硬质合金刀具表面涂层技术的研究

2021-04-12

随着现代机械加工业朝着高精度、高速切削、硬加工代研磨、干加工(无冷却液)保护环境以及降低成本等方向发展，对刀具性能提出了相当高的要求。开发各种耐磨性能优越，能长时间进行稳定加工的切削材料是必然的发展趋势。

在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定的影响。刀具性能的两个关键指标—硬度和强度，它们之间总存在着矛盾，硬度高的材料强度低，而提高强度往往是以硬度的降低为代价。为了进一步提高硬质合金刀具的耐磨性，发展了硬质合金涂层。硬质合金的涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了硬质合金刀具月牙的磨损，涂层具有很高的摩擦系数，因而可以显著地提高其使用寿命。

所谓硬质合金涂层是指在硬质合金表面上涂覆一层硬度和耐磨性很高的物质。在刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜(如TiC，TiN，Al2O3等)组成的涂层刀具，能较好的解决刀具存在的强度和硬度之间的矛盾，这是切削刀具发展的一次革命。

这里对涂层硬质合金的特点，硬质合金涂层方法的机理、优点和缺点，以及硬质合金涂层的种类特点和应用进行了综述。

1、硬质合金涂层的特点

涂层硬质合金具有以下特点:

(1)涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。因此，涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性;

(2)涂层薄膜对基体的韧性影响不大;

(3)降低刀具与工件的摩擦系数;

(4)涂层硬质合金的寿命长等。

2、硬质合金涂层方法

硬质合金的涂层方法有高温化学气相沉积涂层(CVD)、物理气相沉积涂层(PVD)、等离子化学气相沉积涂层(IBVD)、中温化学气相沉积涂层(MTCH)和离子辅助物理气相沉积涂层(IBVD)等，最常用的方法是高温化学气相沉积涂层和物理气相沉积涂层，并且不同的涂层方法有不同的涂层机理、优点和缺点。

2.1　高温化学气相沉积涂层

高温化学气相沉积涂层自20世纪60年代出现以来，在硬质合金刀具上得到了极为广泛的应用。

2.1.1　高温化学气相沉积涂层的机理

高温化学气相沉积涂层是指在一定温度条件下，涂层材料的混合气体在硬质合金表面相互作用，使混合气体中的一些成分分解，并在硬质合金的表面形成金属或化合物的涂层。此方法的关键:

(1)作为涂层材料的混合气体与硬质合金表面的相互作用，即涂层材料的混合气体之间在硬质合金表面上反应来产生沉积，或通过涂层材料的混合气体的一个组分与硬质合金表面反应来产生沉积;

(2)该沉积反应必须在一定的能量激活条件下进行。

2.1.2　高温化学气相沉积涂层的优点

高温化学气相沉积涂层具有以下优点:

(1)高温化学气相沉积所需要涂层源的制备相对容易;

(2)可以实现TiC，TiN，TiCN，TiB，Al2O3等单层及多元层复合涂层;

(3)涂层与基体之间的结合强度高;

(4)涂层具有良好的耐磨性能。

2.1.3　高温化学气相沉积涂层的缺陷

虽然高温化学气相沉积涂层具有以上优点，但是，它还存在先天性的缺陷。其缺陷:

(1)涂层温度为900℃～1100℃，即涂层温度高，使涂层与基体之间容易产生一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀具脆性破裂，抗弯强度的下降;

(2)涂层内部为拉应力状态，使用时容易导致微裂纹的产生;

(3)在涂层过程中排放的废气、废液会造成工业污染，对环境的影响较大，与目前提倡的绿色工业相抵触，因此，在90年代中后期这种方法的发展受到了一定的制约。

2.2　物理气相沉积涂层

物理气相沉积涂层出现于20世纪70年代末期，其技术在高速钢刀具领域的成功应用，引起了世界各国的高度重视，人们在竞相开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，也对其应用领域的扩大进行了更加深入的研究，尤其是在硬质合金、陶瓷类刀具领域的应用。

