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刀具涂层技术的现状及其发展趋势

更新日期:2006-09-05  作者:成都工具研究所 赵海波   来源:中国工具信息网

1 引言

    众所周知,刀具表面涂层技术是应市场需求而发展起来的一项优质表面改性技术,由于该项技术可使切削刀具获得优良的综合机械性能,不仅可有效地提高刀具使用寿命,而且还能大幅度地提高机械加工效率,因此该项技术已与材料、加工工艺并称为切削刀具制造的三大关键技术。为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各国都十分注重涂层技术的发展。目前我国刀具涂层技术的发展正处在一个十分关键的时刻,尤其是PVD涂层技术,一方面原有的技术已不能满足切削加工日益变化的要求;另一方面国内各大工具厂涂层设备已到了必须更新换代的时期,因此有计划、按步骤的发展PVD技术,不仅能促进我国切削刀具产品技术水平的提高,而且还可获得巨大的经济效益和社会效益。

2 国际刀具涂层技术的现状及发展趋势

    刀具涂层技术目前仍可划分为两大类,即CVD(化学气相沉积)和PVD技术(物理气相沉积)。

    2.1 国际CVD技术的发展
    CVD技术自上世纪六十年代出现以来,在硬质合金可转位刀具上得到了极为广泛的应用。在CVD工艺中,气相沉积所需金属源的制备相对容易,可实现TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等单层及多元多层复合涂层,其涂层与基体结合强度高,薄膜厚度可达7~9μm,相对而言,CVD涂层具有更好的耐磨性。八十年代中后期,美国85%的硬质合金工具采用了涂层处理,其中CVD涂层占到了99%;九十年代中期,CVD涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占到了80%以上。但CVD工艺也有其先天性的缺陷,一是工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度的下降;二是薄膜内部为拉应力状态,使用中易导致微裂纹的产生;三是CVD工艺所排放的废气、废液会造成工业污染,对环境影响较大,与目前所提倡的绿色工业相抵触,因此九十年代中期后高温CVD技术的发展受到了一定的制约。
    八十年代末Krupp Widia开发的PCVD(低温化学气相沉积)技术达到了实用水平,其工艺处理温度已降至450℃~650℃,有效地抑制了η相的产生,可进行TiN、TiCN、TiC等涂层,用于螺纹刀具、铣刀、模具等,但到目前为止PCVD工艺在刀具涂层领域内的应用并不十分广泛。
    真正引起CVD技术发生突变的是九十年代中期新型MT-CVD(中温化学气相沉积)技术的出现。新型MT-CVD是以含C/N的有机物乙腈(CH3CN)为主要反应气体和TiCL4、H2、N2在700~900℃下产生分解、化学反应,生成TiCN的一种新方法,可获得致密纤维状结晶形态的涂层,涂层厚度可达8~10μm。这种涂层结构具有极高的耐磨损性、抗热震性及韧性,并可通过HT-CVD(高温化学气相沉积)工艺技术在表层沉积上Al2O3、TiN等抗高温氧化性能好、与被加工材料亲和力小、自润滑性能好的材料。MT-CVD涂层刀片适合于高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用,其寿命可比普通涂层刀片提高1倍左右。
    从目前的发展来看,CVD工艺(包括MT-CVD)主要用于硬质合金车削类刀具的表面涂层,其涂层刀具适合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工,尤其是α-Al2O3涂层是目前PVD技术所难以实现的,因此在干式切削加工中,CVD涂层技术仍占有极其重要的地位。

图1 新型MT-CVD涂层剖面图

   2.2 世界PVD技术的发展
    PVD技术出现于上世纪七十年代末期,由于其工艺处理温度可控制在500℃以下,因此可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。PVD工艺可大幅度提高高速钢刀具的切削性能,所以该项技术在八十年代得到迅速推广应用。八十年代末工业发达国家复杂高速钢刀具PVD涂层比例已超过了60%。
    PVD技术在高速钢刀具领域的成功应用,引起了世界各国的高度重视,人们在竞相开发高性能、高可靠性涂层设备的同时,也对其应用领域的扩大进行了更加深入的研究,尤其是在硬质合金、陶瓷类刀具领域中的应用。与CVD工艺相比,PVD工艺处理温度低,在600℃以下对刀具材料的抗弯强度没有影响(见表1试验结果);薄膜内部为压应力,更适合于硬质合金精密复杂类刀具的涂层;PVD工艺对环境没有不利影响,符合目前绿色工业的发展方向;此外,随着高速切削加工时代的到来,高速钢刀具应用比例的下降,硬质合金、陶瓷刀具应用比例的上升已成为必然,因此工业发达国家自九十年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD涂层技术的研究,九十年代中期,硬质合金刀具PVD涂层技术已取得了突破性的进展,并普遍用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。
    目前PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度,涂层成分也由第一代的TiN发展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多种多元复合涂层,且由于纳米级涂层的出现(见图2、3ZX涂层,即TiN-AlN涂层),使得PVD涂层刀具质量又有了新的突破,这种薄膜涂层不仅结合强度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好,并可有效地控制精密刀具刃口形状及精度,在进行高精度加工时,其加工精度毫不逊色于未涂层刀具。

