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刀具涂層及種類

刀具涂層及種類
自從20世紀(jì)60年代以來,經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)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,主要通過提高刀具表面硬度,熱穩(wěn)定性,降低摩擦系數(shù)等方法來提升切削速度,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)通常可分為化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)兩大類。
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CVD技術(shù)被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具的表面處理。CVD可實(shí)現(xiàn)單成份單層及多成份多層復(fù)合涂層的沉積,涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高,薄膜厚度較厚,可達(dá)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(qiáng)度下降;涂層內(nèi)部呈拉應(yīng)力狀態(tài),易導(dǎo)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(zhuǎn)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。
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PVD技術(shù)主要應(yīng)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(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度基本無影響;薄膜內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力,更適于對(duì)硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層;PVD工藝對(duì)環(huán)境無不利影響。PVD涂層技術(shù)已普遍應(yīng)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(xù)的金屬離子。被離化的金屬離子以60100eV平均能量蒸發(fā)出來形成高度激發(fā)的離子束,在含有惰性氣體或反應(yīng)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(jié)合力。但由于金屬離化過程非常激烈,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程中,氬離子被被加速打在加有負(fù)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(jié)合力與硬度也相應(yīng)較真空陰極弧物理蒸發(fā)方式差一些,但由于其表面質(zhì)量優(yōu)異被廣泛應(yīng)用于有表面功能性和裝飾性的涂層領(lǐng)域中。


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

PVD

涂層種類

涂層

特點(diǎn)

涂層硬度

HV

涂層厚度

μm

摩擦

系數(shù)

耐熱

溫度

涂層

顏色

應(yīng)用范圍

TiN

單層

2300

2-3

0.6

600

金黃

應(yīng)用最為普遍,具有高硬度高耐磨性寄耐氧化性;適合大多數(shù)切削刀具,也適合多數(shù)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(nèi)應(yīng)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(shù)而高硬度的加工環(huán)境。

TiAlN

單層

3100

2-3

0.3

750

紫藍(lán)

化學(xué)穩(wěn)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

有著顯著的強(qiáng)潤滑性能和耐高溫特性,最適合銅類金屬的切削刀具,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(shù)極低,與基體結(jié)合力強(qiáng)。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(lán)紫

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


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