2.2.1　物理气相沉积涂层的机理

物理气相沉积涂层是指真空条件下，用物理的方法将涂层材料汽化为原子、分子或电离成离子，再通过气相过程在硬质合金的表面沉积成涂层。此方法的过程可以分为三步:第一步是将涂层材料汽化，即使涂层材料蒸发、升华和分解等，成为涂层源;第二步是涂层材料的原子、分子或离子迁移到硬质合金表面的过程，在这一过程中，原子、分子或离子之间可能发生碰撞，产生离化、复合、反应、能量的变化和运行方向的改变等一系列复杂的过程;第三步是涂层的原子、分子或离子在硬质合金表面的吸附、堆集、形核和长大到最终形成涂层。

2.2.2　物理气相沉积涂层的优点

物理气相沉积涂层具有以下优点:

(1)与化学气相沉积层相比，物理气相沉积涂层的温度低，一般在600℃以下，对刀具材料的抗弯强度几乎没有影响;

(2)涂层内部为压应力状态，更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层;

(3)对环境不产生污染，符合目前绿色工业的发展方向;

(4)由于纳米级涂层的出现，使得物理气相沉积涂层刀具质量有了新的突破，这种涂层不仅结合强度高、硬度高和抗氧化性能好，还可以有效地控制精密刀具刃口形状及精度。

2.2.3　物理气相沉积涂层的缺陷

虽然物理气相沉积涂层具有以上优点，但是还存在如下一些缺陷:

(1)涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长和刀具的成本增加等;

(2)用此法生产的刀具抗冲击性能、硬度和均匀性比高温化学气相沉积涂层生产的刀具差，使用寿命也比高温化学气相沉积涂层生产的刀具短;

(3)涂层的刀具几何形状单一，限制其优越性的发挥;

(4)涂层与基体在冷却时由于收缩率不同而产生内应力和微裂纹。

2.3　等离子化学气相沉积涂层

由于高温化学气相沉积涂层和物理气相沉积涂层都具有一定的缺陷，所以，近几年来，国外采用高温化学气相沉积涂层和物理气相沉积涂层相结合的技术，开发出了等离子化学气相沉积涂层。

2.3.1　等离子化学气相沉积涂层的机理

等离子化学气相沉积涂层是指通过电极放电产生高能电子使气体电离成为等离子体，或者将高频微波导入含碳化物气体产生高频高能等离子，由其中的活性碳原子或含碳基团在硬质合金的表面沉积涂层的一种方法。

2.3.2　等离子化学气相沉积涂层的优点

等离子化学气相沉积涂层的优点:

(1)它利用等离子体促进化学反应，可以把涂层温度降至600℃以下;

(2)由于涂层温度低，在硬质合金基体与涂层材料之间不会发生扩散、相变或交换反应，因而基体可以保持原有的强韧性。

2.3.3　等离子化学气相沉积涂层的缺点

等离子化学气相沉积涂层的缺点:

(1)设备投资大，成本高，对气体的纯度要求高;

(2)涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害;

(3)对小孔孔径内表面难以涂层等。

2.4　中温化学气相沉积涂层

2.4.1　中温化学气相沉积涂层的机理

中温化学气相沉积涂层的机理与化学气相沉积涂层的机理相同，只是前者的涂层温度比后者的涂层温度低一些，中温化学气相沉积涂层的涂层温度一般为700℃～900℃。

2.4.2　中温化学气相沉积涂层的优点

中温化学气相沉积涂层的优点:

(1)沉积速度快;

(2)涂层厚;

(3)对于形体复杂的工件涂层均匀;

(4)涂层附着力高;

(5)涂层内部残余应力小。

由于这些使得这种方法易于工业化。因此，它是一种优于高温化学气相沉积涂层的涂层方法。

2.4.3　中温化学气相沉积涂层的缺点

中温化学气相沉积涂层的缺点:

(1)涂层层内部为拉应力状态，使用时容易导致微裂纹的产生;

(2)在涂层过程中排放的废气、废液会造成工业污染，对环境的影响较大，与目前提倡的绿色工业相抵触，因此，这种方法的发展受到了一定的制约。

2.5　离子辅助物理气相沉积涂层

2.5.1　离子辅助物理气相沉积涂层的机理

离子辅助物理气相沉积涂层是指在冷相沉积涂层的同时，用具有一定能量的离子束轰击不断沉积的物质，使沉积原子与基体原子不断混合，界面处原子相互渗透溶为一体，从而大大改善了涂层与基体的结合强度。

