涂层刀具的切削性能及应用现状.doc

涂层刀具的出现是刀具发展史上的重大突破，它具有良好的切削性能，而且涂层材料作为化学屏障和热屏障，减小了月牙洼磨损，耐磨性良好与未涂层刀具相比，涂层刀具加工精度提高0．5～1级，刀具消耗费用降低20％～50％，耐磨性提高2～10倍，切削速度提高25％～70％，使用寿命延长3～5倍 多年来，困内外涂层刀具的研究主要集中在TiN涂层上，并取得了一定的成效，目前TiC、TiN等单涂层刀具已经大量产业化为了进一步提高涂层刀具的使用性能，以（Ti，Al）N涂层为代表的多元复合涂层刀具近10年得到了广泛的应用目前，多元多层复合涂层刀具的发展在国内尚属于起步阶段，以期获得更完善的综合性能1 单涂层刀具的切削性能 1．1 TiC系涂层刀具TiC涂层刀具的优越性表现在高的切削速度和优良的抗机械磨损、磨料磨损性能上用涂层刀具车削中碳钢时，其后刀面及前刀面磨损速度分别只有未涂层刀具的l／10及1／l00，具有良好的抗月牙洼磨损能力；在耐磨性相同时，其切削钢的速度可提高50％～l00％，有时可高达2～3倍；铣削45#钢时，其刀具耐磨性比硬质合金铣刀高3倍，切削效率可提高50％TiC涂层刀具具有较小的切削力和较低的切削温度，应用温度为300℃左右。

但是，TiC涂层脆性大，不耐冲击在沉积TiC涂层时，基体与涂层之间生成脆性的中间层η相（Co3 W3C）这是由于C的不足，WC置换生成W2C，它与WC的粘合剂Co结合生成η相η相过厚会造成TiC涂层的破碎实验证明，η相控制在1～2μm时刀具耐磨性高，涂层不会产生宏观裂纹或脱落现象TiC涂层刀具适合在中速或高速条件下使用这是由于在高速高温下，TiC涂层刀具具有良好的抗扩散和抗氧化性能；而在低速低温下，刀具磨损以粘结磨损和磨料磨损为主，涂层刀具表面脆性较大，抗拉强度低，而且还常常存在残余应力，容易产生剥落和崩刃现象，刀具耐磨性甚至还低于未涂层的刀具 1．2 TiN系涂层刀具TiN涂层月具是第一种产、业化、并在刀具行业得到广泛应用的硬质涂层刀具目前国内外的刀具公司都有TiC和TiN涂层牌号的产品尽管经过30多年的发展，涂层家族已出现了许多新的成员，但至今主流涂层仍是TiN涂层，同时它也是制备其它高性能涂层的基础 与TiC涂层刀具相比，TiN涂层刀具具有更低的摩擦系数和切削变形系数，因而切削力也更小而且它的抗粘结温度高，切削温度为500℃左右，抗月牙洼磨损性能好TiN涂层刀具适用于硬质难加工材料及精密、形状复杂的轴承等耐磨件，对易粘结在刀具前刃面上的工件，切削效果更明显。

目前发达国家中，TiN涂层刀具的使用率占刀具总数的50％～70％，有些不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90％经TiN涂层后的丝锥耐磨性可提高5～10倍；钻头耐磨性提高3～10倍；铣刀耐磨性提高6～10倍TiN涂层刀具的使用寿命也得到了普遍的延长，涂层后的高速钢钻头寿命延长5～7倍；硬质合金铣刀的寿命延长3～11倍；M3滚刀的寿命提高8倍多 1．3 Al2O3系涂层刀具Al2O3涂层是氧化物陶瓷涂层，它的刀具切削性能优于TiC和TiN涂层刀具Al2O3涂层刀具具有更好的化学稳定性和抗高温氧化能力，因此具有更好的抗月牙洼磨损和抗刃口热塑性变形的能力，适用于陶瓷刀具因脆性大而易于崩刃和打刀的场合在连续切削的条件下，涂层的耐磨性和热稳定性是影响刀具耐磨性的主要因素Al2O3涂层刀具由于具有高的硬度和优良的抗氧化能力，其切削性能优于TiC涂层刀具；但在断续切削条件下，由于有冲击力的作用，涂层的韧性成为影响耐磨性的主要因素Al2O3涂层刀具的韧性较差，故其耐冲击性能远不如TiC和TiN涂层刀具用Al2O3 涂层的硬质合金刀具加工汽车铸铁刹车盘、刹车鼓和轴承盖时，其耐磨性比TiC涂层刀具高2～4倍，比普通的硬质合金刀具高6～8倍。

