刀具涂層穆赟龍

1、刀具涂層技術(shù)的最新發(fā)展?fàn)顩r摘要:介紹了國內(nèi)外刀具涂層技術(shù)的最新發(fā)展?fàn)顩r和開發(fā)動(dòng)向,并對(duì)我國切削刀具涂層技術(shù)的發(fā)展提出了建議。關(guān)鍵詞:刀具、涂層、發(fā)展。Abstract : In this paper , recent development of tool coating technology at home and abroad are summarized. Recommendation on cutting tool coating technology for our country is also presented.Keywords :cutting tool ; coating

2、; development1 引言近10 年來,涂層技術(shù)在刀具行業(yè)的應(yīng)用得到了快速普及,涂層刀具已成為切削加工不可缺少的主流刀具。與此同時(shí),隨著切削加工向高速切削、強(qiáng)力切削和干式切削的迅速發(fā)展,對(duì)涂層刀具的性能提出了更高的要求1 。為了滿足機(jī)械加工行業(yè)的需求,各專業(yè)涂層企業(yè)及刀具企業(yè)都加大了對(duì)涂層技術(shù)的研發(fā)力度,尤其是一些知名的刀具企業(yè),通過購先進(jìn)的涂層設(shè)備和自主研發(fā),將基體材料設(shè)計(jì)、涂層材料設(shè)計(jì)、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來,為用戶提供最優(yōu)化的刀具。本文將分別就專業(yè)涂層企業(yè)和刀具企業(yè)的涂層技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行介紹。2 專業(yè)涂層企業(yè)的涂層技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r(1) 巴爾查斯(Balzers) :瑞士Balzers

3、 公司是目前世界上規(guī)模最大的刀具涂層公司,在20 多里,該公司一直堅(jiān)持設(shè)備制造、成套技術(shù)轉(zhuǎn)讓及涂層服務(wù)的方針,其最具代表性的涂層是一種無鈦涂層,稱為G6 ,即AlCrN 涂層。與傳統(tǒng)的TiN、TiCN、TiAlN 涂層相比,G6 具有更高的紅硬性及抗氧化性,使用溫度可達(dá)到1000 。在G6 的基礎(chǔ)上,Balzers 最近推出了最新的TiAlN + AlCrN 基的BALINITÓALDURA 涂層,其顯微硬度達(dá)到3300Hv , 最高工作溫度超過1100。完美的TiAlN 基礎(chǔ)涂層保證了卓越的結(jié)合力和加工強(qiáng)度,納米晶體結(jié)構(gòu)的AlCrN 涂層表現(xiàn)出優(yōu)秀的紅硬性、抗氧化性和抗熱性。另外,

4、巴爾查斯推出了最新的P3eTM (強(qiáng)脈沖電弧蒸發(fā)) PVD 技術(shù)及基于該技術(shù)的新一代涂層系統(tǒng)INNOVA。該系統(tǒng)采用了多項(xiàng)創(chuàng)新性的技術(shù),不僅可以沉積傳統(tǒng)的氮系涂層,而且首次進(jìn)行了PVDAl2O3 的沉積,沉積溫度在600 左右。在涂層行業(yè)以后的發(fā)展中,該技術(shù)很可能與傳統(tǒng)的CVD Al2O3產(chǎn)生激烈的競(jìng)爭(zhēng)。(2) 賽利(CEMECON) :德國CEMECON 涂層公司最新的工藝技術(shù)為基于雙極脈沖原理的H. I. P 技術(shù),在此基礎(chǔ)上開發(fā)了SUPERTIN 系列涂層(超氮涂層) 。其中最具代表性的是ALOX SN2 涂層和HY2PERLOX 涂層。ALOX SN2 涂層的顯微硬度達(dá)3500Hv ,

5、使用溫度達(dá)10;HYPERLOX涂層實(shí)現(xiàn)了TiN 與TiAlN 之間晶粒與晶粒的結(jié)合,使涂層的性能優(yōu)于晶態(tài)與非晶態(tài)的結(jié)合, 其顯微硬度高達(dá)3700Hv ,使用溫度可達(dá)到1100 。這兩種涂層的共同特點(diǎn)包括:幾乎沒有殘余應(yīng)力;具有非常好的附著力和無與倫比的磨損容量;表面極其光滑,可基本實(shí)現(xiàn)徑向表面排屑槽的無摩擦排屑;涂層耐磨性高,保證了刀具的壽命及其再利用性;細(xì)微顆粒涂層結(jié)構(gòu),高韌性兼具高硬度;高抗氧化性。此外,該公司提出了潤滑薄膜的概念,在薄TiAlBN 結(jié)構(gòu)中,通過硼含量的變化,適應(yīng)切削條件的變化,在加工過程產(chǎn)生所謂“Insitu”現(xiàn)象,通過硼向表面的擴(kuò)散,形成BN、B2N3 ,從而得到有利

