刀具表面处理浅谈

切削刀具表面涂层技术浅谈

王朋朋

摘要：随着材料科学的发展和机械加工技术的进步，我们对切削金属时的刀具的要求也日益提高。切削刀具向着高切削速度、高可靠性、长寿命和高精度的方向发展。因此，刀具表面的涂层技术就显得愈加重要。

关键词：刀具表面处理；刀具表面涂层；物理气相沉积

Abstract: With the development of Materials Science and Mechanical technology advances, we are metal cutting tool requirement also is increasing day by day. Cutting tool in high cutting speed, high reliability, long life and high precision in the direction of development. As a result, coating on the surface of the cutting tool technology becomes more and more important.

Keywords: Tools Surface ; Tools Surface Coating; PVD

随着科学技术，工艺生产的进步，对材料的要求愈来愈高，同时对切削材料的刀具的要求愈加复杂，要求切削的速度不断提高，传统的普通刀具往往不能够满足现在的新的要求。虽然可以采取各种手段，提高刀具材料的硬度和耐磨性，但同时也会使刀具的强度和韧性下降，从而影响切削加工零件的使用性能。刀具的耐磨性在于表面质量，提高表面质量的主要手段是对刀具表面进行表面处理。 一.刀具表面涂层技术介绍与特点

表面涂层技术，就是再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，一般采用TiC、TiAlN等，由于刀具表面涂层具有很高的硬度和耐磨性，同普通刀具相比，在原来的刀具强度的基础上，又可以很好的提高刀具的表面的硬度、耐磨性和刀具的切削性能，因而可以显著的延长刀具的使用寿命。

二.刀具涂层方法的种类与介绍

目前工业生产中刀具表面涂层技术主要方法有化学热处理，热喷涂法、溶胶-凝胶法、气相沉积法（化学气相沉积CVD、物理气相沉积PVD）、等离子体化学气相沉积，盐浴浸镀法等。

化学热处理是将刀具置于特定的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入刀具的表层，以改变其化学成分，组织和性能的热处理工艺，通常主要渗入的元素有：C、N、B、Si等。

热喷涂法是将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，使用高压气流使其雾化并喷于刀具表面，从而形成一定厚度的涂层，这种方法工艺简单，生产率高，但涂层与集体材料的结合差，涂层硬度也不是很理想。

溶胶-凝胶法就是用含有高化学组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网格结构的凝胶，凝胶网格间充满了失去流动性的的溶剂，形成凝胶，凝胶经过干燥，烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料，过程易控制。

气相沉积分为化学气相沉积CVD和物理气相沉积PVD。

化学气相沉积（CVD）属于原子沉积类，是利用气态的先驱反应物通过原子分子间化学反应的方法生成固态涂层技术。CVD过程大多是在相对较高的压力和沉积温度的环境下进行的；因为较高的压力有利于提高涂层的沉积速度，较高的沉积温度才能使化学反应顺利进行。常用硬质合金刀的CVD涂层材料有TiC、TiN、TiCN、Al2O3，以及它们的复合材料，多用于普通钢材的普通半精及精加工；TiC/Al2O3和TiC/Al2O3/TiN复合材料还可以用于高速及重负荷切削。

CVD涂层工艺的温度大约为1000℃，涂层和基体间的结合力很强，但是也会产生一些缺点：刀具切削刃一般需要钝化预处理，刀具表面易出现参与拉应力，高速钢刀具表面涂层性能较差；此外CVD技术的沉积温度过高，超过了大多常用材料的热处理温度，在这样的高温下，镀层与基体都会产生晶粒长大和失碳，因而产生一种或几种复式碳化物，会使硬质合金的抗弯强度降低，同时也增大刃口的脆性，造成刀刃的过早的损坏。

物理气相沉积PVD是利用一些物理过程，如物质的蒸发或受到粒子的轰击时物质表面原子的溅射现象，从而实现原子从源物质到沉积涂层的可控转移的过程，是在分子、原子的尺度上沉积涂层。按照涂层薄膜的结构形式，PVD涂层大致可分为单层涂层、多元涂层、梯度涂层、多层涂层和纳米涂层超硬材料涂层等。

与CVD相比较而言，PVD技术有以下优点：PVD技术的沉积温度低，可以在200~600℃以下沉积TiN等超硬涂层，并且不会降低基体材料的原有抗弯强度。涂层具有微细结构，在涂层的内部会产生压应力，所以抵抗裂纹扩展的能力强。

涂层表面光滑，可降低摩擦系数，比CVD涂层能更有效地阻止前刀面的横裂纹产生和扩展。可以使用刃口锋利的刀具作基体。 三.刀具涂层技术的发展

自上世纪90年代初，工业发达国家就开始致力于刀具CVD涂层技术，现已普遍应用于各类刀具。我国PVD涂层技术的研究开始于20世纪90年代中期，由于对刀具涂层市场的看好，国内一些大型的工厂最先开始引进了PVD刀具涂层技术和设备，引发了国内刀具PVD刀具的研发热潮。

目前国内刀具涂层行业重点发展的方向是PVD技术，已经呈现多元化发展的趋势，归纳起来主要有以下几种类型：①阴极电弧法；②热阴极法；③磁控溅射法；④磁控溅射附加阴极电弧法；⑤空心阴极附加磁控溅射及阴极电弧法。

由于传统的单一涂层难以满足提高刀具综合机械性能的要求，而多元涂层具有加工效率高，可提高加工精度，延长刀具使用寿命降低加工成本等优势；涂层技术已有单层薄膜向梯度、多层、纳米及纳米复合结构薄膜涂层发展。 结语

涂层技术在不断的进步，日趋复杂化和多样化，从最初的高温化学气相沉积涂层发展为等离子化学气相沉积涂层、中温化学气相沉积涂层等；涂层的种类也在不断地更新，从单一的化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展；涂层刀具后处理技术对刀具性能有重要的影响，目前涂层刀具处理技术包括热处理、磁化处理、深冷处理，不难想象，随着工业生产的发展，也将会出现更多新型的后处理方法；涂层刀具在切削加工中的应用的效果十分明显，不仅减少了刀具的消耗，延长了刀具使用寿命，增大了机械加工的切削用量，提高了被加工的零件的表面质量。

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