2.5.2　离子辅助物理气相沉积涂层的优点

离子辅助物理气相沉积涂层具有气相沉积和离子注入的优点。使沉积温度可以降低到200℃～500℃，因而可以在较低温度下制备C，N，B化合物，可用于因结合力欠佳而难以涂层的硬质合金。

2.5.3　离子辅助物理气相沉积涂层的缺点

离子辅助物理气相沉积涂层的缺点与等离子化学气相沉积涂层的缺点相同。

3、涂层硬质合金的种类

3.1　单渗层涂层硬质合金

常用的单渗层涂层硬质合金的材料有TiC，TiN，Al2O3，TiAlN，TiCN等，由于其特性不同，故适合的加工条件也不同。

3.1.1　TiC涂层硬质合金

TiC颜色为灰色，表面硬度为HV3000，开始氧化温度为400℃，密着强度一般。它表面硬度虽然高，但是附着力和耐热性比较低。

用TiC涂层的硬质合金最早出现是涂层刀具。它涂层的厚度5～7μm，硬度达HV2300～3250。用TiC涂层硬质合金的主要特点:涂层硬度高，且易于扩散到基体内，因而涂层与基体结合强度高，抗粘、耐用度较高和抗氧化性能好。这种涂层的硬质合金刀具对钢的摩擦系数小，适用于加工钢材，切削时刀具磨损小。但是，在涂层与基体之间会产生脱碳层(脆性相)，此脱碳层会随着涂层厚度的增大而增厚，导致刀片抗弯强度降低，脆性增加，切削时易崩刀。

3.1.2　TiN涂层硬质合金

TiN颜色为金黄色，表面硬度为HV2000，开始氧化温度为600℃，密着强度很好。它的热膨胀系数与高速钢相近，与高速钢的附着力好。

用TiN涂层的硬质合金涂层厚度为8～12μm，其主要特点:涂层硬度比TiC低，与基体的结合强度比TiC差。但是，TiN涂层导热性好，与铁基体材料的摩擦系数比TiC涂层小，所以，抗月牙磨损性能较好。此外，TiN涂层与基体之间不易产生脆性相，因此，涂层允许厚度比TiC涂层大。

3.1.3　TiCN涂层硬质合金

TiCN颜色为紫红色，表面硬度为HV2700，开始氧化温度为450℃，密着强度好。它具有TiN的密着强度好和TiC的耐磨性好的优点，硬度比TiN高，且摩擦系数小，对粘结性有一定的抑制作用。

用TiCN涂层硬质合金，可以降低涂层的内应力，提高涂层的韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩散，减少刀具崩刃。将TiCN作为涂层刀具的主涂层，兼有TiC的良好韧性和TiN的良好硬度，可以显著地提高刀具的使用寿命。

3.1.4　Al2O3涂层硬质合金

氧化铝(Al2O3)的特点是在高温下具有良好的热稳定性和化学性质，机械强度最高。

在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上，没有任何材料能与氧化铝(Al2O3)相比，但是由于氧化铝(Al2O3)与硬质合金基体的物理、化学性能相差太大，单一的氧化铝(Al2O3)涂层无法制成理想的涂层硬质合金刀具。多层涂层及相关技术的出现，使得涂层既可以提高与硬质合金基体的结合强度，同时又能具有多种材料的综合性能，用它涂层的硬质合金刀具适合于切削时产生大热量的场合。

3.1.5　TiAlN涂层硬质合金

TiAlN颜色为紫黑色，表面硬度为HV2800，开始氧化温度为800℃，密着强度很好。它的附着力比TiN涂层大，耐热性能优越，开始氧化温度高，所以适合于高速加工及高硬度钢加工。

用TiAlN涂层的硬质合金刀具的抗氧化性极好，高温硬度好，涂层材料开始分解的温度比其它涂层要高，这种特性可以使涂层硬质合金刀具避免受高温的危害，从而保护切削刃。TiAlN涂层硬质合金刀具适合模具的精加工，在无切削液的情况下，它可以高速切削淬火钢，而不受所产生的切削热影响。TiAlN涂层硬质合金刀具虽然有很高的热稳定性，在传统的切削参数下工作，切削性能优于TiN涂层，但是其寿命不比TiN涂层刀具长，只有在高速切削条件下，才能使其使用寿命大幅度提高。