硬质合金牌号
平均抗弯强度(MPa)
未涂层
涂层(300℃)
涂层(600℃)
涂层(700℃)
M20
2109
2266
2129
2059
M30
2285
2469
2370
1894
表1 不同温度下PVD涂层对硬质合金材料抗弯强度的影响⑴

    从目前涂层技术的发展来看,由于单一涂层材料无法满足对刀具综合机械性能的要求,现已难以被市场所接受,涂层成分向多元化发展已成为必然趋势;为满足不同的切削加工要求,涂层成分会更为复杂、更具针对性;每单层成分也会越来越薄,并逐步趋于纳米化;涂层温度会愈来愈低;刀具涂层工艺则会向更合理方向发展,预计PVD、MT-CVD工艺将会成为主流。

图2 ZX涂层特性
图3 ZX涂层结构

序号
时 间
涂层成分
涂层方法
主要应用领域
1
1968年
TiC、TiN
CVD
硬质合金刀具、模具涂层
2
1973年
TiCN、TiC+Al2O3
CVD
硬质合金刀具、模具涂层
3
1979年
TiN
PVD
高速钢刀具涂层
4
1981年
TiC+Al2O3+TiN、Al-O-N
CVD
硬质合金刀具涂层
5
1982年
TiCN
MT-CVD
硬质合金刀具涂层
6
1984年
TiCN
PVD
硬质合金、高速钢铣刀、钻头类刀具涂层
7
1986年
Diamond、CBN
CVD、PVD
硬质合金刀具涂层
8
1989年
TiAlN
PVD
硬质合金铣刀类涂层用于钢、铸铁加工
9
1990年
TiN、TiCN、TiC
PCVD
用于模具、螺纹刀具、铣刀等
10
1991年
TiAlN+CrC
PVD
车、铣削钛合金
11
1993年
TiN+TiCN(CVD)+TiN(PVD)
CVD+PVD
硬质合金铣削类刀具
12
1993年
CrN
PVD
用于钛合金、铜合金加工
13
1994年
MoS2
PVD
用于高速钢复杂刀具涂层
14
1995年
TiN- AlN
PVD
硬质合金铣刀片涂层
15
1996年
厚膜纤维状TiCN
MT-CVD
硬质合金车削类刀具涂层,粗、半精加工
16
1996年
CNx
CVD、PVD
已可用于高速钢刀具涂层
17
2000年
TiAlCN
PVD
硬质合金刀片涂层
表2 主要涂层工艺发展时段及应用领域

3 我国刀具涂层技术发展状况

    3.1我国CVD技术的发展
    我国CVD涂层技术的研究起源于七十年代初,由于该项技术的专用性强,国内从事其研究的单位并不太多。八十年代中期国内CVD刀具涂层技术达到实用化,其工艺技术与国际水平相当;在随后十多年里与国际上的发展类似,较为缓慢;九十年代末期,国内开始MT-CVD的研究工作,预计该项工艺及装备的研究工作2001年内可以完成,届时设备及工艺技术将达到目前国际先进水平。我国PCVD技术的研究始于九十年代初,该项工艺技术主要应用于模具涂层,在刀具领域内的应用,目前也还不十分广泛。总体上讲,国内CVD技术与国际水平相差不大,如果MT-CVD技术开发成功,整体技术将会与国际先进水平保持同步。