6、于切削加工的潤滑涂層。(3) PLATIT: PLATIT 公司是瑞士的一家刀具涂層公司,其代表性的技術(shù)為基于側(cè)裝可旋轉(zhuǎn)弧陰極技術(shù)(Lateral Rotating ARC Cathods ,簡(jiǎn)稱LRAC) 。基于此技術(shù),PLATIT 開發(fā)出了80 和100 兩種涂層設(shè)(4) 株洲鉆石切削刀具股份有限公司:該公司最近推出了最新的第二代黑金剛YBC 系列和納米涂層牌號(hào)YBG系列。YBC系列通過厚纖維狀的TiCN 和厚細(xì)顆粒的Al2O3 涂層的完美結(jié)合,有效地提高了刀片的抗磨損性能和抗崩刃性能。獨(dú)特的刃口“骨架設(shè)計(jì)”,實(shí)現(xiàn)了韌性與抗塑性變形的完美統(tǒng)一:刃口處理后,刃口兩邊為較厚的脫韌性區(qū),而中則含

7、有高溫性能良好的固溶體,形成骨架支撐。在后處理工藝中對(duì)刀片表面采用了特殊的表面技術(shù),大幅度提高了刀片表面的光潔度,有效降低了切削力,減少了刀具表面與被加工表面的粘結(jié),極大地提高了刀片壽命。納米涂層牌號(hào)YBG系列通過特殊的涂層工藝在超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金基體表面涂覆2 - 4m 的納米TiAlN ,使刀片表面平滑,降低摩擦力,排屑更流暢。獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu),與基體結(jié)合力更強(qiáng),韌性和硬度更高,良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性為切削刃提供了有效的保護(hù)。(5) 山高(SECO) :山高推出了最新的- Al2O3涂層DurAtomicTM(圖2) ,該種涂層的制造水平達(dá)到了原子級(jí),結(jié)果使機(jī)械和熱特性超過所有目前生產(chǎn)的A

8、l2O3 涂層。與傳統(tǒng)生產(chǎn)的Al2O3 涂層相比,Du2rAtomicTM涂層表現(xiàn)出更高的耐久性、韌性,杰出的耐熱性、耐磨性和化學(xué)惰性,并因此減少積屑瘤形成的傾向,將成為刀具涂層研發(fā)未來幾年內(nèi)的參考標(biāo)志。(6) 尤尼莫克(UNIMERCO) :該公司的最新產(chǎn)品為C7PLUS 納米組合涂層(圖3) 。C7PLUS 納米涂層中的納米晶狀體AlTiN 顆粒鑲嵌在氮化硅的無定形的點(diǎn)陣中,具有極好的抗熱性,維持了在1100 高溫下的穩(wěn)定性和優(yōu)質(zhì)特性, 同時(shí)硬度也維持在45GPa ,所以極其適合干式加工并且在所有可能的切削速度下都勝過現(xiàn)有的涂層。與傳統(tǒng)的AlTiN 涂層相比,刀具壽命延長(zhǎng)了一倍多。(7)

9、萬耐特(VALENITE) :萬耐特推出了最新的VP5625 (圖4) 、VP5615 涂層刀片。表面涂層經(jīng)過獨(dú)特的拋光處理工藝,帶來了更光滑的表面,并通過釋放涂層的內(nèi)應(yīng)力來提高刃口的強(qiáng)度。中間層為厚Al2O3 涂層,厚度為原來涂層的2 倍,其獨(dú)到的刃口處理工藝,獲得了整個(gè)切削刃口的精確控制,從而在不同的切深和進(jìn)給量的情況下,提高了刀片的強(qiáng)度和耐磨性。(8) 日立(HATACHI ) :該公司最近推出了HG系列涂層新牌號(hào)(HG8010 ,HG8025) 及超潤滑涂層刀片JX系列。HG系列采用了所謂“三重鋯效果”的CVD涂層新技術(shù),其“第一重鋯效果”就是在硬質(zhì)合金基體材質(zhì)中添加了鋯(Zr) 元素

10、,以提高基體的抗高溫變形能力;“第二重鋯效果”則是用細(xì)晶柱狀的鋯(Zr) 涂層取代通常的MT - TiCN 涂層,從而提高了涂層的抗氧化性;“第三重鋯效果”則是在涂層表面涂覆一層白色的鋯(Zr) 涂層,以提高刀具表面的潤滑性、耐熱性和抗剝落性。這種新型涂層牌號(hào)刀片具有良好的耐熱性,特別適用于高效加工,與傳統(tǒng)刀片相比,可提高加工效率150 %,降低加工成本20 %- 30 %。JX系列在世界上首次采用了混合技術(shù),將具有良好自潤滑作用的晶粒加入到復(fù)合涂層中,通過此項(xiàng)技術(shù),使涂層的自潤滑性、硬度、熱抗性、結(jié)合力等指標(biāo)都有很大的提高,刀具壽命也得到極大的提升。(9) 京瓷( KYOCERA) :該公司

