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刀具涂層技術的現狀及其發展趨勢

更新日期:2006-09-05  作者:成都工具研究所 趙海波   來源:中國工具信息網

1 引言

    眾所周知,刀具表面涂層技術是應市場需求而發展起來的一項優質表面改性技術,由于該項技術可使切削刀具獲得優良的綜合機械性能,不僅可有效地提高刀具使用壽命,而且還能大幅度地提高機械加工效率,因此該項技術已與材料、加工工藝并稱為切削刀具制造的三大關鍵技術。為滿足現代機械加工高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各國都十分注重涂層技術的發展。目前我國刀具涂層技術的發展正處在一個十分關鍵的時刻,尤其是PVD涂層技術,一方面原有的技術已不能滿足切削加工日益變化的要求;另一方面國內各大工具廠涂層設備已到了必須更新換代的時期,因此有計劃、按步驟的發展PVD技術,不僅能促進我國切削刀具產品技術水平的提高,而且還可獲得巨大的經濟效益和社會效益。

2 國際刀具涂層技術的現狀及發展趨勢

    刀具涂層技術目前仍可劃分為兩大類,即CVD(化學氣相沉積)和PVD技術(物理氣相沉積)。

    2.1 國際CVD技術的發展
    CVD技術自上世紀六十年代出現以來,在硬質合金可轉位刀具上得到了極為廣泛的應用。在CVD工藝中,氣相沉積所需金屬源的制備相對容易,可實現TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復合涂層,其涂層與基體結合強度高,薄膜厚度可達7~9μm,相對而言,CVD涂層具有更好的耐磨性。八十年代中后期,美國85%的硬質合金工具采用了涂層處理,其中CVD涂層占到了99%;九十年代中期,CVD涂層硬質合金刀片在涂層硬質合金刀具中仍占到了80%以上。但CVD工藝也有其先天性的缺陷,一是工藝處理溫度高,易造成刀具材料抗彎強度的下降;二是薄膜內部為拉應力狀態,使用中易導致微裂紋的產生;三是CVD工藝所排放的廢氣、廢液會造成工業污染,對環境影響較大,與目前所提倡的綠色工業相抵觸,因此九十年代中期后高溫CVD技術的發展受到了一定的制約。
    八十年代末Krupp Widia開發的PCVD(低溫化學氣相沉積)技術達到了實用水平,其工藝處理溫度已降至450℃~650℃,有效地抑制了η相的產生,可進行TiN、TiCN、TiC等涂層,用于螺紋刀具、銑刀、模具等,但到目前為止PCVD工藝在刀具涂層領域內的應用并不十分廣泛。
    真正引起CVD技術發生突變的是九十年代中期新型MT-CVD(中溫化學氣相沉積)技術的出現。新型MT-CVD是以含C/N的有機物乙腈(CH3CN)為主要反應氣體和TiCL4、H2、N2在700~900℃下產生分解、化學反應,生成TiCN的一種新方法,可獲得致密纖維狀結晶形態的涂層,涂層厚度可達8~10μm。這種涂層結構具有極高的耐磨損性、抗熱震性及韌性,并可通過HT-CVD(高溫化學氣相沉積)工藝技術在表層沉積上Al2O3、TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料。MT-CVD涂層刀片適合于高速、高溫、大負荷、干式切削條件下使用,其壽命可比普通涂層刀片提高1倍左右。
    從目前的發展來看,CVD工藝(包括MT-CVD)主要用于硬質合金車削類刀具的表面涂層,其涂層刀具適合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工,尤其是α-Al2O3涂層是目前PVD技術所難以實現的,因此在干式切削加工中,CVD涂層技術仍占有極其重要的地位。

