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硬質合金塗層


      塗層刀具是在強度和韌性較好的硬質合金或高速鋼(HSS)基體表面上,利用氣相沉積方法塗覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物(也可塗覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而獲得的。塗層作為一個化學屏障和熱屏障,減少了刀具與工件間的擴散和化學反應,從而減少了月牙槽磨損。塗層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦因數小和熱導率低等特性,切削時可比未塗層刀具提高刀具壽命3~5倍以上,提高切削速度20%~70%,提高加工精度0.5~1級,降低刀具消耗費用20%~50%。因此,塗層刀具已成為現代切削刀具的標誌,在刀具中的使用比例已超過50%。目前,切削加工中使用的各種刀具,包括車刀、鏜刀、鑽頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可採用塗層工藝來提高它們的使用性能。
塗層刀具有四種:塗層高速鋼刀具,塗層硬質合金刀具,以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的塗層刀具。但以前兩種塗層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的塗層是硬度較基體低的材料,目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上),可減少刀片的崩刃及破損,擴大應用範圍。

生產硬質合金塗層方法

目前生產上常用的塗層方法有兩種:物理氣相沉積(PVD) 法和化學氣相沉積(CVD) 法。前者沉積溫度為500℃,塗層厚度為2~5µm;後者的沉積溫度為900℃~1100℃,塗層厚度可達5~10µm,並且設備簡單,塗層均勻。因PVD法未超過高速鋼本身的回火溫度,故高速鋼刀具一般採用PVD法,硬質合金大多采用CVD法。硬質合金用CVD法塗層時,由於其沉積溫度高,故塗層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層(η相),導致刀片脆性破裂。近十幾年來,隨著塗覆技術的進步,硬質合金也可採用PVD法。國外還用PVD/CVD相結合的技術,開發了複合的塗層工藝,稱為PACVD法(等離子體化學氣相沉積法)。即利用等離子體來促進化學反應,可把塗覆溫度降至400℃以下(目前塗覆溫度已可降至180℃~200℃),使硬質合金基體與塗層材料之間不會產生擴散、相變或交換反應,可保持刀片原有的韌性。據報導,這種方法對塗覆金剛石和立方氮化硼(CBN)超硬塗層特別有效。用CVD法塗層時,切削刃需預先進行鈍化處理(鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm,切削刃強度隨鈍圓半徑增大而提高),故刃口沒有未塗層刀片鋒利。所以,對精加工產生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應採用PVD法。塗層除可塗覆在普通切削刀片上外,還可塗覆到整體刀具上,目前已發展到塗覆在焊的硬質合金刀具上。據報導,國外某公司在焊接式的硬質合金鑽頭上採用了PCVD法,結果使加工鋼料時的鑽頭壽命比高速鋼鑽頭長10倍,效率提高5倍。

各種新型塗層

塗層 顏色 硬度HV 厚度 摩擦係數 最高適用溫度 說明
ZrCN复合 兰灰 2500 1-4 0.3 550 通用性強
TiN单层 金黄 2300 1-4 0.4 500 高性價比塗層
TiAlN复合 紫色 3200 1-4 0.5 800 通用性強
AlTiN复合 3400 1-4 0.5 900 高速、高硬度加工
TiAlCrN 亚黑 3500 1-4 0.6 1000 特殊加工領域
TiCN渐层 灰黑 3000 1-4 0.4 400 高韌性通用塗層
DLC 黑彩 1000-4000 0.5-2 0.05 400 適用於有色金屬、石墨、塑膠
CrN渐层 银亮 2000 3-15 0.5 700 適用加工銅、鈦、模具

塗層材料

塗層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、不與工件材料發生化學反應、耐熱耐氧化、摩擦因數低,以及與基體附著牢固等要求。顯然,單一的塗層材料很難滿足上述各項要求。所以硬質塗層材料已由最初只能塗單一的TiC、TiN、Al2O3,進入到開發厚膜、複合和多元塗層的新階段。新開發的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多層塗層與TiC、TiN、Al2O3等塗層的複合,加上新型的抗塑性變形基體,在改善塗層的韌性、塗層與基體的結合強度、提高塗層耐磨性方面有了重大進展。目前,又突破了在硬質合金基體上塗覆金剛石薄膜技術,全面提高了刀具的性能。

 

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