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刀具涂層的發(fā)展歷程
發(fā)布時(shí)間：2020-09-07
常規(guī)的過(guò)渡族金屬氮化物涂層，像TiN、CrN等早已被廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)代實(shí)際加工條件的愈加苛刻及更高的切削加工精度要求使得它們無(wú)法滿足，故相繼開(kāi)發(fā)出成分多元化、功能多樣化的涂層。新型涂層具有比傳統(tǒng)涂層更高的硬度和抗高溫氧化能力，已成為當(dāng)今具涂層發(fā)展的重要方向。
常規(guī)涂層
（1）氮化鈦(TiN)涂層：TiN是利用PVD技術(shù)制備的一種最常見(jiàn)涂層，不僅可以提高刀具硬度、韌性、使用壽命，而且還有較高的抗氧化溫度，該涂層相對(duì)來(lái)說(shuō)具有一定的抗腐蝕、抗氧化及耐磨損能力，故應(yīng)用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得良好的加工質(zhì)量。
（2）碳化鈦(TiC)涂層：TiC涂層是涂層技術(shù)初期最早被開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種單一涂層，涂層的的硬度比TiN高，較強(qiáng)的機(jī)械磨損性能和基體粘結(jié)力，在切削加工過(guò)程中可降低加工阻力和切削溫度，其缺點(diǎn)是涂層脆性、韌性、抗彎強(qiáng)度較低，適合于刀具產(chǎn)生劇烈磨損及連續(xù)切削的場(chǎng)合。
（3）氮碳化鈦(TiCN)涂層：TiCN涂層是由TiN涂層加入合金化元素C，TiN晶格中部分氮原子被碳原子所取代而形成的同時(shí)具有TiN和TiC優(yōu)點(diǎn)和特征的三元涂層。TiCN在摩擦學(xué)應(yīng)用的磨損機(jī)制要優(yōu)于TiN，這是因?yàn)門(mén)iCN涂層中C的存在作為潤(rùn)滑劑降低了摩擦磨損。但是，在溫度高于400℃時(shí)該涂層就會(huì)失效，因此TiCN涂層適合運(yùn)用于工作溫度低于400℃高速鋼刀具。
（4）鈦鋁氮(TiAlN)涂層：TiAlN／AlTiN涂層是在TiN基本結(jié)構(gòu)中Al替代Ti而形成的具有立方NaCl結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層。該涂層中氧化鋁的存在使薄膜導(dǎo)熱性降低從而提高刀具的高溫加工壽命。由于高硬度和耐磨性，以及良好的熱穩(wěn)定性能和時(shí)效硬化能力，是最先進(jìn)的加工工藝(例如：高速干式切削)的首選耐磨材料之一。TiAlN比TiN涂層刀具具有高的硬度、氧化溫度，好的紅硬性、附著力，低的熱膨脹系數(shù)及摩擦系數(shù)。切削性能優(yōu)于TiN，可應(yīng)用于鑄鐵、不銹鋼、高溫合金的高速切削或干式加工。
（5）鋁鈦氮(AlTiN)涂層：AITiN和TiAlN涂層區(qū)別在于鋁和鈦的比例不同，AlTiN涂層優(yōu)異的力學(xué)和熱學(xué)性能被廣泛的應(yīng)用于耐磨領(lǐng)域，這很大程度上歸功于鋁含量的增加。與TiN涂層相比，AITiN涂層作為刀具的保護(hù)層，可減少磨損量及更大的沖擊周期所導(dǎo)致的斷裂。由于晶粒細(xì)化后組織結(jié)構(gòu)更加致密，AlTiN涂層比TiAlN涂層硬度更高，同時(shí)兼具了TiAlN涂層優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，是高速下式加工的一種理想涂層。
（6）氮化鉻(CrN)涂層：CrN涂層基于高硬度，高的熱穩(wěn)定性，抗磨損和抗腐蝕性能，是一種受歡迎的低摩擦涂層、極高的變形表面和大晶粒尺寸的CrN結(jié)構(gòu)可以為潤(rùn)滑劑提供微儲(chǔ)藏，從而使CrN涂層也適用于在潤(rùn)滑條件下工作的部件。另外，良好的抗粘結(jié)性能使CrN刀具涂層在容易產(chǎn)生積屑瘤及切削鈦合金、鋁等軟材料加工中成為首選涂層。這種幾乎無(wú)形的CrN涂層涂覆在高速鋼、硬質(zhì)合金材質(zhì)的車(chē)刀、銑刀、成形刀具上，可大大改善刀具的加工性能，因此，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。
（7）金剛石（Diamond）涂層：CVD金剛石涂層在刀具上的應(yīng)用比較成熟，可為非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能，是加工陶瓷、石墨、金屬基復(fù)合材料（MMC）、高硅鋁合金、碳碳復(fù)合材料、高磨蝕材料等的理想涂層，這是因?yàn)榈毒叩哪p主要是由粘結(jié)、腐蝕、擴(kuò)散等引起的熱、化學(xué)磨損，硬顆粒刻劃作用所導(dǎo)致的的機(jī)械磨損（注意:純金剛石涂層刀具熱穩(wěn)定性差，在高溫條件下會(huì)失去硬度和碳化。除此之外，與鐵有很強(qiáng)的親和力。故不適合加工鋼鐵件，以避免破壞涂層與刀具間的粘附層）。金剛石涂層刀具有很高的熱導(dǎo)率、抗高溫氧化性，刀具壽命高于沒(méi)有涂層的硬質(zhì)合金刀具，最適合用于表面光潔度要求高、抗腐蝕磨損和抗磨粒磨損的切削加工情況。
（8）立方氮化硼（c-BN）：立方氮化硼主要是在高溫高壓工藝下由人工合成的立方聚晶氮化物，硬度和熱導(dǎo)率僅次于金剛石，具有熱膨脹、密度較小和良好的熱穩(wěn)定性，低斷裂韌性的特點(diǎn)。更重要的是，立方氮化硼不僅有金剛石的許多優(yōu)良特性而且?guī)缀醪慌c鐵族元素發(fā)生反應(yīng)，對(duì)于黑色金屬具有優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。立方氮化硼涂層除了良好的耐磨性，還能切削加工高硬度和對(duì)刀具有嚴(yán)重磨損的合金材料，因此，加工冷硬鑄鐵、淬硬鋼、高溫合金、硬質(zhì)合金等難加工材料時(shí)立方氮化硼往往成為最佳選擇。切削、鉆削、滾齒和攻絲等屬于不同的加工，適用的涂層也各不相同，涂層結(jié)構(gòu)方式有:單涂層、雙涂層或多涂層、復(fù)合化合物涂層、梯度涂層、納米涂層及納米復(fù)合涂層等類(lèi)型，各自有其特定的使用場(chǎng)合，進(jìn)一步提高了刀具的使用壽命。
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