑞典山特维克公司研发成功了化学气相沉积（即CVD）涂层技术，并向市场推出了CVDTiC涂层硬质合金刀片产品。20世纪70年代初，美国本夏和拉格胡南研发了物理气相沉积（PVD）工艺，并于1981年将PVDTiN高速钢刀具产品推向市场。当时CVD涂层工艺温度约 1000℃，主要用于硬质合金刀具的表面涂层；PVD涂层工艺温度为500℃和500℃以下，主要用于高速钢刀具的表面涂层。后来，CVD和 PVD涂层技术不断迅速发展，在涂层材料、涂层设备和工艺等方面都有了很大进步，而且发展了多层材料的涂覆技术，使涂层刀具（刀片）的使用性能有了很大的提高。PVD涂层技术过去主要用于高速钢刀具，而近年来随着PVD涂层技术飞跃发展，也成功用于硬质合金刀具（刀片），占领了硬质合金涂层刀具（刀片）的一半阵地。现在，涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具（刀片）广泛应用，已占全部刀具使用总量的50%以上

3.2涂层刀具应用局限性

就目前而言，涂层刀具主要存在四种问题：

3.2.1涂层容易剥落

刀具寿命与膜厚有一定的关系，随膜厚增加刀具寿命也会增加，但膜层太厚时易引起剥离。加上目前我国涂层工艺尚不成熟，以现有涂层工艺进行涂层后，因基体材料涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层基体之间界面结合强度低，涂层易剥落。

3.2.2涂层质量不稳定

目前TiA1N涂层在成分、薄膜结构、致密性、结合强度以及均匀性等方面尚不成熟，由于涂层的不均匀性，影响了刀具整体的寿命和综合切削加工性能。

3.2.3涂层刀具的不可重磨性

涂层刀具在切削加工中，当涂层被磨穿时，刀具的损坏会急剧下降。由于涂层刀具的不可重磨性，无法保证连续切削中加工精度要求。

3.2.4涂层刀具价格昂贵

由于我国机械行业起步较晚，技术还距机械发达国家一截，涂层设备多数依赖进口，但由于涂层设备复杂、昂贵，涂层刀具工艺要求高、涂层时间长、这就致使刀具成本上升。

3.3我国涂层技术现状[7]

与国外相比，我国刀具PVD涂层技术对硬质合金刀具TiCN涂层的研究已取得突破，但国内市场的涂层产品仍以TiN涂层为主。分析其原因，我们可以发现，在早期PVD技术和装备在我国刀具生产骨干企业中在相当长一段时间内已可满足这些企业的生产要求，因此对国产PVD技术和设备的需求不太强烈，这在一定程度上影响了国产PVD设备在刀具制造领域的应用与发展。在技术的引进上，尽管八十年代国内引进了当时最先进的PVD技术，但当时PVD技术尚处于发展初期，设备引进费用昂贵、国内技术较差，也影响了国内涂层技术新工艺和装备的研发。在售后服务方面，到现在为止，国内大部分涂层设备生产厂还不能提供完整的刀具涂层工艺技术，这种技术不完整性给用户的生产带来许多技术问题；此外，由于设备生产厂不能提供长期技术服务，导致国产涂层设备难以保证长时期稳定、正常使用，从而极大限制了PVD涂层设备的推广应用。在价格方面，由于引进设备的高昂成本导致涂层价格居高不下，涂层费用甚至可超过刀具价格的50%；由于引进渠道不一，设备选择依据不同，导致设备工艺水平相差较大，影响了涂层刀具的使用效果；由于国产涂层刀具质量不稳定，涂层刀具检验标准不完备，因此在应用领域内造成了涂层价格高、涂层质量不稳定且涂层后刀具性能改善不明显的不良印象，严重影响了刀具涂层技术的推广应用和快速发展。

4.涂层刀具的发展方向

涂层刀具的发展主要体现在涂层材料的发展，涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低；以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初单一涂层TiC、TiN，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的 TiCN、TiA1N、TiA1N多元、超薄、超多层涂层与 TiC—A1203-TiN等涂层的复合，在复合涂层中，各单一成分涂层的厚度将越来越薄，并逐步趋于纳米化。加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前，又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。近年来，高硬度涂层开始出现。如立方氮化硼(CBN)涂层、氮化碳(CNX)、多晶氮化物超点阵涂层等，CBN涂层硬度达5200kgf／mm2，仅次于金刚石，可有效切削淬火钢其它难加工合金。

4.1涂层材料的发展[12]