圖1 新型MT-CVD涂層剖面圖

   2.2 世界PVD技術的發展
    PVD技術出現于上世紀七十年代末期,由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下,因此可作為最終處理工藝用于高速鋼類刀具的涂層。PVD工藝可大幅度提高高速鋼刀具的切削性能,所以該項技術在八十年代得到迅速推廣應用。八十年代末工業發達國家復雜高速鋼刀具PVD涂層比例已超過了60%。
    PVD技術在高速鋼刀具領域的成功應用,引起了世界各國的高度重視,人們在競相開發高性能、高可靠性涂層設備的同時,也對其應用領域的擴大進行了更加深入的研究,尤其是在硬質合金、陶瓷類刀具領域中的應用。與CVD工藝相比,PVD工藝處理溫度低,在600℃以下對刀具材料的抗彎強度沒有影響(見表1試驗結果);薄膜內部為壓應力,更適合于硬質合金精密復雜類刀具的涂層;PVD工藝對環境沒有不利影響,符合目前綠色工業的發展方向;此外,隨著高速切削加工時代的到來,高速鋼刀具應用比例的下降,硬質合金、陶瓷刀具應用比例的上升已成為必然,因此工業發達國家自九十年代初就開始致力于硬質合金刀具PVD涂層技術的研究,九十年代中期,硬質合金刀具PVD涂層技術已取得了突破性的進展,并普遍用于硬質合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。
    目前PVD技術不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結合強度,涂層成分也由第一代的TiN發展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多種多元復合涂層,且由于納米級涂層的出現(見圖2、3ZX涂層,即TiN-AlN涂層),使得PVD涂層刀具質量又有了新的突破,這種薄膜涂層不僅結合強度高、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狀及精度,在進行高精度加工時,其加工精度毫不遜色于未涂層刀具。

硬質合金牌號
平均抗彎強度(MPa)
未涂層
涂層(300℃)
涂層(600℃)
涂層(700℃)
M20
2109
2266
2129
2059
M30
2285
2469
2370
1894
表1 不同溫度下PVD涂層對硬質合金材料抗彎強度的影響⑴

    從目前涂層技術的發展來看,由于單一涂層材料無法滿足對刀具綜合機械性能的要求,現已難以被市場所接受,涂層成分向多元化發展已成為必然趨勢;為滿足不同的切削加工要求,涂層成分會更為復雜、更具針對性;每單層成分也會越來越薄,并逐步趨于納米化;涂層溫度會愈來愈低;刀具涂層工藝則會向更合理方向發展,預計PVD、MT-CVD工藝將會成為主流。

圖2 ZX涂層特性
圖3 ZX涂層結構

序號
時 間
涂層成分
涂層方法
主要應用領域
1
1968年
TiC、TiN
CVD
硬質合金刀具、模具涂層
2
1973年
TiCN、TiC+Al2O3
CVD
硬質合金刀具、模具涂層
3
1979年
TiN
PVD
高速鋼刀具涂層
4
1981年
TiC+Al2O3+TiN、Al-O-N
CVD
硬質合金刀具涂層
5
1982年
TiCN
MT-CVD
硬質合金刀具涂層
6
1984年
TiCN
PVD
硬質合金、高速鋼銑刀、鉆頭類刀具涂層
7
1986年
Diamond、CBN
CVD、PVD
硬質合金刀具涂層
8
1989年
TiAlN
PVD
硬質合金銑刀類涂層用于鋼、鑄鐵加工
9
1990年
TiN、TiCN、TiC
PCVD
用于模具、螺紋刀具、銑刀等
10
1991年
TiAlN+CrC
PVD
車、銑削鈦合金
11
1993年
TiN+TiCN(CVD)+TiN(PVD)
CVD+PVD
硬質合金銑削類刀具
12
1993年
CrN
PVD
用于鈦合金、銅合金加工
13
1994年
MoS2
PVD
用于高速鋼復雜刀具涂層
14
1995年
TiN- AlN
PVD
硬質合金銑刀片涂層
15
1996年
厚膜纖維狀TiCN
MT-CVD
硬質合金車削類刀具涂層,粗、半精加工
16
1996年
CNx
CVD、PVD
已可用于高速鋼刀具涂層
17
2000年
TiAlCN
PVD
硬質合金刀片涂層
表2 主要涂層工藝發展時段及應用領域

3 我國刀具涂層技術發展狀況

    3.1我國CVD技術的發展
    我國CVD涂層技術的研究起源于七十年代初,由于該項技術的專用性強,國內從事其研究的單位并不太多。八十年代中期國內CVD刀具涂層技術達到實用化,其工藝技術與國際水平相當;在隨后十多年里與國際上的發展類似,較為緩慢;九十年代末期,國內開始MT-CVD的研究工作,預計該項工藝及裝備的研究工作2001年內可以完成,屆時設備及工藝技術將達到目前國際先進水平。我國PCVD技術的研究始于九十年代初,該項工藝技術主要應用于模具涂層,在刀具領域內的應用,目前也還不十分廣泛。總體上講,國內CVD技術與國際水平相差不大,如果MT-CVD技術開發成功,整體技術將會與國際先進水平保持同步。

