刀具的涂层方法及特点有哪些?

时间:2019-01-16    原创:思诚资源    编辑:Anduin
通过气相沉积或其他方法,在硬质合金(或高速工具钢刀具)基体上涂覆一薄层(一般只有几微米)耐磨性高的难熔金属(或非金属)化合物,是提高刀具材料耐磨性而不降低其韧度的有效途径之一。也是解决刀具材料发展中的一对矛盾(材料硬度和耐磨性越高,强度及韧度就越低)的很好方法。

目前,常用的刀具涂层方法有化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)两种。近年来出现一些新的涂层工艺,具有良好的应用前景。

CVD法

CVD法属于原子沉积类,是利用金属卤化物的蒸气、氢气和其他化学成分,在950~1050℃的高温下,进行分解、热合等气、固反应沉积物以原子、离子、分子等原子尺度的形态在加热基体表面形成固态沉积层的一种方法,其过程包括三个阶段:物料汽化、运输到基体附近和在基体上形成覆盖层。

在各种CVD法中,用得最多的是真空离子轰击法和磁控离子反应喷涂法。


CVD技术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。

CVD法与其他涂层方法比较,不仅设备简单,工艺成熟,还有以下优点:

  • 沉积物种类多,能涂金属、合金、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物氢碳氮化物等。
  • 有高度的渗透性和均匀性,可获得不同组织的多层涂层,涂层厚薄均匀。
  • 沉积速率高,而且容易控制。
  • 涂层纯度高,晶粒细而致密。
  • 黏附力较强,可获得较厚的涂层。
  • 工艺成本低,适合大量生产。
在700~900℃下的中温化学气相沉积(MTCVD)可获得致密纤维状结晶形态的TCN涂层,涂层厚度可达8~10μm,并可通过CVD工艺技术在表层沉积上A2O3、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。CVD法的主要缺点在于沉积温度较高,在对高速工具钢刀具进行涂层时,会使刀具退火及变形。所以沉积后的刀具还要进行淬火处理。

PVD法

PVD法是利用蒸发或溅射等物理形式把材料从靶源移走,然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸气离子沉积到基片或零件表面以形成膜层,通过气相反应过程,使蒸发或溅射出的金属原子发生气相反应,从而在刀具表面沉积出所要求的化合物。PVD涂层能涂氮化钛、碳氮化钛、铝钛氮化合物,以及各种难熔金属的碳化物和氮化物。

目前,常用的PvD方法有低压电子束蒸发(LVEE)法、阴极电子弧沉积法(CAD)、晶体管高压电子束蒸发法( THVEE)、非平衡磁控溅射法(UMS)、离子束协助沉积法(IAD)和动力学离子束混合法(DIM)。其主要差别在于,沉积材料的汽化方法以及产生等离子体的方法不同,而使得成膜速度和膜层质量存在差异。

PVD技术主要应用于整体硬质合金刀具和高速工具钢刀具的表面处理,已普遍应用于硬质合金钻头、铣刀、铰刀、丝锥、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。

和CVD法比较,PVD法有以下优点:
  • 涂层温度(300~500℃C)低于高速工具钢回火温度,故不会损害高速工具钢刀具的硬度和尺寸精度,涂层后不再需要热处理。
  • 涂层有效厚度只有几微米,故可保证刀具原有的精度,适于涂覆高精度刀具。
  • 涂层的纯度高,致密性好,涂层和基体的结合牢固,涂层性能不受基体材质影响。
  • 涂层均匀,切削刃和圆弧处无增厚或倒圆现象,故复杂刀具也能获得均匀涂层。
  • 不会产生脱碳相,也无CVD法因氯的浸蚀和氢脆变形所引起的涂层易脆裂的情况,涂层刀片强度较高。
  • 工作过程干净,无污染,无公害。

目前,PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度,涂层成分也由单一涂层发展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、 TIAIN、 TiAICN、TiN-AIN、CN等多种多元复合涂层,且由于纳米级涂层的出现,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。

其他涂层方法:等离子体化学气相沉积法(PVCD)、离子束辅助沉积技术(IBAD)、激光强化处理等,不一而足。

涂层特点
  • 采用涂层技术可在不降低刀具强度的条件下,大幅度地提高刀具表面硬度,目前所能达到的硬度已接近100GPa;
  • 随着涂层技术的飞速发展,薄膜的化学稳定性及高温抗氧化性更加突出,从而使高速切削加工成为可能;
  • 润滑薄膜具有良好的固相润滑性能,可有效地改善加工质量,也适合于干式切削加工;
  • 涂层技术作为刀具制造的最终工序,对刀具精度几乎没有影响,并可进行重复涂层工艺。

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