真空PVD鍍膜工藝——刀具涂層
真空PVD鍍膜工藝——刀具涂層
發(fā)布時(shí)間：2019-06-18
通過化學(xué)或物理的方法在刀具表面形成某種薄膜（即鍍膜工藝），使切削刀具獲得優(yōu)良的綜合切削性能，從而滿足高速切削加工的要求。自20世紀(jì)70年代初硬質(zhì)涂層刀具問世以來，化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)和物理氣相沉積(PVD)技術(shù)相繼得到發(fā)展，為刀具性能的提高開創(chuàng)了歷史的新篇章。涂層刀具與未涂層刀具相比，具有顯著的優(yōu)越性：它可大幅度提高切削刀具壽命；有效地提高切削加工效率；提高加工精度并明顯提高被加工工件的表面質(zhì)量；有效地減少刀具材料的消耗，降低加工成本；減少冷卻液的使用，降低成本，利于環(huán)境保護(hù)。
刀具涂層的特點(diǎn)：
1、采用涂層技術(shù)可在不降低刀具強(qiáng)度的條件下，大幅度地提高刀具表面硬度，目前所能達(dá)到的硬度已接近100GPa。
2、隨著涂層技術(shù)的飛速發(fā)展，薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性及高溫抗氧化性更加突出，從而使高速切削加工成為可能。
3、潤(rùn)滑薄膜具有良好的固相潤(rùn)滑性能，可有效地改善加工質(zhì)量，也適合于干式切削加工。
4、涂層技術(shù)作為刀具制造的最終工序，對(duì)刀具精度幾乎沒有影響，并可進(jìn)行重復(fù)涂層工藝。
常用的涂層：
1、氮化鈦涂層：氮化鈦（TiN）是一種通用型真空PVD鍍膜涂層，可以提高刀具硬度并具有較高的氧化溫度。該涂層用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得很不錯(cuò)的加工效果。
2、氮化鉻涂層：CrN涂層良好的抗粘結(jié)性使其在容易產(chǎn)生積屑瘤的加工中成為首選涂層。涂覆了這種幾乎無形的涂層后，高速鋼刀具或硬質(zhì)合金刀具和成形工具的加工性能將會(huì)大大改善。
3、金剛石涂層：CVD金剛石涂層可為非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金屬基復(fù)合材料(MMC)、高硅鋁合金及許多其它高磨蝕材料的理想涂層(注意：純金剛石涂層刀具不能用于加工鋼件，因?yàn)榧庸や摷r(shí)會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，并導(dǎo)致發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使涂層與刀具之間的粘附層遭到破壞)。
4、氮碳化鈦涂層：氮碳化鈦（TiCN）涂層中添加的碳元素可提高刀具硬度并獲得更好的表面潤(rùn)滑性，是高速鋼刀具的理想涂層。
5、氮鋁鈦或氮鈦鋁涂層(TiAlN/AlTiN)：TiAlN/AlTiN涂層中形成的氧化鋁層可以有效提高刀具的高溫加工壽命。主要用于干式或半干式切削加工的硬質(zhì)合金刀具可選用該涂層。根據(jù)涂層中所含鋁和鈦的比例不同，AlTiN涂層可提供比TiAlN涂層更高的表面硬度，因此它是高速加工領(lǐng)域又一個(gè)可行的涂層選擇。
6、此外還有類金剛石涂層(DLC)：
DLC具有很多優(yōu)良的特性：高硬度-60GPa或Hv6000以上；低摩擦系數(shù)-0.06；極好的膜層致密性；良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及良好的光學(xué)性能等。應(yīng)用于刀具上的DLC涂層所表現(xiàn)出的特殊性能遠(yuǎn)超過其它硬質(zhì)涂層。涂以DLC的刀具主要應(yīng)用包括：石墨切削，各種有色金屬（如鋁合金，銅合金等）切削，非金屬硬質(zhì)材料（如亞克力，玻璃纖維，PCB材料）切削等。
由于DLC具有極低的摩擦系數(shù)（0.05~0.2）和自潤(rùn)滑性，涂以DLC的刀具是干切削的最好選擇。與沒有涂層的刀具相比，在干式切削的條件下DLC涂層刀具的切削力可下降6%，與其它涂層的刀具相比（如涂以TiN，TiAlN），在干式切削的條件下DLC涂層刀具的切削力可下降23%；同樣也是因?yàn)镈LC的低摩擦系數(shù)可使金屬切削（鋁合金切削）的切削力大為下降，從而大大降低能源消耗。在有冷卻液的切削條件下，DLC涂層刀具的切削力比沒有涂層刀具和其它涂層刀具下降18%，而且被加工的金屬表面粗糙度下降Ra0.04~R0.23um)，達(dá)到Ra0.38。
PVD鍍膜涂層技術(shù)及刀具涂層知識(shí)：
1、氮碳化鈦(TiCN)涂層比氮化鈦(TiN)涂層具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂層的硬度提高了33%，其硬度變化范圍約為Hv3000-4000(取決于制造商）。
2、CVD金剛石涂層：表面硬度高達(dá)Hv9000的CVD金剛石涂層在刀具上的應(yīng)用已較為成熟，與真空PVD涂層刀具相比，CVD金剛石涂層刀具的壽命提高了10-20倍。金剛石涂層刀具的高硬度，使得切削速度可比未涂層的刀具提高2-3倍，使CVD金剛氧化溫度是指涂層開始分解時(shí)的溫度值。氧化溫度值越高，對(duì)在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN涂層的常溫硬度也許低于TiCN涂層，但事實(shí)證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成數(shù)控微信號(hào)cncdar一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成為硬質(zhì)合金刀具的首選涂層，硬質(zhì)合金鉆頭和立銑刀通常采用這種PVDTiAlN涂層石涂層刀具成為有色金屬和非金屬材料切削加工的不錯(cuò)選擇。
3、刀具表面的硬質(zhì)薄膜對(duì)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)；⑧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-A12O3-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。
4、在涂層刀具制造過程中，一般根據(jù)涂層的硬度，耐磨性，高溫抗氧化性，潤(rùn)滑性以及抗粘結(jié)性等幾個(gè)方面來選擇，其中涂層氧化性是與切削溫度最直接相關(guān)的技術(shù)條件。氧化溫度是指涂層開始分解時(shí)的溫度值，氧化溫度值越高，對(duì)在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN涂層的常溫硬度也許低于TiCN涂層，但事實(shí)證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成為硬質(zhì)合金刀具的首選涂層，硬質(zhì)合金鉆頭和立銑刀通常采用這種PVD TiAlN涂層。
5、從應(yīng)用技術(shù)角度講：除了切削溫度外，切削深度、切削速度和冷卻液都可能對(duì)刀具涂層的應(yīng)用效果產(chǎn)生影響。
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