    3.2我国PVD技术的发展
    我国PVD涂层技术的研发工作始于八十年代初,八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具TiN涂层工艺技术。与此同时,由于对刀具涂层市场前景的看好,国内大型工具厂有七家引进了大型PVD涂层设备,并均以高速钢TiN涂层工艺为主。进口技术及设备的引进,调动了国内PVD技术的开发热潮,国内各大真空获得设备厂及众多的科研单位纷纷展开了大型离子镀膜机的研制工作,并于九十年代初开发出多种PVD设备。但由于大多数的设备性能指标差,刀具涂层工艺无法保证,再加上预期的市场效益也未能实现,致使大多数单位放弃了PVD刀具涂层技术进一步的研究工作,因此导致近十年里国内刀具PVD涂层技术处于徘徊不前的局面。尽管九十年代末国内成功开发出了硬质合金TiN-TiCN-TiN多元复合涂层工艺技术,并达到了实用水平(见表3),CNx涂层技术也有了重大突破(见表4),但与国际水平相比,我国刀具PVD涂层技术大概落后了十年左右。目前国外刀具PVD技术已发展到了第四代,而国内尚处于第二代的水平,且仍以单层TiN涂层为主。

刀具编号
刀具涂层
主轴转速(r/min)
切削速度(m/min)
进给量(mm/r)
加工数量(件)
停试原因
1
TiCN
1400
88
0.214
480
工件掉渣
2
TiCN
1400
88
0.214
170
工件掉渣
3
TiCN
1400
88
0.214
315
工件掉渣
4
未涂层
1400
88
0.214
70
工件掉渣
备 注
被加工件发动机缸体、被加工材料TL-009、硬度HB195+40、干式切削
表3 整体硬质合金阶梯钻TiCN涂层对比切削试验⑴

编 号
切 削 寿 命 ( 孔 数 )
未涂层直柄麻花钻
TiN涂层直柄麻花钻
CNx涂层直柄麻花钻
1
6
62
269
2
3
80
168
3
4
155
461
4
/
/
276
5
/
/
181
平均值
孔 数
4
99
271
切削长度
80mm
1980mm
5420mm
备 注
钻头规格 HSS1/4″ 试坯 40Cr HB210 切削条件 n=1820r/min v=36.3m/min f=0.22mm/r 盲孔20mm
表4 CNx涂层直柄麻花钻对比试验⑵

4 我国刀具PVD涂层技术存在的主要问题

    我国刀具PVD涂层技术起步时间与国际上相差并不很远,而且在发展初期又大量引进了当时国际上最先进的各类涂层设备,八十年代后期国内涂层设备也得到了迅速发展,但该项技术真正在高速钢刀具上普遍应用,却是在九十年代中期前后,到目前为止尽管硬质合金刀具TiCN涂层已取得了突破,但国内市场仍以TiN涂层为主,究其原因可归纳为以下几个方面:

    4.1国外涂层设备的集中引进给PVD技术的后续发展造成了某些负面影响
    八十年代中期国外PVD技术装备的集中引进虽然使该项技术的发展有了一个高的起点,同时也解决了高速钢刀具的涂层问题,但由于这些设备引进厂家都是国内刀具生产骨干企业,其产品在国内市场占有很大比例,这些先进设备的引进在相当长的一段时间内已可以满足企业的生产要求,因此从另一方面看,影响了国产设备在刀具领域内的应用与发展提高;此外八十年代中期PVD技术还处于发展初期,随着该项技术的飞速发展,九十年代后新技术层出不穷,这些企业面临着技术更新的局面,但资金的压力使得企业不得不放弃引进新技术的打算,国内也因此错失了发展提高PVD技术的最佳时期。

    4.2与国外相比国内对新工艺的开发重视不够
    尽管八十年代国内引进了最先进的技术,但由于当时PVD技术尚处发展初期,国内对其后续发展空间及速度无法充分估计,此外物理涂层技术是集电子物理、材料、真空控制技术于一体的新兴科学技术,在研究、生产、应用等方面对人员的配置有较高的要求,而大部分引进厂家主要偏重于生产,在人员、物资的配置上无法推动工艺技术的自我发展,新工艺、新技术仍需引进,而新工艺技术引进的费用却十分昂贵,例如Balzers设备从TiN涂层工艺提升到TiCN涂层,仅硬件改造费就需30万美元。

    4.3在设备的开发上缺乏统一性、合理性及协作性
    八十年代后期,国内真空设备制造厂及一些科研单位对PVD刀具涂层市场过于乐观,各自纷纷加大各类PVD涂层设备的开发力度,但由于缺乏对刀具及其涂层技术的深入了解,也未加强与工具厂的合作,所开发的涂层设备大部分无法满足刀具涂层工艺的要求,尤其是精密高速钢刀具涂层技术尚达不到批量生产水平。这类设备大多只能用于麻花钻的涂层,由于麻花钻涂层费用极低,相应涂层设备的利润也很低,因此进入九十年代后,大部分真空设备制造厂已把发展方向转向其他行业(如装饰涂层等)。