    3.2我國PVD技術的發展
    我國PVD涂層技術的研發工作始于八十年代初,八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機及高速鋼刀具TiN涂層工藝技術。與此同時,由于對刀具涂層市場前景的看好,國內大型工具廠有七家引進了大型PVD涂層設備,并均以高速鋼TiN涂層工藝為主。進口技術及設備的引進,調動了國內PVD技術的開發熱潮,國內各大真空獲得設備廠及眾多的科研單位紛紛展開了大型離子鍍膜機的研制工作,并于九十年代初開發出多種PVD設備。但由于大多數的設備性能指標差,刀具涂層工藝無法保證,再加上預期的市場效益也未能實現,致使大多數單位放棄了PVD刀具涂層技術進一步的研究工作,因此導致近十年里國內刀具PVD涂層技術處于徘徊不前的局面。盡管九十年代末國內成功開發出了硬質合金TiN-TiCN-TiN多元復合涂層工藝技術,并達到了實用水平(見表3),CNx涂層技術也有了重大突破(見表4),但與國際水平相比,我國刀具PVD涂層技術大概落后了十年左右。目前國外刀具PVD技術已發展到了第四代,而國內尚處于第二代的水平,且仍以單層TiN涂層為主。

刀具編號
刀具涂層
主軸轉速(r/min)
切削速度(m/min)
進給量(mm/r)
加工數量(件)
停試原因
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
未涂層
1400
88
0.214
70
工件掉渣
備 注
被加工件發動機缸體、被加工材料TL-009、硬度HB195+40、干式切削
表3 整體硬質合金階梯鉆TiCN涂層對比切削試驗⑴

編 號
切 削 壽 命 ( 孔 數 )
未涂層直柄麻花鉆
TiN涂層直柄麻花鉆
CNx涂層直柄麻花鉆
1
6
62
269
2
3
80
168
3
4
155
461
4
/
/
276
5
/
/
181
平均值
孔 數
4
99
271
切削長度
80mm
1980mm
5420mm
備 注
鉆頭規格 HSS1/4″ 試坯 40Cr HB210 切削條件 n=1820r/min v=36.3m/min f=0.22mm/r 盲孔20mm
表4 CNx涂層直柄麻花鉆對比試驗⑵

4 我國刀具PVD涂層技術存在的主要問題

    我國刀具PVD涂層技術起步時間與國際上相差并不很遠,而且在發展初期又大量引進了當時國際上最先進的各類涂層設備,八十年代后期國內涂層設備也得到了迅速發展,但該項技術真正在高速鋼刀具上普遍應用,卻是在九十年代中期前后,到目前為止盡管硬質合金刀具TiCN涂層已取得了突破,但國內市場仍以TiN涂層為主,究其原因可歸納為以下幾個方面:

    4.1國外涂層設備的集中引進給PVD技術的后續發展造成了某些負面影響
    八十年代中期國外PVD技術裝備的集中引進雖然使該項技術的發展有了一個高的起點,同時也解決了高速鋼刀具的涂層問題,但由于這些設備引進廠家都是國內刀具生產骨干企業,其產品在國內市場占有很大比例,這些先進設備的引進在相當長的一段時間內已可以滿足企業的生產要求,因此從另一方面看,影響了國產設備在刀具領域內的應用與發展提高;此外八十年代中期PVD技術還處于發展初期,隨著該項技術的飛速發展,九十年代后新技術層出不窮,這些企業面臨著技術更新的局面,但資金的壓力使得企業不得不放棄引進新技術的打算,國內也因此錯失了發展提高PVD技術的最佳時期。

    4.2與國外相比國內對新工藝的開發重視不夠
    盡管八十年代國內引進了最先進的技術,但由于當時PVD技術尚處發展初期,國內對其后續發展空間及速度無法充分估計,此外物理涂層技術是集電子物理、材料、真空控制技術于一體的新興科學技術,在研究、生產、應用等方面對人員的配置有較高的要求,而大部分引進廠家主要偏重于生產,在人員、物資的配置上無法推動工藝技術的自我發展,新工藝、新技術仍需引進,而新工藝技術引進的費用卻十分昂貴,例如Balzers設備從TiN涂層工藝提升到TiCN涂層,僅硬件改造費就需30萬美元。

