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涂层刀具的优越性及最新技术发展


近30余年来  ,刀具涂层技术迅速发展  ,涂层刀具得到了广泛应用 。1969年德国克虏伯(Krupp)公司和瑞典山特维克(Sandvik)公司研发成自动给料机功了化学气相沉积(CVD)涂层技术  ,并向市场推出了CVDTiC涂..

  近30余年来  ,刀具涂层技术迅速发展  ,涂层刀具得到了广泛应用 。1969年德国克虏伯(Krupp)公司和瑞典山特维克(Sandvik)公司研发成功了化学气相沉积板链式提升机(CVD)涂层技术  ,并向市场推出了CVDTiC涂层硬质合金刀片产品 。20世纪70年代初  ,美国本夏(R.Runshan)和拉格胡南(A.Raghuran)研发了物理气相沉积(PVD)工艺  ,并于1981年将PVDTiN高速钢刀具产品推向市场 。当时CVD涂层工艺温度约1000℃  ,主要用于硬质合金刀具(刀片)的表面涂层;PVD涂层工艺温度为500℃和500℃以下  ,主要用于高速钢刀具的表面涂层 。

  后来  ,CVD和PVD涂层技术不断迅速发展  ,在涂层材料、涂层设备和工艺等方面都有了很大进步  ,而且发展了多层材料的涂覆技术  ,使涂层刀具(刀片)的使用性能有了很大的提高 。P矿用碎石机VD涂层技术过去主要用于高速钢刀具  ,而近年来随着PVD涂层技术飞跃发展  ,也成功用于硬质合金刀具(刀片)  ,占领了硬质合金涂层刀具(刀片)的一半阵地 。现在  ,涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具(刀片)广泛应用  ,已占全部刀具使用总量的50%以上 。

  涂层刀具小型提升机的优越性

  在韧性较好的刀具(刀片)基体上进行表面涂层  ,涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层(如TiN、TiC等)  ,使刀具(刀片)具有全面、良好的综合性能 。未涂层高速钢的硬度仅为62~68HRC(760~960HV)  ,硬质合金的硬输送链板度仅为89~93.5HRA(1300~1850HV);而涂层后的表面硬度可达2000~3000HV以上 。

  ①由于表面涂层材料具有垂直提升机很高的硬度和耐磨性  ,且耐高温 。故与未涂层的刀具(刀片)相比  ,涂层刀具允许采用较高的切削速度  ,从而提高了切削加工效率;或能在相同的切削速度下  ,提高刀具寿命 。

  ②由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小  ,故涂层刀具(刀片ZG系列惯性振动器)的切削力小于未涂层刀具(刀片) 。

  ③用涂层刀具(刀片)加工  ,零不锈钢输送链板件的已加工表面质量较好 。

  gzg电机振动给料机④由于涂层刀具(刀片)的综合性能良好  ,故涂层硬质合金刀片有较好的通用性  ,一种涂层硬质合金牌号的刀片具有较宽的使用范围 。

  刀具涂层电机振动输送机技术的发展和进步

  笔者多次参观了国际机床工具展览会  ,收集到很多资料  ,并听取了各大工具公司的技术报告  ,从而了解到刀具产品表面涂层技术的发展和给料机进步 。

  CVD涂层技术螺旋式输送机的进展

  过去  ,硬质合金刀具表面涂层采用高温化学气相沉积(HTCVD)工艺 。在常压或负压的沉积系统中  ,将纯净的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等气体根据沉积物的成分  ,按一定配比均匀混和  ,依次涂到具备一定温度(一般为1000~1050℃)的硬质合金刀片表面  ,即在刀片表面沉积TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它们的复合涂层 。直到现在  ,HTCVD仍是使用最多的工艺方法  ,除HTCVD外  ,还有等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺  ,它是在硬质合金刀具(刀片)表面涂层的另一种方法  ,因这种涂层工艺温链式给煤机度较低(700~800℃)  ,故刀片的抗弯强度降低 。因为TiC与基体材料的线膨胀系数最接近  ,通常用TiC薄层先涂在基体表面上  ,外面再涂TiN、Al2O3  ,如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN等 。


棒磨式制砂机  后来  ,发展了各种不同组合的多层涂层 。笔者在多次展览会上调查和统计了瑞典、德国、美国、日本、韩国、以色列和中国各公司的CVD涂层硬质合金刀片产品  ,涂层材料有以下组合:TiCN/Al2O3、TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/Al2O3、TiCN/Al2O3/TiN、TiCN/TiC/Al2O3/TiN、TiCN/Al2O3/TiCN、TiN,TiC/TiCN/TiN、TiN/TiCN/TiN等 。可以看出  ,近年多用TiCN或TiN作底层  ,这是因为基体硬质合金有了改进  ,例如采用了梯度结构  ,才有可能用TiCN或TiN垫底 。此外  ,TiN涂层不宜单独使用  ,因为与硬质合金相比  ,TiN的硬度提高不多  ,TiN必须与TiC、TiCN、Al2O3等组合使用 。

  PVD涂层技术的进破碎机展

  早期  ,PVD涂层均采用“真空蒸镀法”  ,膜层往往不均匀  ,与基体的结合不够牢固  ,后发展了“真空磁控溅射法”和“真空等离子镀工艺”  ,效果很好 。现在刀具表面涂层主要用后两种方法 。