11、最近推出了稱之為鋼加工用革命性的CVD 涂層CA55 系列(圖5) 。該系列產(chǎn)品表面的TiN 涂層通過特殊的表面處理技術(shù)( PICA: Physical Innovation for Coating Advantage) 實(shí)現(xiàn)了超平滑的表面,讓切屑不易溶合,耐磨性、抗崩損性更突出,同時(shí)實(shí)現(xiàn)高品位的加工表面精度,锃亮的表面易識(shí)別,在昏暗的操作現(xiàn)場(chǎng)也可以清晰分辨使用過的刀尖。通過高縱橫比的超精細(xì)TiCN + 高韌性Al2O3 組織結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋼材的高速高效加工,結(jié)合全新設(shè)計(jì)的斷屑槽,提高了排屑性能。(10) 三菱綜合材料株式會(huì)社(MITSUBISHI) :該公司最新推出的高效加工鋼材UC6110 超級(jí)

12、涂層硬質(zhì)合金牌號(hào), 前刀面為納米級(jí)的TiCN 與納米級(jí)Al2O3 構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)CVD 涂層,具有極高的韌性和超強(qiáng)的耐磨損性,外表面為一層黃色的特殊Ti 金屬化合物,使涂層表面平滑化。后刀面為黑色的超平滑涂層,以確保刀具磨損的穩(wěn)定性。(11)JFE 精密株式會(huì)社:該公司最近采用精密陰極AIP(單弧/ 多弧離子鍍) 設(shè)備開發(fā)了致密性、耐磨性和抗粘刀性能優(yōu)良的SX - 2、涂層硬度和抗氧化性較TiAlN 涂層大幅提高的硬質(zhì)合金刀具用SX- W、高速鋼刀具用SX - H 等SX 系列涂層刀具。作為新一代涂層刀具,SX- W、SX- H 系列通過涂層多元化、多層化,實(shí)現(xiàn)了高硬度(3700Hv) 和高抗

13、氧化性能(1300 ) ,同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了涂層的硬度與韌性、涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的平衡匹配。4 刀具涂層技術(shù)的發(fā)展方向從上述的內(nèi)容可以看出,目前刀具涂層技術(shù)發(fā)展的主要方向?yàn)?(1) 涂層材料的不斷創(chuàng)新。目前涂層材料已從TiN、TiCN、TiAlN 發(fā)展到現(xiàn)在的TiSiN2 ,3 、TiSiCN4 、TiAlSiN5 、AlCrN、AlCrSiN、TiBN6 、ZrN7 、CrN8 、Al2O3 等幾十種涂層材料,為了滿足切削加工中多樣化的需求,還會(huì)繼續(xù)開發(fā)出新的涂層材料。(2) 多層涂層、梯度涂層、納米涂層及納米復(fù)合涂層將是未來刀具涂層的發(fā)展方向。(3) 噴丸、拋光等涂層前后處理工藝將得到更多的重視

14、,以此來降低涂層的殘留應(yīng)力,提高涂層的表面光潔度,提高加工效率。5 結(jié)語涂層技術(shù)是構(gòu)成現(xiàn)代切削技術(shù)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),并且是支持現(xiàn)代切削技術(shù)的核心技術(shù),對(duì)切削技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。目前世界上知名的刀具企業(yè)無一不加強(qiáng)了對(duì)涂層技術(shù)的研究力度,認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)對(duì)于規(guī)劃我國工具工業(yè)的發(fā)展方向具有重要意義。目前國內(nèi)的刀具涂層技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比尚有很大差距,只有少數(shù)幾家大型企業(yè)引進(jìn)了國外先進(jìn)的涂層設(shè)備并具備了研發(fā)能力,大部分企業(yè)的刀具涂層工藝仍然以外協(xié)加工為主,缺乏個(gè)性化的涂層解決方案。另一方面,國內(nèi)大專院校對(duì)于涂層技術(shù)的理論分析研究方面基本與國外同行接軌,但是在創(chuàng)新及如何指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)方面相對(duì)滯后。結(jié)合

15、當(dāng)前涂層技術(shù)日益重要的地位和廣泛的市場(chǎng)需求,在吸取先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)化涂層技術(shù)及設(shè)備具有極大的現(xiàn)實(shí)意義,這不僅需要刀具行業(yè)加強(qiáng)對(duì)涂層技術(shù)的重視程度,增加對(duì)涂層技術(shù)開發(fā)的投入,同時(shí)也需要大專院校與刀具企業(yè)加強(qiáng)溝通和交流,只有將市場(chǎng)、企業(yè)、院校有機(jī)地結(jié)合起來才會(huì)使國內(nèi)刀具涂層技術(shù)健康的發(fā)展。參考文獻(xiàn)1 趙炳楨. 現(xiàn)代刀具創(chuàng)新的特點(diǎn)J . 工具技術(shù),2008 (10) :14 - 16.2 J Perez2Mariano , K H lau , A Sanjurjo ,et al. TiSiN nanocomposite coatings by chemical vap

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