涂層刀具技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用
刀具材料的選用決定于切削條件，也決定于哪個(gè)面將被重磨。例如，如果刀具的前刀面被重磨，使用含鉆的高速鋼會更有利，因?yàn)樵诘毒咔暗睹鏌o涂層之后’，這種鋼更耐月牙洼磨損。刀具材料的進(jìn)步，出現(xiàn)了高速鋼、硬質(zhì)合金、各種增韌陶瓷、銑基金屬陶瓷、聚品金剛石和c—BN等材質(zhì)刀具的使用，大大提高了金屬切削的加工效率。每種材料的刀具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因而有特定的用途。
刀具壽命與膜厚也有一定的關(guān)系。若以后刀面磨損為基準(zhǔn)，隨膜厚增加刀具壽命也會增加，但膜厚為5μm時(shí)達(dá)到飽和，即壽命不再明顯增加；但如果以前刀面月牙洼深度為刀具壽命的基準(zhǔn)，刀具壽命與膜厚成正比，未發(fā)現(xiàn)飽和現(xiàn)象。膜層太厚時(shí)易引起剝離，現(xiàn)在車刀的涂層厚度多為5μm-10μm。
涂層刀具對刀具幾何形狀提出了新的要求。一般認(rèn)為，刀具幾何形狀的改進(jìn)，如前角、排屑空間等，應(yīng)集中在排屑能力上，以適應(yīng)在更高的進(jìn)給量和更高的速度下切削量的增加。涂層刀具有較高的加工效率，它允許有較高的進(jìn)給量和切削速度(可增至原切削速度的2-3倍)。對于難加工材料，涂層對刀具性能改善較大。
對于銑刀的硬質(zhì)涂層，膜厚的影響卻不相同。對鋼制工件進(jìn)行銑削加工時(shí)，無論采用哪種膜層，膜厚大約2μm時(shí)刀具壽命最長，膜厚再增加時(shí)壽命反而下降。但是對沖擊作用較小的鑄鐵等進(jìn)行加工時(shí)，最佳膜厚向更厚的方向變化。在銑削中，TiC涂層具有最好的效果，而Al2O3涂層卻顯示不出在車削加工中的優(yōu)勢。
硬質(zhì)合金刀具通常采用CVD法鍍膜，但PVD鍍膜處理幾乎不造成刃口強(qiáng)度下降，PVD鍍層硬質(zhì)合金銑刀比CVD鍍層更耐用。對于一般高速鋼刀具的耐磨損性能，CVD涂層要優(yōu)于PVD涂層，但精密的、形狀復(fù)雜、價(jià)格昂貴、不可重磨的高速鋼刀具多為PVD鍍膜。
要提高涂層刀具的使用效果、充分發(fā)揮硬質(zhì)涂層的作用是一相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)。為了達(dá)到優(yōu)化組合，建立涂層刀具數(shù)據(jù)庫，對不同的工件，通過計(jì)算機(jī)來選擇刀具涂層材料和加工參數(shù)，情況就變得簡單而有效，從而真正達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的加工目標(biāo)。
刀具表面的硬質(zhì)薄膜對材料有如下要求：①硬度高、耐磨性能好；②化學(xué)性能穩(wěn)定，不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；③耐熱耐氧化，摩擦系數(shù)低，與基體附著牢固等。單一涂層材料很難全部達(dá)到上述技術(shù)要求。涂層材料的發(fā)展，已由最初的單一TiN涂層、TiC涂層，經(jīng)歷了TiC-Al2O3-TiN復(fù)合涂層和TiCN、TiAlN等多元復(fù)合涂層的發(fā)展階段，現(xiàn)在最新發(fā)展了TiN/NbN、TiN/CN，等多元復(fù)合薄膜材料，使刀具涂層的性能有了很大提高。
硬質(zhì)涂層材料中，工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的是TiN。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家TiN涂層高速鋼刀具的使用率已占高速鋼刀具的50%-70%，有的不可重磨的復(fù)雜刀具的使用率已超過90%。由于現(xiàn)代金屬切削對刀具有很高的技術(shù)要求，TiN涂層日益不能適應(yīng)。TiN涂層的耐氧化性較差，使用溫度達(dá)500℃時(shí)，膜層明顯氧化而被燒蝕，而且它的硬度也滿足不了需要。TiC有較高的顯微硬度，因而該材料的耐磨性能較好。同時(shí)它與基體的附著牢固，在制備多層耐磨涂層時(shí)，常將TiC作為與基體接觸的底層膜，在涂層刀具中它是十分常用的涂層材料。
