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涂层刀具的涂层材料、涂层方法及发展方向 |
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在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。刀具性能的两个关键指标——硬度和强度(韧性)之间似乎总是存在着矛盾，硬度高的材料往往强度和韧性低，而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。在较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜(如TiC、TiN、Al2O3,等)组成的涂层刀具，较好的解决了刀具存在的强度和韧性之间的矛盾，是切削刀具发展的一次革命。
涂层刀具是近20年来发展最快的新型刀具。目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上，CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。
1 涂层刀具、涂层材料及涂层方法
涂层刀具的特点
涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，简化刀具管理，降低刀具和设备成本。但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后，因基体材料和涂层材料性质差别较大，涂层残留内应力大，涂层和基体之间的界面结合强度低，涂层易剥落，而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。
常用的涂层材料及性质
常用的涂层材料
常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。根据化学键的特征，可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。
涂层材料的性质
金属键型涂层材料(如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等)熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好，具有良好的综合性能，是最普通的涂层材料。共价键型涂层材料(如B4C、SiC、BN、金刚石等)硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。而离子键型材料化学稳定性好、脆性大、热胀系数大、熔点较低、硬度不太高。
在这些涂层材料中，用的最多的是TiC、TiN、Al2O3、金刚石以及复合涂层。
TiC耐磨性好，能有效地提高刀具的抗月牙洼磨损能力，适合于低速切削及磨损严重的场合；TiN涂层具有低的摩擦系数，润滑性能好，能减少切削热和切削力，适合于产生融合和磨损的切削；Al2O3的高温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比TiC和TiN好，月牙洼磨损率低，适合于高速、大切削热切削；金刚石涂层硬度和热导性高，摩擦系数很低，适合于有色金属合金的高速切削；而复合涂层综合几种涂层材料的特点，目前以双涂层和三涂层组合居多。
常用涂层方法
目前常用的涂层方法是CVD(化学气相沉积法)和PVD(物理气相沉积法)，其它方法如等离子喷涂、火焰喷涂、电镀、溶盐电解等还存在较大的应用局限性。
CVD法是利用金属卤化物的蒸气、氢气和其它化学成分，在950～1050℃的高温下，进行分解、热合等气、固反应，或利用化学传输作用，在加热基体表面形成固态沉积层的一种方法。CVD法工艺要求高，而且由于氯的侵蚀及氢脆变形可能导致涂层易碎裂、基体断面强度下降，涂层硬质合金时还易产生脱碳现象而形成n相。近年来，中、低温CVD法和PCVD法开发成功，改善了原有CVD工艺。 [1] [2] [3] 下一页 |
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