1．4 其它XN系涂层刀具（x=Cr，Zr，Hf等））CrN系涂层因其具有良好的抗氧化、耐腐蚀及抗磨损性能而受到较多的关注它在抗微动磨损上表现尤佳，抗氧化温度高达700℃，但脆性比较大CrN涂层刀具主要用于塑胶模具、冲头等零部件的加工，由于它是无钛涂层，可以有效地切削钛、钛合金及铝合金等软材料，而且它可达到极高的沉积速率且其工艺较易控制，有利于大批量的工业生产，所以更加具有实际意义ZrN系涂层刀具的耐磨性是TiN涂层刀具的3倍，涂层与基体有很牢固的结合强度，因此有很高的耐冲击性，它的抗氧化温度为700℃，具有较好的化学稳定性能ZrN涂层刀具已在铝合金、铜合金及一些精密工件的切削加工上获得了广泛的应用由于ZrN涂层可以减少与Ti合金的粘结磨损，很适用于切削Ti及Ti合金，用于Ti合金钢板的ZrN涂层钻头的寿命比TiN涂层钻头的长l倍多J A Sue等将ZrN、TiN等涂层与镍铬718合金配副，在500℃时ZrN的耐高温磨损性能优于TiN涂层Jie Gu等将ZrN涂层应用于高速切削刀具，能有效降低刀具的磨损，提高工件的切削质量HfN系涂层的热膨胀系数非常接近硬质合金基体，刀具的热应力很小，不易崩刀。

而且与很多高熔点材料相比，HfN涂层的热稳定性和化学稳定性高，在温度高达1200℃时仍有3000HV的硬度，没有生成脆性η相，因此HfN涂层刀具具有良好的耐磨性能目前，美国Teledyne公司牌号为HN+4的刀片及德国Walter公司牌号为WHN的刀片都是HfN涂层刀片此外，由于TiC、TiN涂层与钛合金和铝合金材料之间的亲和力会使摩擦力增大，产生粘屑而BN、VN、Mo2N、Cr2O3等涂层化学稳定性好，适于切削Ti、Cu、Al及其合金材料2多元复合涂层刀具的切削性能单涂层刀具由于基体与涂层两者的弹性模量及热膨胀系数相差较大，晶格类型也不尽相同，导致残余应力增加、结合力较低在单涂层中加入新的元素（如加入Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高耐磨性，加入Si提高硬度和抗化学扩散）制备出多元复合涂层，可降低涂层的成分离析效应，并明显提高涂层刀具的切削性能及耐磨性能2．1 Ti（C，N）系涂层刀具Ti（C，N）涂层兼有TiC的高硬度和TiN的良好韧性，在涂镀过程中可通过连续改变C和N的成分来控制涂层的性质，形成不同成分的梯度结构，减小涂层的内应力，阻止裂纹扩展，减少崩刃Ti（C，N）涂层刀具有效地控制了脆性l相的生成，提高了刀具的耐磨性及韧性。

Ti（C，N）高韧性涂层刀具特别适用于铣削、攻牙、冲压、成型及滚齿的加工，在高速切削时比YTl4、YTl5硬质合金刀具的耐磨性高5～8倍近年来，以Ti（C，N）为基的四元成分新涂层材料，如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等也纷纷出现成都工具研究所开发了我国首创的Ti-C-N-O-A1和Ti-C-N-B 2个系列的高性能涂层，具有优异的机械性能和切削性能，主要用于汽车刀具及Hertel系列螺纹梳刀片上2．2 （Ti，Al）N系涂层刀具（Ti，Al）N涂层既具有接近TiC的高硬度、高耐磨性，又具有与TiN涂层相当的结合强度当温度超过750℃时，Al元素使涂层的外表面形成一层极薄的非晶态Al2O3,从而形成硬质惰性保护涂层，可以阻止进一步氧化，大大提高涂层的抗氧化性所以（Ti，Al）N涂层具有优于TiC、TiN、Ti（C，N）等涂层的机械物理性能，这使得它适用于高速切削和干式切削Ti，Al）N涂层刀具能有效地用于连续高速切削，尤其适用于高合金钢、不锈钢、高硅铝合金、钛合金、镍合金等工件在要求高耐磨性的条件下，TiN涂层刀具刚到磨损平缓区就超出切削要求而失效，而（Ti，Al）N涂层刀具经过平缓区后才开始磨损加剧而失效。

