硬质合金涂层刀具研究进展|硬质合金刀具材料

第36卷第1期2008年3月

稀有金属与硬质合金

RareMetalsandCementedCarbidesVol.36　№.1Mar.　2008

专题论述

硬质合金涂层刀具研究进展

张文毓

(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471039)

　　摘　要:在概述硬质合金刀具基本情况的基础上,介绍了硬质合金涂层刀具的研究现状、涂层方法、涂层类型和工艺,以及多元、复合涂层材料应用等方面的情况,并对硬质合金涂层刀具的发展方向进行了展望。

　　关键词:硬质合金;涂层;刀具;研究进展　　中图分类号:TG711　　　文献标识码:A　　　文章编号:100420536(2008)0120059205

LatestDevelopmentofCoatedCementedCarbideTools

ZHANGWen2yu

(LuoyangShipMaterialResearchInstitute,Luoyang471039,China)

Abstract:Briefdescriptionismadeofthecementedcarbidetoolsgeneralsituation,latestdevelopment,coat2ingmethodandcategoryofthecementedcarbidecoatingtoolsaswellastheapplicationsofmulti2elementandcompositecoatingmaterials.Itsprospectoffuturedevelopmentispredicted.Keywords:cementedcarbide;coating;tool;latestdevelopment　　硬质合金由难熔金属硬质化合物和金属粘结剂经粉末冶金方法而制成,其硬度(HRA)为89～94,远远高于高速钢;在540℃时硬度(HRA)为82～87,与高速钢常温时的硬度(HRA83～86)相当,同时还具有化学稳定性好、耐热性高等优点。目前供使用的刀具材料品种虽然很多,新型的刀具材料也不断出现,但硬质合金仍是很受欢迎的一种刀具材料。据报道,有的国家90%以上的车刀、55%以上的铣刀都采用了硬质合金制造,而且这种趋势还在增加。同时,硬质合金还是制造钻头、端铣刀等通用刀具的常用材料。此外,加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具和铰刀、立铣刀、拉刀等复杂刀具使用硬质合金的也日益增多。

我国常用的硬质合金为碳化钨(WC)基硬质合金。随着生产发展的需要,近些年来,又推出了碳化钛(TiC)基硬质合金、超细晶粒硬质合金、表面涂层硬质合金等新品种[1]。

在刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性

收稿日期:2007206213;修回日期:2007210224

作者简介:张文毓(19682),女,学士,高级工程师,从事钛及其合金研究及有关技术信息工作。

好的金属或非金属化合物薄膜(如TiC,TiN,

A12O3等)的涂层刀具,结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点,降低了刀具与工件之间的摩擦因数,提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。因此,涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性,延长了刀具的寿命,这是切削刀具发展的又一次革命。

1　硬质合金刀具概况

硬质合金产品按其特征和用途可分为切削刀片、矿用合金、耐磨异型产品三大类,其中切削刀片约占45%,矿用合金约占19%,耐磨异型产品约占36%[2]。

在我国的硬质合金产品中,切削工具用硬质合金约占27%,年产量约3400t,其中焊接刀片和可转位刀片分别约为2600t和800t。切削工具用硬质合金的高档高附加值产品是高性能高精度研磨涂层刀片,据统计,我国目前市场的年流通量约250t,

其中国产约120t,进口约130t。从我国市场切削工具用硬质合金的产品结构来看,机加工的生产规

模很大,但加工技术和装备的整体水平不高[3]。

据不完全统计,近年来国内10多家硬质合金企业先后开发出30多种深加工产品,主要有可转位精磨刀片、涂层刀片、可转位刀具、焊接刀具、矿用钎头、镶套拉拔模、铰刀、螺旋立铣刀、玉米铣刀、钻头、自动车刀、轧辊、顶锤、圆片切刀、锯片铣刀等[4]。

2　硬质合金涂层刀具研究现状

2.1　涂层硬质合金

涂层硬质合金发展迅速,其产量大幅度增加,应用范围不断扩大,已成功地应用于铣削等重要加工工具。目前涂层硬质合金刀片产量已占切削刀片总产量的一半以上,一些先进厂家涂层刀片已占可转位刀片的85%以上。