  早年  ,PVD涂层只用于高速钢刀具  ,涂层材料几乎只用TiN一种 。后来  ,改进了涂层工艺  ,发展了多种涂层材料和多层涂层  ,在硬质合金刀具上也得到了大量的应用 。涂层效果比以往大有进步 。TiN涂层材料仍在使用  ,新兴的涂层材料是TiAlN和AlTiN  ,其使用效果优于TiN 。

  欧洲的PVD涂层技术水平最高  ,领先于其他国家和地区 。知名的厂商有欧瑞康巴尔查斯(OerlkonBalzers)公司、德国PVT等离子真空技术公司和丹麦尤尼莫克(Unimerco)公司等 。他们的PVD涂层设备和工艺先进  ,涂层材料品种多  ,涂层刀具和其他产品使用性能好 。

  国外一些知名的高速钢和硬质合金工具厂  ,都有涂层刀具(刀片)产品  ,但涂层设备和工艺多购自涂层技术的专业公司  ,或与之合作  ,而不是自行研制 。据悉  ,瑞典山特维克公司和以色列伊斯卡公司的PVD涂层设备都是从欧瑞康巴尔查斯公司购进的 。中国也应当这样做  ,这是一条既好又快的道路 。例如  ,中国哈尔滨第一工具厂和德国PVT公司合作  ,成立了哈一工普威特镀膜合资股份公司 。欧瑞康巴尔查斯公司在全球设有77个涂层中心  ,在中国苏州、天津和汉江各设有一个中心  ,中国邻近城市和地区的工具厂家  ,其涂层产品多在上述中心进行涂层 。湖南株洲硬质合金厂和四川自贡vwin德赢网官方下载硬质合金厂的涂层设备都是从国外引进的 。

  CVD涂层新技术在超硬材料涂层方面的应用

  利用“热丝CVD法”、“等离子体喷射CVD法”、“火焰燃烧法”等工艺能在硬质合金或高速钢刀具表面沉积金刚石薄膜(10μm) 。CVD金刚石膜的力学、物理性能介于天然金刚石和热压聚晶PCD金刚石之间  ,能够有效地加工有色金属 。


  如增加沉积时间  ,可在基体或衬底(一般用硅片)上沉积出厚度大于0.5mm的厚膜 。将厚膜从基体上剥离  ,并切割成一定形状的小块  ,再将小块钎焊在基体刀片(一般为硬质合金刀具)上使用 。CVD厚膜金刚石刀具应用范围大于薄膜涂层刀具 。在CIMT2007上  ,很多国内外刀具公司都有CVD薄膜金刚石涂层刀具产品  ,但只有少数厂家有厚膜产品 。北京东方天地超硬材料工具公司能生产金刚石厚膜刀具产品  ,并且已有多年的经验 。厚膜刀具应用范围较广  ,能加工各种有色金属、非金属硬材料及颗粒增强的复合材料等 。

  PVD涂层新技术在超硬材料涂层方面的应用

  武汉大学物理系用直流反应磁控溅射法在刀具表面沉积出氮化碳(CxNy)超硬涂层薄膜  ,厚度只有几个微米  ,硬度可达40~50GPa 。CxNy涂层刀具能切削黑色和有色金属 。

  实验数据

  笔者对涂层高速钢和硬质合金刀具(刀片)的切削性能进行了长期的研究  ,进行了很多科学实验 。兹介绍部分实验数据如下:

  ①在相同的切削条件下  ,涂层刀具刀片的使用寿命比未涂层刀具(刀片)提高3~5倍 。在相同的切削条件下  ,相同刀具寿命时  ,涂层刀具的切削速度比未涂层刀具提高20~30% 。

  ②在相同的切削条件下  ,涂层刀具(刀片)的切削力小于未涂层者 。笔者用涂覆TiC硬质合金刀片车削钢材与未涂层刀片对比  ,主切削力Fc可减小3%~4%  ,TiN或TiC/TiN涂层刀片的Fc约可减小6%  ,进给力Ff与切深力Fp的减小尤为显着 。Al2O3涂层刀片与切削力的减小效果与TiN涂层刀片接近 。

  ③笔者曾用CVD涂层金刚石厚膜刀具  ,加工过硅铝合金、各种硬铝、铅黄铜、无氧铜、碘化钛以及纤维增强和颗粒增强的复合材料等  ,均取得较好效果 。但用作超vwin德赢网官方下载切削的刀具  ,其效果不如天然金刚石刀具 。

  ④笔者曾用CxNy涂层高速钢钻头在高强度钢上钻孔  ,与未涂层钻头相比  ,涂层钻头的使用寿命提高7~9倍 。在其他高速钢刀具上涂覆CxNy  ,亦有显着效果 。又曾在硬质合金刀片上涂覆CxNy  ,用以车削钢料  ,效果尚不够理想  ,其使用寿命不超过普通TiC涂层硬质合金刀片 。

  中国的刀具涂层技术与工业发达国家相比尚有很大差距  ,涂层刀具的数量也差得很远  ,大致只占全部刀具的20% 。其中数控机床和加工中心上使用得多一些  ,在普通的非数控机床上则少得可怜  ,原因是认识问题和价格等因素 。vwin德赢网官方下载应该努力提高刀具涂层技术和应用技术的水平  ,大力推广应用涂层刀具  ,促进切削加工和机械制造水平的提高 。

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