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刀具涂層及種類(lèi)

刀具涂層及種類(lèi)
自從20世紀60年代以來(lái),經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀的的發(fā)展,刀具表面涂層技術(shù)已經(jīng)成為提升刀具性能的主要方法。刀具表面涂層,主要通過(guò)提高刀具表面硬度,熱穩定性,降低摩擦系數等方法來(lái)提升切削速度,提高進(jìn)給速度,從而提高切削效率,并大幅提升刀具壽命。

一、涂層工藝
   
刀具涂層技術(shù)通??煞譃榛瘜W(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)兩大類(lèi)。
    1
CVD技術(shù)被廣泛應用于硬質(zhì)合金可轉位刀具的表面處理。CVD可實(shí)現單成份單層及多成份多層復合涂層的沉積,涂層與基體結合強度較高,薄膜厚度較厚,可達79μm,具有很好的耐磨性。但CVD工藝溫度高,易造成刀具材料抗彎強度下降;涂層內部呈拉應力狀態(tài),易導致刀具使用時(shí)產(chǎn)生微裂紋;同時(shí),CVD工藝排放的廢氣、廢液會(huì )造成較大環(huán)境污染。為解決CVD工藝溫度高的問(wèn)題,低溫化學(xué)氣相沉積(PCVD),中溫化學(xué)氣相沉積(MT-CVD)技術(shù)相繼開(kāi)發(fā)并投入實(shí)用。目前,CVD(包括MT-CVD)技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金可轉位刀片的表面涂層,涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。
    2
PVD技術(shù)主要應用于整體硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具的表面處理。與CVD工藝相比,PVD工藝溫度低(最低可低至80℃),在600℃以下時(shí)對刀具材料的抗彎強度基本無(wú)影響;薄膜內部應力狀態(tài)為壓應力,更適于對硬質(zhì)合金精密復雜刀具的涂層;PVD工藝對環(huán)境無(wú)不利影響。PVD涂層技術(shù)已普遍應用于硬質(zhì)合金鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。
物理氣相沉積(PVD)在工藝上主要有(1)真空陰極弧物理蒸發(fā)(2)真空磁控離子濺射兩種方式。

    1)陰極弧物理蒸發(fā)(ARC   真空陰極弧物理蒸發(fā)過(guò)程包括將高電流,低電壓的電弧激發(fā)于靶材之上,并產(chǎn)生持續的金屬離子。被離化的金屬離子以60100eV平均能量蒸發(fā)出來(lái)形成高度激發(fā)的離子束,在含有惰性氣體或反應氣體的真空環(huán)境下沉積在被鍍工件表面。真空陰極弧物理蒸發(fā)靶材的離化率在90%左右,所以與真空磁控離子濺射相比,沉積薄膜具有更高的硬度和更好的結合力。但由于金屬離化過(guò)程非常激烈,會(huì )產(chǎn)生較多的有害雜質(zhì)顆粒,涂層表面較為粗糙。
   
2)磁控離子濺射(SPUTTERING  真空磁控離子濺射過(guò)程中,氬離子被被加速打在加有負電壓的陰極(靶材)上。離子與陰極的碰撞使得靶材被濺射出帶有平均能量46eV的金屬離子。這些金屬離子沉積在放于靶前方的被鍍工件上,形成涂層薄膜。由于金屬離子能量較低,涂層的結合力與硬度也相應較真空陰極弧物理蒸發(fā)方式差一些,但由于其表面質(zhì)量?jì)?yōu)異被廣泛應用于有表面功能性和裝飾性的涂層領(lǐng)域中。


二、涂層種類(lèi)
   
由于單一涂層材料難以滿(mǎn)足提高刀具綜合機械性能的要求,因此涂層成分將趨于多元化、復合化;為滿(mǎn)足不同的切削加工要求,涂層成分將更為復雜、更具針對性;在復合涂層中,各單一成分涂層的厚度將越來(lái)越薄,并逐步趨于納米化;涂層工藝溫度將越來(lái)越低,刀具涂層工藝將向更合理的方向發(fā)展。

PVD

涂層種類(lèi)

涂層

特點(diǎn)

涂層硬度

HV

涂層厚度

μm

摩擦

系數

耐熱

溫度

涂層

顏色

應用范圍

TiN

單層

2300

2-3

0.6

600

金黃

應用最為普遍,具有高硬度高耐磨性寄耐氧化性;適合大多數切削刀具,也適合多數成形模具及抗磨損工件

TiCN

單層

2800

2-3

0.3

500

棕灰

具有較低的內應力,較高的韌性以及良好的潤滑性能;適合要求較低的摩擦系數而高硬度的加工環(huán)境。

TiAlN

單層

3100

2-3

0.3

750

紫藍

化學(xué)穩定性好,具有高熱硬性,極好的抗氧化和耐磨性,適合干切削場(chǎng)合。

CrN

單層

1800

2-3

0.2

700

銀灰

有著(zhù)顯著(zhù)的強潤滑性能和耐高溫特性,最適合銅類(lèi)金屬的切削刀具,以及耐磨耐腐零件的涂層

DLC

單層

2500

1-2

0.1-0.2

300

黑灰

優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕性能,摩擦系數極低,與基體結合力強。用于刀具時(shí),通常以TiAlN為基體配合使用,用以加工有色金屬、石墨等材料

A

(AHNO)

多層

3100

2-3

0.3

800

藍紫

AHNO獨特涂層配方,屬于多層復合高鋁涂層,具有高硬度,高耐磨性,較低的摩擦系數能優(yōu)點(diǎn)。在高溫下穩定性強,特別適合高速切削場(chǎng)合


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