目前,涂层硬质合金已由早期的TiC(1969年)、TiN(1971年)、Al2O3(1972年)等单涂层发展到TiC2TiN,TiCN2TiN等双涂层及TiC2TiN2Al2O3等三涂层,最多的可达13层涂层(如联邦德国的Widalon刀片)。同时,涂层材质也有了新的发展,金钢石涂层、立方氮化硼涂层等超硬涂层及其他新涂层也已出现并得到应用,如日本住友电工的非晶体金刚石涂层产品。当然,不同涂层其性能和特点也不相同,而对于不同的涂层最好采用与其匹配的硬质合金基体,以便获得良好的使用性能。瑞士PLATIT公司推出的最新涂层有:TiAlN单层、TiAlN多层、TiCN2MP(高韧性通用涂层)、MOVIC(MoS2基涂层)、CrN、TiAlCN、CBC(DLC,润滑涂层)、GRADVIC(TiAlCN+CBC)、AlTiN、AlTiN/SiN等。

20世纪90年代中期开发成功的(Ti,Al)N涂层硬质合金刀具对高速切削加工和高硬材料加工作出了重要贡献,但这些涂层在抗高温扩散性能、润滑性能等方面还不够理想。不久前,日本成功研发了号称跨世纪水平的CrSiN、TiSiN、TiBON等新型刀具涂层材料[5]。

日本的岛顺彦等开发了添加B、O元素的Ti2BON系列涂层材料,与(Ti,Al)N涂层相比,其涂层刀具的前刀面在高温下铁元素扩散极少,显示出优良的润滑性能,切屑不粘刀;在富氧氛围中使用Ti2BON涂层硬质合金刀具时,涂层的润滑效果更为显

著,延长了刀具使用寿命,这是因为在富氧氛围中生成的氧化物具有良好润滑性能。这种利用富氧氛围

生成氧化物以消除或减少粘刀,延长刀具寿命和提高加工质量的方法适用于钛合金及718镍铬铁耐热合金的切削加工。在富氧氛围和不加冷却液条件下,用TiBON涂层硬质合金立铣刀加工718镍铬铁耐热合金时,取得了改善粘刀和减少刀具磨损的良好效果。

2.2　涂层基体材料

在涂层基体方面,不仅有各种专用涂层基体,而且日本、瑞典等国还开发出带富钴层的涂层基体,从而明显地提高了涂层合金的强度和使用性能,扩大了涂层合金的应用范围。

改善涂层基体合金成分和组织有不同方法,其一是使基体表面形成梯度组织,即合金基体表面是一个实际上没有立方碳氮化物相的粘结相富集层,基体的成分(质量分数,下同)为:1.69%TiC、1.28%TiN、1.21%TaC、0.77%NbC、7.5%Co,余为WC;其二是采用富钨粘结相。多项专利表明,用于球墨铸铁及灰口铸铁、不锈钢和中、低合金钢的断续车削及铣削加工,以及上述材料的铸件、锻件、热轧及冷轧坯料表面加工的涂层刀片,其基体以采用高钨合金化的粘结相比较有利。加工铸钢、铁锻件外皮及铣削时,基体不加TiC,且TaC+NbC的含量低于2%,其中NbC含量低于0.3%。加工球墨铸铁(包括断续车削)时,则用单一的WC2Co合金作基体。加工低合金钢及不锈钢(包括锻件及断续车削)则一般加入含量低于3%的TiC及3%左右的TaC[6]。

涂层与合金基体之间的结合强度是制约涂层刀具使用寿命的关键因素。涂层必须与合适的基体相结合才能达到预期的性能。比如说,具有较高红硬性的耐磨基体通常为细晶低钴的碳化钨基合金,并通常加入少量的TiC、TaC和NbC,使基体具有更高的抗变形能力。粗晶、高钴合金和通过热处理或添加Ru、Zr,使粘结相性能得以改善的合金也具有较高的韧性。

为了尽可能防止由于裂纹扩展而导致的材料失效,并有利于获得高性能的硬质合金切削工具材料,可对基体进行梯度处理,使涂层基体表面区域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域,此区域的粘结剂含量高于涂层基体的名义粘结剂含量;当涂

