【刀具涂层】刀具涂层技术介绍

2021-05-10 浏览次数:48

现代制造业对机械加工提出更高的要求:提高加工效率、可靠性与精度。而刀具表面涂层技术作为一种解决方案,日益受到重视。

刀具表面涂层的优势

目前切削刀具制造领域有三大关键技术:刀具材料、切削加工工艺及涂层技术。涂层技术作为其中一大关键技术,能够带给刀具诸多优势。涂层技术之于刀具,可大幅度提高表面硬度,使刀具具有更好的耐磨性和切削性能,降低与工件的摩擦系数,改变热扩散途径从而保护刀具基体,改善使用效率等诸多优势。


4.刀具涂层材料

涂层材料发展于上世纪80年代,一般分为软涂层与硬涂层材料两大类,目前刀具采用的涂层材料多为硬涂层材料,一般分为硅化物、硼化物、氮化物、碳化物、氧化物、碳氮化物、金刚石及复合涂层,共计八大类数几十个品种。硬涂层材料包括了单层薄膜和复合薄膜,主要分为:以金刚石、TiSiN、TiAlSiN等为代表的超硬涂层、TiN/TiCN、Al2O3/TiN等多层复合涂层、TiCN、TiAlN、TiAlCN及润滑膜等多元复合金属的化合物及TiN、TiC、ZrN、CrN等过渡金属的氮化物和碳化物。

TiC和TiN涂层材料发展最早且在工业上有较为成熟的应用,TiC涂层的抗机械磨损性能良好,可以降低加工过程中的阻力,降低切削温度,有较高硬度和耐磨性,但性脆,不耐冲击。TiN材料具有较高的化学稳定性,但抗氧化能力弱,韧性和抗月牙洼磨损能力较弱,与铁基体亲和力小,摩擦系数低。TiN一般切削温度在300℃左右,当使用温度达到500℃的时候,膜层有明显的氧化烧蚀。

TiCN兼有TiC和TiN两种材料的特点,可降低涂层的内应力,提高韧性,增加涂层的厚度,阻止裂纹的扩展,减少崩刃,适合于要求较低摩擦系数又要求较高硬度的场合,如普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁的加工。

(Ti, Al)N在切削时会在刀刃界面上形成一层由一种非晶体的氧化铝组成的硬的惰性的保护膜,此膜的导热性差,可使切屑带走更多的切削热。(Ti, Al)N涂层具有良好的红硬性、抗氧化性及低的热传导系数,在高速切削中性能优异,它比TiN更能有效地用于连续高速车削,也适合于加工钛合金、镍合金不锈钢等工件。

相比于TiC和TiN涂层刀具,A12O3涂层刀具具有更高的切削性能。在进行钢件高速切削时,A12O3具有更好的化学稳定性和高温抗氧化能力,A12O3涂层在高温下硬度的降低较TiC涂层小,因此具有更好的抗磨损和抗热塑性变形的能力,具有较高的耐用度。

金刚石涂层硬度可达10000HV ,导热性强,摩擦系数较低,具有优异的力、热、光、电等性能以及高弹性模量和低摩擦系数,适用于有色金属合金的高速切削,具有广泛的应用前景。国内外研究表明金刚石涂层刀具已可实用于石墨电极、石墨模具、陶瓷生坯、航空高硅铝合金、碳纤维复合材料、手机外壳和零部件以及其他有色金属材料等加工领域。

纯金刚石涂层刀具不能用于加工钢件,因为加工钢件时所产生的切削热导致金刚石发生化学反应转变为石墨,使涂层与刀具之间的粘附层遭到破坏。

软涂层材料包含:MoS2, WS2, CaS2, TaS2/Mo, WC/C等,加工时,该涂层可在刀具表面形成固体润滑膜,使刀具材料具有很低的摩擦系数。目前国内进行软涂层刀具技术研究的较少,在干切削中应用软涂层刀具,可有效阻止粘结、减小摩擦、降低加工成本、提高刀具寿命,具有很大的发展潜力。


5.刀具涂层结构

涂层结构一般分为单涂层、多涂层、复合涂层、梯度涂层及纳米结构涂层等结构分类。

单涂层也叫普通涂层,只由一种成分构成,在薄膜的纵向生长方向上涂层成分稳定。在PVD技术发展初期一直采用单一涂层的技术,典型的单一涂层有TiCN等。

多涂层,由多种成分稳定、性能各异的薄膜叠加而成。常见的多层涂层由2种不同膜组成,层数可达十几层以上。每层薄膜尺寸最小为几十纳米,例如A1N+TiN涂层等。与单层涂层相比,多层涂层可有效地抑制粗大晶粒组织的生长,改善涂层组织状况。

采用PCD多层涂层结构的CBN材料刀具可应用于连续、断续切削的广泛加工领域,耐磨损性、耐破损性大幅提高。


对刀片进行TiCN-AL2O3-TIN多层涂层,涂层内层的TiCN与基体有较强的结合力和强度,中间的Al2O3作为一种有效的热屏障可允许有更高的切削速度,外层的TiCN保证了前刀面和后刀面的抗磨损能力,最外一层金黄色薄层的TiN使得容易辨别刀片的磨损状态。

TiN与A1N可形成一种纳米多层涂层,层数可达千余层,其与基体结合强度高,涂层硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剥离性强,而且可显著改善刀具表面粗糙度,其寿命是TiN、TiAlN涂层的2~3倍。


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