TiCN和TiAlN的開發(fā)，又使涂層刀具的性能上了一個(gè)臺階。TiCN可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高涂層的韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴(kuò)散，減少刀具崩刃。將TiCN設(shè)置為涂層刀具的主耐磨層，可顯著提高刀具的壽命。TiAlN化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化磨損，加工高合金鋼、不銹鋼、欽合金、鎳合金時(shí)，比TiN涂層刀具提高壽命3—4倍。在TiAlN涂層中如果有較高的Al濃度，在切削時(shí)涂層表面會生成一層很薄的非品態(tài)Al2O3，形成一層硬質(zhì)惰性保護(hù)膜，該涂層刀具可更有效地用于高速切削加工。摻氧的氮碳化鈦TiCNO具有很高的顯微硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，可以產(chǎn)生相當(dāng)于TiC+Al2O3復(fù)合涂層的作用。一些過渡金屬氮化物、碳化物、硼化物以及它們的多元復(fù)合化合物，有的具有相當(dāng)高的硬度，這些材料都可以開發(fā)出來應(yīng)用于涂層刀具，將會使涂層刀具的性能有新的突破。
在上述硬質(zhì)薄膜材料中，顯微硬度HV能夠超過50GPa的有3種：金剛石薄膜、立方氮化硼CBN、氮化碳β-C3N4。這些為數(shù)不多的超高硬度薄膜材料的出現(xiàn)，為涂層刀具硬質(zhì)薄膜的發(fā)展開辟了十分稀少而昂貴的天然金剛石遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代工業(yè)的需要。20世紀(jì)50年代中期，美國通用汽車公司人工合成了金剛石，得到顆粒狀和粉末狀金剛石。由于顆粒狀金剛石加工困難，很難把它涂到刀具表面。機(jī)械行業(yè)常用的聚品金剛石刀片(PCD)也由于幾何形狀單一，無斷屑槽和合理的幾何參數(shù)，限制了其性能的發(fā)揮。70年代初采用低壓化學(xué)氣相沉積方法合成了金剛石薄膜，經(jīng)過20多年的熱熔鉆頭技術(shù)攻關(guān)，低壓氣相合成金剛石的技術(shù)終于有了重大突破，研究金剛石成為世界性的熱門課題。
金剛石和石墨是同素異形體，金剛石品體是立方品系，屬Fd3m空間群；而石墨是六角品系，屬R3m空間群。由于原子之間的鍵合方式不同，使其性能差異十分巨大。從熱力學(xué)的理論來看，石墨比金剛石更穩(wěn)定。低壓氣相生長金剛石，在碳的相圖中，是在石墨為穩(wěn)態(tài)而金剛石為亞穩(wěn)態(tài)的區(qū)域中進(jìn)行。然而，由于兩相的化學(xué)勢十分接近，兩相都能生成。低壓氣相合成金剛石的關(guān)鍵技術(shù)是抑制石墨相，促進(jìn)金剛石相生長。常用的合成方法有熱絲法，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)，包括微波PCVD、電子回旋共振ECR—PCVD、直流和射頻PCVD等方法，直流和高頻電弧放電熱等離子體法等。反應(yīng)過程中輸入的能量(如射頻功率、微波功率等)、反應(yīng)氣體的激活狀態(tài)和最佳配比、沉積過程的成核模式等，對于生成金剛石膜有決定性作用。襯底材料的晶型和點(diǎn)陣常數(shù)對金剛石膜成核生長影響很大，當(dāng)金剛石相和石墨相在襯底上同時(shí)成核時(shí)，石墨相就會迅速生長。如果存在高濃度的原于氫就會對長出的石墨相起腐蝕作用而將石墨相除去，雖然它也能對金剛石相起腐蝕作用，但速度卻慢得多，從而達(dá)到抑制石墨相生長的目的。許多沉積金剛石薄膜的溫度要求為600℃-900℃，因此該技術(shù)常用于硬質(zhì)合金刀具表面沉積金剛石薄膜。