层中形成的裂纹扩展到该区域时,由于其良好的韧性,可以吸收裂纹扩展的能量,因而能够有效地阻止裂纹向合金内部扩展,提高硬质合金切削工具的使用性能。目前,这种具有梯度结构基体的涂层刀片在我国已有研究,并已在部分硬质合金企业形成了产品[7]。

3　硬质合金刀具的涂层方法、种类和

工艺

3.1　涂层方法

目前硬质合金刀具涂层的方法仍以化学气相沉

积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主,这两种方法比较突出的问题是涂层与基体间的结合强度低,涂层容易剥落,这样就使涂层不能做得太厚,而涂层一旦被磨掉,刀具就会迅速磨损。近年来,已有一些新的涂层方法出现,如等离子辅助化学气相沉积(PACVD)、中温化学气相沉积(MTCVD)、溶胶2凝胶(Sol2Ge1)法、高速氧2燃气热喷涂(HVOF)、真空阴极电弧沉积(VCAD)等方法[8]。

在韧性较好的硬质合金基体上,通过CVD、PVD、HVOF等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物,可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能。3.2　涂层种类

自20世纪70年代以来,涂层材料已从单一涂层(TiC、TiN)经历了TiC2Al2O32TiN多层涂层和TiCN、TiA1N、A1TiN等多元复合涂层发展阶段,发展到了TiN/NbN、TiN/CN等多元复合薄膜纳米涂层材料。近年还出现了金刚石涂层、立方氮化硼(CBN)涂层、软涂层(MoS、WS)以及硬软组合涂层,使涂层刀具切削性能大大提高[9]。

硬质合金涂层种类从单一化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展,涂层层数也从几层增加到十几层的多层涂层,而多元复合涂层、多元复合纳米涂层、金刚石涂层、CBN涂层将是未来涂层刀具的发展方向。3.3　涂层工艺

3.3.1　化学涂层

化学气相沉积(CVD)涂层仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,现今开发了中温CVD、厚膜

Al2O3和过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础

上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高。

CVD金刚石涂层也不断取得进展,使涂层表面光洁度提高,并已进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。

CVD的Al2O3涂层的工业产品大都呈织构组织。这种涂层刀具可用于各种金属材料的加工,如钢、低碳钢、低合金钢、不锈钢、铸铁的车削、铣削和钻削加工[6]。

研发一种粘着力好、外表平滑、有一定厚度,并且内聚力好、组织缺陷少以及厚度均匀的细晶Al2O3涂层的工艺方法,近十多年来一直是Al2O3CVD工艺开发的重点之一。采用等离子活化CVD法(即PACVD),在较低的沉积温度下可以获得TiC、TiN和Al2O3涂层。这种工艺也可成功地用于沉积非绝缘涂层,如TiC、TiN、TiCN和TiA1N涂层或Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W的碳化物或氮化物涂层。

目前硬质合金大多采用CVD法进行涂层。但

此法的沉积温度高(900～1100℃

),涂层与硬质合金基体之间容易形成一层脆性的脱碳层,导致刀片

脆性破裂。近几年来,随着CVD涂层技术的进步,可通过改变涂覆时反应气体的种类、反应压力及温度等条件来改变涂层的结晶状态,使其成为须晶状结晶,以及采用高钴化的TiCN中间层涂层(富钴层有很好的韧性,如美国Kennametal公司的KC990刀片及日本三菱公司的UC6OlO刀片即属于这一类),既提高了刀片的耐磨性,又增加了刀片韧性,可防止崩刃的发生。3.3.2　物理涂层

物理气相沉积涂层(PVD)的进展尤为引人注目,在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层,如超级TiAlN涂层,及综合性能更好的TiAlCN通用涂层和CBC(DLC)、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新如开发纳米、多层结构,大大提高了涂层硬度和韧性。

目前,最好的PVD工艺是双极脉冲双磁控溅射(DMS)工艺[12]。

3.3.3　其他涂层新工艺

涂层新工艺有等离子体化学气相沉积法(PCVD)和离子束辅助沉积法(IBAD)等。PCVD法是利用等离子体来促进化学反应,可将涂覆温度降至600℃以下,使硬质合金基体与涂层材料之间

