硬质合金刀具涂层的种类及特性
什么是硬质合金涂层
硬质合金涂层是利用涂层方法(如化学气相沉积、物理气相沉积等)在硬质合金刀片的表面上涂覆的耐磨的TiC或TiN等薄层。
因于其有高的硬度、强度和耐磨性,则被誉为“工业的牙齿”,可用于制造切削工具、刀具、钻具和耐磨零部件,广泛应用于军工、航空航天、钻井、矿山工具等领域。然而硬质合金的强度和硬度无法同时满足现代工业合金的发展需要,故可提高硬质合金耐磨性的涂层应运而生。
在工具表面适用涂层可以提高切削效果,提升工具寿命及生产效率。
◆ 涂层的种类
⊙ TiN Coating
为了提高涂层效果在工具表面进行Titanium Nitride(TiN)涂层处理。
⊙ TiCN Coating
在切削刃上增加力学应力的高强度或在切削软钢时发挥优异的效果,因此在工具表面进行Titanim Carbon Nitride
(TiCN)涂层处理。
⊙ TiAlN Coating
延续性的高速切削与干式切削一样工具刃上受高热的情况下能发挥卓越的效果,在工具表面进行Titanim
Alumium Nitride(TiAIN)涂层处理。
⊙ AlCrN Coating
受到一般性的加工与极限加工应力的条件下使内磨损性优秀,高温硬度与内产化性卓越在工具表面进行 Aluminum
Chrome Nitride(AlCrN)涂层处理。
⊙ X-5070 Coating
⊙ Diamond Coating
TiN TiCN TiAlN AlCrN X-5070 Diamond
Coating Coating Coating Coating Coating Coating
◆ TiN,TiCN涂层Tool的特性
特 性 TIN TICN TiAIN TiAIN Diamond X-POWER (JET-POWER) D-POWER) 涂层颜色 gold-yellow blue-grey violet-grey violet-grey black-grey 涂层厚度(HV 0.05) 2300 3000 3500 3000 8000 涂层厚度(㎕) 1~4 1~4 1~3 1~5 6~30 最高作业温度(℃) 600 400 800 800 摩擦系数(强干式切削) 0.4 0.4 0.4 0.4
涂层的作用
涂层主要是为了进一步提高硬质合金的耐磨性性能,同时也可延长合金工具的寿命,还有:
1、提高硬质合金刀具的使用性能;
2、高速切削和高速加工的需要;
3、航空耐热合金、复合材料、硬材料等难加工材料机械加工的需要。
硬质合金涂层特点
硬质合金涂层的制备工艺
硬质合金涂层的制备工艺主要有高温化学气相沉积、物理气相沉积、等离子化学气相沉积和离子辅助物理气相沉积,不同的工艺有不同的涂层机理、优点和缺点。
涂层工艺
刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两大类。
1)化学气相沉积(CVD)
CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。CVD可实现单成分单层及多成分多层复合涂层的沉积,涂层与基体结合强度较高,薄膜厚度较厚,可达7~9um,具有很好的耐磨性。 涂层方法用CVD法涂层时,切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm,切削刃强度随钝圆半径增大而提高),故刃口没有未涂层刀片锋利。所以,对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外,还可涂覆到整体刀具上,目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。CVD涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。
2)物理气相沉积(PVD)
物理气相沉积(PVD)是利用蒸发或溅射等物理方式把材料从靶源移走,然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸汽离子沉积到基片或零件表面以形成膜层。与CVD工艺相比,PVD工艺温度低(最低可低至80°C),在600°C以下时对刀具材料的抗弯强度基本无影响;薄膜内部应力状态为压应力,更适用于对硬质合金精密复杂刀具的涂层。
PVD在工艺上主要有真空阴极弧物理蒸发和真空磁控离子溅射两种方式。
(1)真空阴极弧物理蒸发(ARC)
真空阴极弧物理蒸发过程包括将高电流、低电压的电弧激发于靶材之上,并产生持续的金属离子。被离子化的金属离子以60~100eV平均能量蒸发出来形成高度激发的离子束,在含有惰性其他或反应气体的真空环境下沉积在被镀工件表面。真空阴极弧物理蒸发靶材的离化率在90%左右,所以与真空磁控离子溅射相比,沉积薄膜具有更高的硬度和更好的结合力。
(2)真空磁控离子溅射(SPUTTERING)
在真空磁控离子溅射过程中,氩离子被加速打在加有负电压的阴极靶材上。离子与阴极的碰撞使得靶材被溅射出带有平均能量4~6eV的金属离子这些金属离子沉积在放于靶前方的被镀工件上,形成涂层薄膜。由于金属离子能量较低,涂层的结合力与硬度也相应较真空阴极弧物理蒸发方式差一些,但出于其表面质量优异,被广泛应用于有表面功能性和装饰性的涂层领域中。
涂层种类
硬质合金刀具涂层技术较好地解决了刀具强度和韧性之间的矛盾,通过优化涂层的晶体结构、添加合金元素及多层涂层组合来提高涂层的强韧性,以适应不同的切削条件,大大提高了刀具的耐用度和切削速度。目前发展的方向是涂层成分多元化、涂层结构多层化、工艺组合多样化和基体结构梯度化。常用的涂层种类如下图所示:
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