又鉴于TiN涂层在高温性能方面所表现的不足，（Ti，Al）N涂层刀具有望部分或完全替代TiN，刀具寿命比TiN延长3～4倍近年来，德国SGS、日本住友等国外著名刀具公司先后推出了（Ti，Al）N涂层铣刀，它们能直接高速切削淬硬钢，在淬硬钢的半精及精加工中发挥着巨大作用实验证明，（Ti，AI）N涂层铣刀是目前高速铣削淬硬钢中最理想的刀具从环境保护的角度来看，迫切需要干加工技术的快速发展Ti，Al）N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在高温连续切削时，（Ti，Al）N干式切削性能大大强虽于TiNTi，Al）N涂层铰刀在干式切削和2倍常规切削速度的条件下，其断面磨损量远远低于（Ti，Zr）N涂层铰刀和ZrN涂层铰刀目前，在美、德、日等国家，（Ti，Al）N涂层刀具占所有涂层刀具的10％左右，且有上升趋势例如，Kennametal公司的H7刀片和Balzers公司的X．CEED刀片都是（Ti，AI）N涂层三菱公司的MIRACLE涂层是含Al丰富的（A1，Ti）N涂层，实现了对淬火钢的直接加工另外，德国CemeCon公司开发的TiAlBN涂层，在加工过程中会产生“实时”现象，即通过8扩散形成BN、B2N3，从而得到有利于切削加工的润滑涂层。

日立公司还开发了在高温下具有高硬度、高韧性及低摩擦系数的TiAlCN涂层，它们适用于车、铣、滚齿、攻牙及冲压等工艺2．3 （Ti，x）N系涂层刀具（X=Cr，Si等）（Ti，Cr）N涂层由于Cr元素的加入使硬度提高到3200HV左右，并有利于提高基体与涂层的结合强度，使刀具在700℃时还具有良好的抗氧化性，（Ti，Cr）-N涂层刀具适合高速加工，切削速度可达400m／min以上，是一种很有发展前景的新型涂层Ti，Si）N涂层刀具的抗高温氧化性能明显提高日立公司开发的适于硬切削的（Ti，Si）N涂层刀具具有3500HV的硬度和ll00℃的开始氧化温度，使用寿命较TiN涂层刀具延长3～5倍2．4 （Ti，Al，X）N系涂层刀具（X=Cr，Si，Y，zr等）向（Ti，AI）N中添加Cr、si、Y元素可以使涂层保持高硬度，而且还具有更好的抗氧化性能，氧化温度为950℃当致密的保护性Al2O3膜形成以后，Cr能提高抗氧化性能，使涂层表面在高温下形成Cr2O3等惰性氧化物和共价键AlN，这有利于刀具在高温下保持高的硬度、韧性和结合力这些优良性能使（Ti，Al，Cr）N涂层刀具具有更好的切削性能和长得多的使用寿命，且端面磨损量远低于（Ti，Al）N。

M2高速钢麻花钻经（Cr，Ti，Al）N涂层后，在于式切削条件下钻削45#钢、30CrMnSiA和D406A高强度钢时，钻头的寿命比未涂层的分别延长约l9倍、l5．2倍和6倍Ti，Al，Zr）N涂层刀具的硬度进一步提高到3500HV左右，但加入Zr元素会在高温下形成ZrO，妨碍致密Al2O3防护层的生成，从而降低其抗氧化性Ti，Al，Si）N涂层刀具的氧化温度为1100℃，切削性能及耐磨性明显优于（Ti，Al）N涂层目前，Teer公司已经将（Ti，Al，Cr）N、（Ti，Al，Si）N等涂层刀具用于对耐磨性、耐腐蚀性有较高要求的工件上2．5 其它非Ti基涂层刀具日立公司以Cr元素代替Ti元素，开发出具有润滑性的（Cr，Si）N涂层刀具及具有超强耐氧化性的Al，Cr，Si）N涂层刀具它们更适用于铝、不锈钢等粘结性强的材料加工Balzers公司开发的G6刀具是（A1，Cr）N涂层，它的性能明显优于Ti基涂层，具有3200HV的显微硬度，使用温度达到1000℃，韧性超过，Ti基涂层，可显著减小刀具的摩擦磨损，显著延长使用寿命，更适合断续切削和难加工材料的加工BA-LINITAI_GRONA涂层是G6刀具的首种产品，该铣刀和滚刀适用于非合金钢、高强度和高硬度钢的干式切削，也适用于高热应力的加工。

3 多元多层复合涂层刀具的切削性能 3．1 简单多层复合涂层刀具多元涂层与基体的热膨胀系数和弹性模量存在差异，在结构和性能上的匹配性较差，刀具往往会。