金剛石硬質(zhì)合金刀具的商品化，是近幾年涂層技術(shù)的重大成就。與人工合成金剛石薄膜相比，人工合成CBN薄膜的研究工作開展得較晚。BN有3種異構(gòu)體：①CBN立方品系閃鋅礦結(jié)構(gòu)，F(xiàn)43m空間群；②h—BN六方品系石墨結(jié)構(gòu)，P6/mmc空間群；③w—BN六方品系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，P63mc空間群。3種異構(gòu)體的性能差別很大，h—BN具有與石墨極為相似的結(jié)構(gòu)，質(zhì)地很軟。而w—BN和CBN中，B、N原子都要被此形成四配位結(jié)構(gòu)，它們都是超硬材料。用高溫高壓方法得到的CBN是顆粒狀晶體，最高顯微硬度可達(dá)84.3GPa，CBN薄膜的最高顯微硬度為61.8GPa，其綜合性能并不亞于金剛石薄膜。CBN在硬度和導(dǎo)熱率方面僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性極好，在大氣中加熱至1000℃也不發(fā)生氧化。CBN對于鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能，與金剛石不宜加工鋼材不同，它可以廣泛用于鋼鐵制品的精加工、研磨等。CBN涂層除具有優(yōu)良的耐磨損性能外，還可以在相當(dāng)高的切削速度下加工耐熱鋼、鈦合金、淬火鋼，能切削高硬度的冷硬軋輥、摻碳淬火材料和對刀具磨損非常嚴(yán)重的Si-Al合金等。低壓氣相合成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化學(xué)輸運(yùn)PCVD，熱絲輔助加熱PCVD、ECR-CVD等；PVD則有反應(yīng)離子束鍍、活性反應(yīng)蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。
CBN的合成技術(shù)，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)方面都還有不少工作要做，包括反應(yīng)機(jī)制和成膜過程、等離子體診斷和質(zhì)譜分析、最佳工藝條件的確定、高效率設(shè)備的開發(fā)等。
具有超硬涂層的刀具之所以磨損量小，是由于膜層超硬化合物的硬度高、熔點(diǎn)高、熱化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良所致。超硬化合物多為過渡金屬的氮化物、碳化物和硼化物所組成。它們以強(qiáng)大的共價(jià)鍵結(jié)合，具有很低的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能，構(gòu)成了十分穩(wěn)定的體系，在高溫下硬度也不顯著降低。這些膜層較之硬質(zhì)合金和高速鋼等刀具材料顯示出更高的耐機(jī)械磨損和耐熱磨損等方面的能力。
鍍膜條件、工藝參數(shù)、鍍前基體預(yù)處理等對于優(yōu)質(zhì)熱熔鉆頭涂層的制取是非常重要的。刀具表面的狀態(tài)對涂層的附著力至關(guān)重要，被鍍工件表面必須沒有其它膜層、燒斑、銹斑、油污或其它沾污。工件要經(jīng)過嚴(yán)格的噴砂和去油清洗，在真空中生長硬質(zhì)膜前還要進(jìn)行離子轟擊清洗。
不同涂層材料的刀具，使用效果是不一樣的。低速切削，TiC涂層占有優(yōu)勢；高速切削，TiN較合適；HfN的熱化學(xué)穩(wěn)定性比TiN更高，適合于在更高的切削速度下工作。TiN和A1203涂層相比，高速切削時(shí)A1203涂層占有明顯優(yōu)勢，而低速切削時(shí)TiN涂層刀具的使用壽命更長。
涂層刀具與未涂層刀具相比，具有顯著的優(yōu)越性：它可以提高熱熔鉆加工效率，提高加工精度，延長刀具使用壽命，從而保證加工件的質(zhì)量，降低加工成本?，F(xiàn)代化的金屬切削加工，對刀具的要求是高切削速度、高進(jìn)給速度、高可靠性、長壽命、高精度和良好的切削控制性。涂層刀具的出現(xiàn)，使刀具切削性能有了重大突破，它將刀具基體與硬質(zhì)薄膜表層相結(jié)合，由于基體保持了良好的韌性和較高的強(qiáng)度，硬質(zhì)薄膜表層又具有高耐磨性和低摩擦系數(shù)，從而使刀具的性能大大提高。