3.2　多渗层涂层硬质合金

由于单一涂层材料无法满足对刀具综合机械性能的要求，涂层成分向多元化发展已成为必然趋势。其目的是为了综合利用各种涂层成分的优点，使其获得更好的综合性能。为满足不同的切削加工的要求，涂层成分会更为复杂、更具有针对性;每单层成分也会越来越薄，并且逐步趋于纳米化;涂层温度会愈来愈低;刀具涂层工艺则会向更合理的方向发展。常用的多渗层涂层硬质合金为TiC-TiN，TiC-TiCN-TiN，TiC-Al2O3，TiC-Al2O3-TiN4大类。前两类适用于普通半精及精切削加工，后两类适用于高速及重负荷切削。

3.2.1　TiC-TiN涂层硬质合金

用TiC-TiN涂层硬质合金刀具基体表面第一层为TiC，其厚度约为1μm，外层是TiN。其主要特点:基体表面先涂一层TiC，目的是获得良好的结合强度。接着是相互渗透的碳、氮化物复合涂层，最外层为TiN。这种复合涂层与单纯的TiC涂层相比较，其优点是导热系数大，抗粘附磨损性能较高，并且涂层与基体结合强度较高。即此复合涂层兼TiN涂层和TiC涂层的优点。

3.2.2　TiC-TiCN-TiN涂层硬质合金

TiC-TiCN-TiN涂层硬质合金的第一层为TiC，第二层为TiCN，第三层为TiN。第一层的TiC与硬质合金基体结合紧密，使得涂层不易脱落;第二层的TiCN为过渡层，它兼有TiC和TiN的特性，在第一层与第三层之间起到缓冲作用;第三层的TiN是利用TiN的硬度提高硬质合金刀具的耐磨性，延长刀具的使用寿命。

3.2.3　TiC-Al2O3涂层硬质合金

由于TiC与硬质合金基体结合紧密，使得涂层不易脱落，而TiC相与氧化铝(Al2O3)相的密排原子面相接触，因此，氧化铝(Al2O3)与TiC的面间粘结力被最大化，这样能获得致密而满意的氧化铝(Al2O3)涂层，并且这种涂层中的裂纹也很少，在切削过程中与硬质合金基体剥离的倾向也很小，可用于高速切削。

3.2.4　TiC-Al2O3-TiN涂层硬质合金

TiC-Al2O3-TiN涂层硬质合金刀具，在基体上涂覆的TiC涂层可以保证涂层与基体的牢固粘结，并使刀具在中、低速切削条件下具有高的抗机械磨损性能;在其上涂覆Al2O3涂层，则可获得在高温下良好的化学稳定性和绝热性，使刀具基体不会因温度太高而产生塑性变形，因而在高速切削时有高的耐用度;在Al2O3涂层上再涂覆一层TiN，则可使刀具的摩擦系数小，切屑能顺利排除，可降低切削温度和防止粘刀现象，减少刀具的月牙洼磨损，而且还可以减少积屑瘤的产生。

3.3　新渗层涂层硬质合金

目前国内外开发出了CrC和CrN涂层、Hf(Zr，Ti，Ta等)的碳化物和硼化物涂层和Hf(Zr，Ti，Al，Be等)的氧化物涂层。

CrC涂层的硬质合金刀具摩擦系数小(0.1～0.15)，抗氧化温度高。由于材料的亲和性，以上涂层硬质合金刀具不适合加工钛和钛合金类材料，而CrC和CrN涂层硬质合金是一种无钛涂层，可有限的切削钛、钛合金和铝，以及其它软材料。

对于Hf(Zr，Ti，Ta等)的碳化物和硼化物涂层，Hf(Zr，Ti，Al，Be等)的氧化物涂层的硬质合金刀具的报道还很少。

4、结论

(1)硬质合金涂层方法在不断地进步，日趋复杂化和多样化，从最初的高温化学气相沉积涂层发展为等离子化学气相沉积涂层、中温化学气相沉积涂层和离子辅助物理气相沉积涂层等。

(2)硬质合金涂层种类也在不断地更新，从单一的化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展，涂层层数也从几层到十几层。

以上内容摘自互联网

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