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刀具涂层的发展历程

发布时间:2020-09-07
  常规的过渡族金属氮化物涂层,像TiN、CrN等早已被广泛应用,但现代实际加工条件的愈加苛刻及更高的切削加工精度要求使得它们无法满足,故相继开发出成分多元化、功能多样化的涂层。新型涂层具有比传统涂层更高的硬度和抗高温氧化能力,已成为当今具涂层发展的重要方向。
  
  常规涂层
 
  (1)氮化钛(TiN)涂层:TiN是利用PVD技术制备的一种最常见涂层,不仅可以提高刀具硬度、韧性、使用寿命,而且还有较高的抗氧化温度,该涂层相对来说具有一定的抗腐蚀、抗氧化及耐磨损能力,故应用于高速钢切削刀具或成形工具可获得良好的加工质量。
 
  (2)碳化钛(TiC)涂层:TiC涂层是涂层技术初期最早被开发出来的一种单一涂层,涂层的的硬度比TiN高,较强的机械磨损性能和基体粘结力,在切削加工过程中可降低加工阻力和切削温度,其缺点是涂层脆性、韧性、抗弯强度较低,适合于刀具产生剧烈磨损及连续切削的场合。
 
  (3)氮碳化钛(TiCN)涂层:TiCN涂层是由TiN涂层加入合金化元素C,TiN晶格中部分氮原子被碳原子所取代而形成的同时具有TiN和TiC优点和特征的三元涂层。TiCN在摩擦学应用的磨损机制要优于TiN,这是因为TiCN涂层中C的存在作为润滑剂降低了摩擦磨损。但是,在温度高于400℃时该涂层就会失效,因此TiCN涂层适合运用于工作温度低于400℃高速钢刀具。
 
  (4)钛铝氮(TiAlN)涂层:TiAlN/AlTiN涂层是在TiN基本结构中Al替代Ti而形成的具有立方NaCl结构的复合涂层。该涂层中氧化铝的存在使薄膜导热性降低从而提高刀具的高温加工寿命。由于高硬度和耐磨性,以及良好的热稳定性能和时效硬化能力,是最先进的加工工艺(例如:高速干式切削)的首选耐磨材料之一。TiAlN比TiN涂层刀具具有高的硬度、氧化温度,好的红硬性、附着力,低的热膨胀系数及摩擦系数。切削性能优于TiN,可应用于铸铁、不锈钢、高温合金的高速切削或干式加工。
 
  (5)铝钛氮(AlTiN)涂层:AITiN和TiAlN涂层区别在于铝和钛的比例不同,AlTiN涂层优异的力学和热学性能被广泛的应用于耐磨领域,这很大程度上归功于铝含量的增加。与TiN涂层相比,AITiN涂层作为刀具的保护层,可减少磨损量及更大的冲击周期所导致的断裂。由于晶粒细化后组织结构更加致密,AlTiN涂层比TiAlN涂层硬度更高,同时兼具了TiAlN涂层优良的综合机械性能,是高速下式加工的一种理想涂层。
 
  (6)氮化铬(CrN)涂层:CrN涂层基于高硬度,高的热稳定性,抗磨损和抗腐蚀性能,是一种受欢迎的低摩擦涂层、极高的变形表面和大晶粒尺寸的CrN结构可以为润滑剂提供微储藏,从而使CrN涂层也适用于在润滑条件下工作的部件。另外,良好的抗粘结性能使CrN刀具涂层在容易产生积屑瘤及切削钛合金、铝等软材料加工中成为首选涂层。这种几乎无形的CrN涂层涂覆在高速钢、硬质合金材质的车刀、铣刀、成形刀具上,可大大改善刀具的加工性能,因此,在工程中得到了广泛应用。
 
  (7)金刚石(Diamond)涂层:CVD金刚石涂层在刀具上的应用比较成熟,可为非铁金属材料加工刀具提供最佳性能,是加工陶瓷、石墨、金属基复合材料(MMC)、高硅铝合金、碳碳复合材料、高磨蚀材料等的理想涂层,这是因为刀具的磨损主要是由粘结、腐蚀、扩散等引起的热、化学磨损,硬颗粒刻划作用所导致的的机械磨损(注意:纯金刚石涂层刀具热稳定性差,在高温条件下会失去硬度和碳化。除此之外,与铁有很强的亲和力。故不适合加工钢铁件,以避免破坏涂层与刀具间的粘附层)。金刚石涂层刀具有很高的热导率、抗高温氧化性,刀具寿命高于没有涂层的硬质合金刀具,最适合用于表面光洁度要求高、抗腐蚀磨损和抗磨粒磨损的切削加工情况。
 
  (8)立方氮化硼(c-BN):立方氮化硼主要是在高温高压工艺下由人工合成的立方聚晶氮化物,硬度和热导率仅次于金刚石,具有热膨胀、密度较小和良好的热稳定性,低断裂韧性的特点。更重要的是,立方氮化硼不仅有金刚石的许多优良特性而且几乎不与铁族元素发生反应,对于黑色金属具有优异的化学和热稳定性。立方氮化硼涂层除了良好的耐磨性,还能切削加工高硬度和对刀具有严重磨损的合金材料,因此,加工冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金、硬质合金等难加工材料时立方氮化硼往往成为最佳选择。切削、钻削、滚齿和攻丝等属于不同的加工,适用的涂层也各不相同,涂层结构方式有:单涂层、双涂层或多涂层、复合化合物涂层、梯度涂层、纳米涂层及纳米复合涂层等类型,各自有其特定的使用场合,进一步提高了刀具的使用寿命。
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