4.1.1涂层成分多元化

涂层成分多元化随着机械工业的发展。人们发现单元涂层已经不能满足生产的需求。而且由于单元涂层刀具的基材与涂层材料的硬度、弹性模量及热膨胀系数不匹配。晶格类型也不一样。致使基体与涂层之间产生残余应力，结合力不强。在单涂层中加入新的元素(如加入铝Al、氩Y提高抗氧化性，加入矾V等材料提高抗磨损性，加入硅Si提高硬度和抗化学扩散)制备出多元的刀具涂层材料，大大提高了刀具的综合性能。多元刀具涂层的发展中，最早出现的多元涂层是TiCN涂层，TiCN涂层兼有TiC和TiN涂层的良好韧性和硬度。近年来，以 TiCN为基的四元成分新涂层材料(如 TiZrCN、TiAICN、TiSiCN等)也纷纷出现。近几年，对涂层成分多元化的研究取得了丰硕的成果。前不久，日立公司研究出了号称跨世纪水平的CrsiN、TiSiN、Ti—BON等新型刀具涂层材料。在国内，成都工具研究所开发了国内首创的TiCNOAl和TiCNB两个系列共三种高性能多元复合涂层。具有优异的复合机械性能和优良的切削性能，主要用于汽车刀具及 Heael系列螺纹梳刀片上。其他的多元涂层材料还有TiMoN，TiCrN，NbCrN，NbZrN等。

4.1.2涂层材料多层涂层化

随着高速切削、干式切削等机械加工技术的的进步。单层涂层已不能满足对刀具涂层日益苛刻的工作要求。采用形成多层的方法。可在充分利用单层涂层原有力学性能优势的条件下，进一步提高硬度、韧性和高温抗氧化性能，是目前提高涂层刀具涂层切削性能的重要技术措施。TiN／AlN多层涂层是多层涂层中比较典型的一种，兼具传统复合材料和纳米材料两者的优越性。TiN和AIN氮化物陶瓷都具有高熔点、高硬度、化学稳定性好的特点，多层涂层的硬度、抗氧化性能、耐磨性优于大周期的TiN，AlN纳米多层涂层。美国现在近 7O％的涂层刀具都是采用多层涂层。而且经美国专家实际调查发现，一般多层涂层刀具的寿命要比单涂层高1倍

4.1.3涂层基体梯度化

为了尽可能防止由于裂纹扩展而导致的材料失效，并有利于获得高性能的硬质合金切削工具材料，对基体进行梯度处理，使涂层基体表面区域形成立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域，提高涂层刀具的使用价值已经越来越普遍存在于当下涂层技术中。目前，梯度结构基体的涂层刀片在我国已有研究。并在少数硬合金企业中形成了产品。硬质合金涂层基体界面结构旧梯度结构硬质合金的制备方法有很多，大概可以归纳为两种主要的类型：

第一类方法称为构造法。通过在空间精确地叠材料而构成。这种方法为设计者获得性能优异的梯度结构硬质合金材料。但是采用构造法制备梯度结构硬质金时，由于在合金中存在比较明显的界面，且不同的材料其热膨胀系数可能有较大的差异。因而，可能会在合金的界面处产生应力集中，并且合金在冷却过程中会产生应力中。故应该对不同材料的热膨胀性能具有好的了解。并且尽量调整好不同层的成分颗粒的大小，以便不同层之间有相同的烧结速率。第二类制备梯度基体的方法为传输法。即成分与结构的梯度是利用自传输现象在构件内部形成的。它以传输为基础，利用流体的流动，原子的扩散或热传输材料中产生梯度，这种方法制备的材料应用范围较宽，目前大多数的梯度基体制备通过此方法获得。

4.2涂层工艺灵活化

涂层的另一趋势是工艺组合的多样化。从20世纪6O年代至今。涂层技术在刀具上的应用已发展了近50年。目前单一涂层无法适应现代切削加工中日趋复杂的工况和服役条件，为此，涂层多样化的工艺组合便应运而生。“渗氮／PVD”复合涂层技术就是其中的一种。另外，将CVD与PVD的工艺进行组合是涂层工艺多样化的一个重要的发展方向。

总结

近10年来，涂层技术在切削刀具上的应用得到了快速普及，涂层刀具已成为切削加工不可缺少的主流刀具。涂层刀具较好解决了刀具强度和韧性之间的矛盾，通过优化涂层的晶格结构、添加合金元素及多层涂层组合来提高涂层的强韧性，以适应不同的切削条件，大大提高了刀具的耐用度和切削速度。

为适应涂层工艺的发展，涂层的工艺装备也正向着集成化、模块化和智能化方向发展，并使涂层技术日趋个性化。随着汽车、航空航天、电子、军工等部门对特殊材料需求的增加，涂层刀具的应用也更显其优越性。目前涂层刀具攻坚难题是对具有纳米多层结构和纳米复合涂层新型刀具涂层材料以及具有特殊性能的刀具软涂层的研究、开发和应用。

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致谢

本论文是在指导教师强华老师的精心指导和其他老师、同学的帮助下完成的。在写作的过程中，强华老师从论文的选题到文章的结构和内容方面都给予我精心的指导。强华老师不辞辛苦的指导我如何搜集资料并对论文内容进行细致的指导。从强华老师的指导中，我学到了强华老师严谨的治学态度、平易谦和的为人态度和博学创新的思维，也学会了研究问题的思路和方法。衷心的感谢强华老师这段时间对我论文细心、认真的指导！

最后，感谢在论文写作过程中给予我帮助的所有老师以及同学们。