不产生扩散、相变或交换反应,可保持刀片原有的韧性。目前PCVD法涂覆温度已降至180～200℃,

这样低温的工艺不致影响焊接部位的性能,因此可将其用来涂覆焊接式的硬质合金刀具。据报道,日本三菱公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD涂层,结果加工钢料时的钻头寿命可比高速钢钻头延长10倍,效率提高5倍。

4　多元、复合涂层材料的应用

在硬质涂层材料方面,工艺最成熟和应用最广泛的是TiN。但TiN与基体结合强度不及TiC涂层,涂层易剥落,且硬度也不如TiC高,在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀,因此Sandvik公司推荐用于加工钢料的GC4OOO系列牌号及日本东芝公司T715ZX和T725X涂层硬质合金牌号中均有TiCN涂层成分。TiCN基涂层刀具适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料,用于工件加工时切削效率可提高2～3倍。

TiAlN、CrC、CrN是近几年来开发的硬质涂层新材料。TiA1N涂层刀片已商品化,美国Kenna2metal公司推出的H7刀片采用了TiAlN涂层,是专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而设计的。CrC和CrN是一种无钛涂层,适于切削钛和钛合金、铝以及其他软材料[11]。

涂层材料中的MoS基软涂层及WC/C“中硬”型滑性涂层均是较为新颖的涂层材料,采用一种(Ti,Al)N+MoS软涂层的硬质合金钻头干钻削灰铸铁发动机缸体上的深孔时,刀具寿命高达1600min,而只涂TiN或TiCN涂层的钻头,其寿命仅分别为19.6min和44min。

超薄膜涂层工艺已日趋成熟。据报道,日本住友电工公司推出了一种高速强力型钻头,它是在韧性好的K类硬质合金基体上交互涂覆了1000层TiN和A1N超薄膜涂层,涂层厚度约2.5μm。使用情况表明,该钻头的抗弯强度与断裂韧性大幅度提高,其硬度则与CBN相当,刀具寿命可提高2倍左右。该公司还开发出ZX涂层立铣刀,超薄膜镀层数达2000层,每层厚度约1nm,用该立铣刀加工60HRC的高硬度材料,刀具寿命远高于TiCN和TiAlN涂层刀具。

日本日立工具公司推出的GM20、GM25多层厚膜涂层刀片,其涂层是在比普通CVD涂层稍低

温度条件下(约800～900℃

)进行的,以形成耐磨性很高的柱状结晶,为了提高刀片的抗粘附性,再在刀

具表面上涂覆一层Al2O3膜。据称,这种镀膜的厚度大,韧性高,与基体结合紧密,抗崩刃性好,尤其适于断续切削的工作,刀具寿命可比一般涂层刀片高1.5～2倍以上。

美国KennametalHertel公司在KC9315型刀片上涂有16μm厚的厚涂层,这种刀片特别适于加工高强度铸铁(如球墨铸铁和蠕墨铸铁),切削速度可达400m/min,并可在干切削和断续切削条件下使用。该刀片涂层总共有三层,一层是Al2O3,另一层为TiCN,最后一层为TiN。

目前,金刚石薄膜涂层刀具的应用已进入实用阶段。它是在硬质合金基体(常用K类合金)上采用CVD法沉积一层由多晶组成的膜状金刚石而成,常称CVD金刚石刀具。据报道,美国和日本都相继推出了金刚石涂层的丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25牌号)等产品。我国已掌握了金刚石薄膜涂层技术,有数家科研生产单位也能向用户提供CVD金刚石刀具的产品[12]。

5　结　语

目前,涂层材质已有新的发展,不仅能制取多层(最高达13层)涂层合金,而且成功地制取了金刚石、立方氮化硼等超硬涂层。新型的涂层基体也在不断地推出,具有梯度结构的硬质合金涂层基体使硬质合金涂层刀具性能进一步得到提高。硬质合金涂层方法以CVD和PVD为主,PACVD、MTCVD和Sol2Gel等新方法值得进一步研究发展。硬质合金涂层种类从单一化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展,涂层层数也从几层到十几层。多层涂层、多元复合涂层、多元复合纳米涂层、金刚石涂层、CBN涂层将是未来涂层刀具的发展方向。参考文献:

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