    4.4售后服务的欠缺制约了国产涂层设备的推广应用
    到目前为止国内大部分涂层设备生产厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具应用技术等),由于这种不完整性,给使用者带来了许多意想不到技术问题,而且设备生产厂也不能提供长期的技术服务,无法在技术上给予保证,导致国产涂层设备难以正常使用,从而极大地限制了PVD涂层设备的推广应用。

    4.5涂层质量的不稳定制约了涂层技术的推广应用
    引进设备的高昂价格,造成涂层价格的居高不下,涂层费用甚至超过了刀具价格的50%,此外由于引进的渠道不一,设备选择的依据不同,导致设备工艺水平相差较大,从而影响了涂层刀具的使用效果(见表5);同时又由于国产涂层刀具的质量不稳定,涂层刀具检验标准不齐全,因此在应用领域造成了涂层价格高,但涂层质量不稳定,刀具性能改善不明显的印象,严重影响了该技术的推广应用及发展。

厂家
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
平均值
A
1467
1513
1371
1281
1180
966
1115
1195
1261
B
522
350
126
341
794
512
538
644
478
C
84
45
10
10
7
32
178
4
46
D
466
203
252
844
66
634
347
346
395
E
126
128
39
20
7
100
68
46
67
F
13
33
70
154
168
44
40
91
77
G
725
125
404
200
42
686
820
78
385
H
38
43
26
27
15
43
36
43
34
I
1085
425
764
556
1054
562
605
731
723
J
622
626
411
33
774
1190
715
74
556
备 注
钻头规格 HSSφ8 试坯 40Cr HB210 切削条件 v=35m/min f=0.28mm/r 盲孔24mm
表5 不同设备TiN涂层高速钢钻头切削寿命(孔数)对比试验结果⑶

    4.6国内机械加工的低水平也制约了涂层技术的迅速发展
    我国八十年代数控机床的应用还不十分广泛,机械加工仍处于较低水平,高速钢刀具的应用占到了80%以上,硬质合金刀具仍以焊接刀具为主,可转位刀片以车削类刀具为主(一般多采用CVD涂层),整体硬质合金立铣刀、钻头、铰刀等应用较少,因此对PVD硬质合金刀具涂层的要求并不十分迫切。

5 发展我国PVD技术的几点建议

    随着我国汽车、航空航天、汽轮机等工业的发展,以及数控机床的迅速普及,我国机械加工正朝着高速切削的方向发展,高速滚齿、高速铣削以及干式切削的应用,对刀具涂层技术提出了更高的要求。以齿轮高速滚削加工工艺为例,先进的工艺需要采用MoS2软涂层技术,与TiN涂层相比,其寿命可提高一倍以上;而在高速铣削加工中,硬质合金铣刀类刀具多选用TiAlN、TiAlCN或TiN-AlN涂层,单一的TiN涂层根本不适合此类加工。因此市场的需求,已迫使国内必须加速PVD新技术的发展。

   发展新型PVD涂层技术应注意以下几点:

    5.1加强该项目的规划及管理工作
    工具行业管理部门应加强该项目的规划及管理工作,明确我国短、中、长期发展目标,确立有计划不间断发展的方针,并通过"官、产、学、研、商"的结合,使项目在政策上和资金上都能得到有利地支持。实际上八十年代中期,机械工业部机床工具司为阻止PVD涂层设备进口事态的进一步扩大,组织了全行业的力量对引进设备进行攻关,其中所开发的热阴极弧磁控等离子镀膜机,已成功的在工具行业推广应用,并因此带动了国内TiN涂层刀具的普及应用。

    5.2建立统一的研究、开发、服务体系
    建立统一的研究、开发、服务体系,根据国内外市场的需求,有系统地引进国际先进技术,加强对引进技术的消化吸收及协作研究工作,并逐步达到自我开发的水平,最终实现参与国际市场竞争。

    5.3建立刀具涂层技术的行业标准
    建立涂层设备、涂层刀具行业检验标准,严格控制涂层刀具质量,确保涂层技术大面积的推广应用。

 etyjtykjuy