“軟”涂層刀具的發(fā)展與應(yīng)用

1 引言

刀具涂層將刀具基體和涂層材料的優(yōu)良性能相結(jié)合碘橘，既保持了基體良好的韌性和較高的強度福澡，又具有涂層的高硬度阔籽、高耐磨性和低摩擦系數(shù)流妻，從而使刀具的切削性能大大提高。自硬質(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)展绅这，刀具涂層技術(shù)取得了飛速發(fā)展涣达，涂層工藝越來越成熟。西方國家使用的涂層刀片占可轉(zhuǎn)位刀片的比例已由1978年的26% 证薇，增加到1985年的50%～60%度苔。新型數(shù)控機床所用切削刀具中有80%左右使用涂層刀具，瑞典山特維克公司和美國肯納金屬公司的涂層刀片的比例已達 80%～85%以上痹埠。美國數(shù)控機床上使用涂層硬質(zhì)合金刀片的比例為80%糠管。瑞典和德國車削用涂層刀片已占70%以上。在日本的硬質(zhì)合金和陶瓷刀片生產(chǎn)總產(chǎn)量中仙尔，涂層刀片所占比例超過40 %。涂層刀具將是今后機械加工領(lǐng)域中的重要刀具品種兵雪，也是刀具技術(shù)的一個重要發(fā)展方向编撵。

2 涂層刀具的種類

根據(jù)涂層方法不同，涂層刀具可分為化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層刀具和物理氣相沉積(PVD)涂層刀具晒茁。涂層硬質(zhì)合金刀具一般采用CVD)法易仍，沉積溫度在1000℃左右。涂層高速鋼刀具一般采用PVD法捷嘁，沉積溫度在500 ℃左右绵盔。

根據(jù)涂層刀具基體材料的不同，涂層刀具可分為硬質(zhì)合金涂層刀具鳍彪、高速鋼涂層刀具璃璧、以及在陶瓷和超硬材料(金剛石和立方氮化硼)上的涂層刀具等。

	單涂層	多涂層 (帶中間過渡層)
	多涂層 (納米結(jié)構(gòu))	梯度涂層
	超硬涂層	軟/硬復(fù)合涂層
圖1 典型的涂層結(jié)構(gòu)

根據(jù)涂層材料的性質(zhì)刊愚，涂層刀具又可分為兩大類踊跟，即：“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具∨阜蹋“硬”涂層刀具追求高的硬度和耐磨性商玫。目前應(yīng)用最多的刀具硬涂層物質(zhì)有TiC、TIN牡借、TiC(N)拳昌、Al₂O₃和TiAlN等及其組合∧屏“軟”涂層刀具追求低摩擦系數(shù)炬藤，與工件材料的摩擦系數(shù)很低，可減小粘結(jié)俊鱼，減輕摩擦刻像，降低切削力和切削溫度。“軟”涂層刀具物質(zhì)主要有MO S₂细睡、WS₂谷羞、TaS₂等及其組合。涂層方式有：單涂層簿馍、多涂層脯黎、梯度涂層、軟/硬復(fù)合涂層忆帐、納米涂層兵正、超硬薄膜涂層等，如圖1 所示梢纫。

3 “軟”涂層刀具的發(fā)展與應(yīng)用

“軟”涂層刀具的涂層材料及其作用機理

目前窖硝，“硬”涂層刀具技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，應(yīng)用最為廣泛汤浊。然而邓晃，諸如航空航天工業(yè)使用的許多高強度鋁合金、欽合金或貴金屬材料等都不適合用“硬”涂層刀具加工砚皆，仍主要使用無涂層的高速鋼或硬質(zhì)合金刀具纤票。

“軟”涂層刀具的開發(fā)則可較好地解決此類材料的加工問題。刀具“軟”涂層的主要成分為具有低摩擦系數(shù)的固體潤滑材料旦良，如：MoS₂猪攀、WS₂、BN侵俗、CaF₂和T aS₂等锨用，在特殊使用條件下具有優(yōu)良的摩擦學(xué)特性，如：摩擦系數(shù)低坡慌、承載極限高黔酥、高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好、物性變化小洪橘、能適應(yīng)1200℃ 以上的工作溫度范圍和很寬的摩擦副運動速度范圍跪者，適于在高溫、高速和大載荷等特殊環(huán)境條件下使用熄求。

涂層可在刀具表面形成固體潤滑膜渣玲，從而使刀具材料具有很低的摩擦系數(shù)。由于具有層狀結(jié)構(gòu)的固體潤滑劑與摩擦表面具有較強的粘結(jié)能力弟晚，并且各層之間有較低的剪切強度忘衍，在切削過程中，存在于刀具表面的固體潤滑膜會轉(zhuǎn)移到工件材料表面卿城，形成轉(zhuǎn)移膜枚钓，使切削過程中摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤滑膜之間馅块，在固體潤滑膜內(nèi)部，從而可達到減小摩擦喳卫、阻止粘結(jié)吨争、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的硫红。