    4.3在設備的開發上缺乏統一性、合理性及協作性
    八十年代后期,國內真空設備制造廠及一些科研單位對PVD刀具涂層市場過于樂觀,各自紛紛加大各類PVD涂層設備的開發力度,但由于缺乏對刀具及其涂層技術的深入了解,也未加強與工具廠的合作,所開發的涂層設備大部分無法滿足刀具涂層工藝的要求,尤其是精密高速鋼刀具涂層技術尚達不到批量生產水平。這類設備大多只能用于麻花鉆的涂層,由于麻花鉆涂層費用極低,相應涂層設備的利潤也很低,因此進入九十年代后,大部分真空設備制造廠已把發展方向轉向其他行業(如裝飾涂層等)。

    4.4售后服務的欠缺制約了國產涂層設備的推廣應用
    到目前為止國內大部分涂層設備生產廠家都不能提供完整的刀具涂層工藝技術(包括前處理工藝、涂層工藝、涂后處理工藝、檢測技術、涂層刀具應用技術等),由于這種不完整性,給使用者帶來了許多意想不到技術問題,而且設備生產廠也不能提供長期的技術服務,無法在技術上給予保證,導致國產涂層設備難以正常使用,從而極大地限制了PVD涂層設備的推廣應用。

    4.5涂層質量的不穩定制約了涂層技術的推廣應用
    引進設備的高昂價格,造成涂層價格的居高不下,涂層費用甚至超過了刀具價格的50%,此外由于引進的渠道不一,設備選擇的依據不同,導致設備工藝水平相差較大,從而影響了涂層刀具的使用效果(見表5);同時又由于國產涂層刀具的質量不穩定,涂層刀具檢驗標準不齊全,因此在應用領域造成了涂層價格高,但涂層質量不穩定,刀具性能改善不明顯的印象,嚴重影響了該技術的推廣應用及發展。

廠家
編號
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
備 注
鉆頭規格 HSSφ8 試坯 40Cr HB210 切削條件 v=35m/min f=0.28mm/r 盲孔24mm
表5 不同設備TiN涂層高速鋼鉆頭切削壽命(孔數)對比試驗結果⑶

    4.6國內機械加工的低水平也制約了涂層技術的迅速發展
    我國八十年代數控機床的應用還不十分廣泛,機械加工仍處于較低水平,高速鋼刀具的應用占到了80%以上,硬質合金刀具仍以焊接刀具為主,可轉位刀片以車削類刀具為主(一般多采用CVD涂層),整體硬質合金立銑刀、鉆頭、鉸刀等應用較少,因此對PVD硬質合金刀具涂層的要求并不十分迫切。

5 發展我國PVD技術的幾點建議

    隨著我國汽車、航空航天、汽輪機等工業的發展,以及數控機床的迅速普及,我國機械加工正朝著高速切削的方向發展,高速滾齒、高速銑削以及干式切削的應用,對刀具涂層技術提出了更高的要求。以齒輪高速滾削加工工藝為例,先進的工藝需要采用MoS2軟涂層技術,與TiN涂層相比,其壽命可提高一倍以上;而在高速銑削加工中,硬質合金銑刀類刀具多選用TiAlN、TiAlCN或TiN-AlN涂層,單一的TiN涂層根本不適合此類加工。因此市場的需求,已迫使國內必須加速PVD新技術的發展。

   發展新型PVD涂層技術應注意以下幾點:

    5.1加強該項目的規劃及管理工作
    工具行業管理部門應加強該項目的規劃及管理工作,明確我國短、中、長期發展目標,確立有計劃不間斷發展的方針,并通過"官、產、學、研、商"的結合,使項目在政策上和資金上都能得到有利地支持。實際上八十年代中期,機械工業部機床工具司為阻止PVD涂層設備進口事態的進一步擴大,組織了全行業的力量對引進設備進行攻關,其中所開發的熱陰極弧磁控等離子鍍膜機,已成功的在工具行業推廣應用,并因此帶動了國內TiN涂層刀具的普及應用。

    5.2建立統一的研究、開發、服務體系
    建立統一的研究、開發、服務體系,根據國內外市場的需求,有系統地引進國際先進技術,加強對引進技術的消化吸收及協作研究工作,并逐步達到自我開發的水平,最終實現參與國際市場競爭。

    5.3建立刀具涂層技術的行業標準
    建立涂層設備、涂層刀具行業檢驗標準,嚴格控制涂層刀具質量,確保涂層技術大面積的推廣應用。

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