表1 MoS₂/Ti“軟”涂層刀具的適應(yīng)范圍
加工方式	切削條件	結(jié)果
車削	V=150～250mm/min, fz=0.125～0.315mm/r, ap=1.5～2.5mm, 斷續(xù)車削	合適
車削	V>150m/min, fz=0.125～0.315mm/r, ap=1.5～2.5mm, 連續(xù)車削	不合適
銑削	V&lt250m/min, fz=0.25mm/r ap=1.5mm	合適
銑削	V&gt250m/min, fz=0.25mm/r ap=1.5mm	不合適

圖2 刀具可鐵削的材料體積

圖3 刀具后刀面磨損量對比

“軟”涂層刀具的應(yīng)用效果

Renevier等研究表明：MoS₂/Ti“軟”涂層刀具不適合連續(xù)高速車削绊蚯，這是由于連續(xù)高速車削產(chǎn)生的高溫往往會導(dǎo)致MoS₂/Ti涂層產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化磨損；在低速銑削時综姜，MoS₂/Ti“軟”涂層刀具的壽命比未涂層刀具高1.5～2 倍箭堆。總的來說挽钧，MoS₂/Ti“軟”涂層刀具適合于低速斷續(xù)切削猿异，如表1 所示。圖2 為MoS₂/Ti“軟”涂層刀具硬白、MoS₂“軟”涂層刀具和非涂層刀具銑削34CrNiMo6 工件時牍猫，每個刀具可銑削的工件材料體積，其中畴栖，fz=0.1mm/r , a p=1.5mm“饲В可見吗讶，MoS₂/Ti“軟”涂層刀具的壽命遠高于MoS₂“軟”涂層刀具和非涂層刀具。

圖3為WC/Co/MoS₂“軟” 涂層刀具和WC/Co硬質(zhì)合金刀具加工302不銹鋼時恋捆，刀具后刀面磨損量對比照皆，其中，V=103～180m/min, f=0.1mm/r, ap=0.25mm沸停∧せ伲可見，WC/Co硬質(zhì)合金刀具切削1800m時愤钾，刀具后刀面磨損量VB達到0.32mm瘟滨，而WC/Co/MoS₂“軟”涂層刀具切削4000m時，刀具后刀面磨損量VB只有0.3mm能颁。表2為一些軟涂層刀具的一些使用效果杂瘸。

表2 “軟”涂層刀具的使用效果
刀具	試驗條件	試驗結(jié)果
未涂層硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位面銑刀 MoS₂“軟”涂層的硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位面銑刀	Al- Cu-Mg合金	“軟”涂層銑刀的生產(chǎn)率可比未徐層的銑刀提高3 倍
無涂層絲錐 TiAlN涂層絲錐 MoS₂“軟”涂層絲錐	Al- Cu-Mg合金	無涂層絲錐能加工20個孔，TiAlN涂層絲錐可加工1000個孔伙菊，而MoS₂“軟”涂層絲錐可加工4000個螺孔
單涂層(TiCN)硬質(zhì)合金銑刀 TiCN/MoS₂/Ti“軟”涂層硬質(zhì)合金銑刀	V=150m/min, f=0.04mm/r, ap=4mm, 工件：AlSi304不銹鋼	軟涂層銑刀切削力明顯減小败玉，加工表面質(zhì)量顯著提高
普通高速鋼 TiCN/MoS₂/Ti“軟”涂層高速鋼鉆頭	V=6000r/min, 工件：AlSi15硅鋁合金	“軟”涂層鉆頭鉆孔938個后無任何磨損，普通高速鋼鉆頭只能鉆100個孔
未涂層高速鋼鉆頭 TiCN/MoS₂/Ti“軟”涂層高速鋼鉆頭	V=2200r/min, 工件：Ti6Al4V合金	“軟”涂層鉆頭的鉆削力比未涂層鉆頭減小約33% 纷沽，鉆削性能顯著優(yōu)于未涂層鉆頭
未涂層Si₃N₄刀具 Si₃N₄/MoS₂“軟”涂層刀具未涂層Ti(CN)刀具 Ti(CN)/MoS₂“軟”涂層刀具	V=103～180m/min, f=0.1mm/r, ap=0.25mm, 工件：1045碳鋼	“軟”徐層刀具壽命比未涂層刀具提高50%以上

4 結(jié)語

國內(nèi)外“硬”涂層刀具技術(shù)日趨成熟爵路，其應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛姻粱。而“軟”涂層刀具技術(shù)在國外剛剛起步，而國內(nèi)尚無這方面的研究報道你浸⊙卸疲“軟”涂層刀具的研究開發(fā)為提高刀具性能開拓了新的途徑，為新型涂層刀具的設(shè)計提供了新的思路和新的研究領(lǐng)域莽裤」袄拢“軟”涂層刀具可應(yīng)用于干切削，對阻止粘結(jié)店烛、減小摩擦谢奕、降低磨損、提高刀具壽命辱甫、降低加工成本等具有重大的理論和實際意義遍送，具有廣闊應(yīng)用前景。

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