涂層硬質(zhì)合金

隨著數(shù)控機床的發(fā)展和難加工材料的出現(xiàn)，傳統(tǒng)刀具已無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)對提高效率和降低成本的要求。涂層硬質(zhì)合金具有高硬度、優(yōu)良的耐磨性和較長的壽命，推動著數(shù)控刀具的快速發(fā)展。涂層硬質(zhì)合金材料主要包括涂層和硬質(zhì)合金基體兩部分。涂層的過程是物理化學反應并生成薄膜的過程，基體的性能和表面狀態(tài)應滿足涂層條件，涂層與合適的基體向配合才能實現(xiàn)預期的性能。

硬質(zhì)合金涂層基體一般應滿足一下要求：

1.有良好的韌性和抗塑性變形能力；

2.有足夠高的硬度和強度，尤其是高溫硬度和強度；

3.化學成分應與涂層材料相匹配，相互之間能粘結牢固；

4.在高的沉積溫度下不受損害；

5.熱膨脹系數(shù)與涂層材料相近；

6.有良好的導熱性。

涂層作為一個化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，從而減少了月牙槽磨損。涂層硬質(zhì)合金刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導率低等特性，切削時可比未涂層刀具提高刀具壽命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1級，降低刀具消耗費用20%~50%。因此，涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標志，在刀具中的使用比例已超過50%。目前，切削加工中使用的各種刀具，包括車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來提高它們的使用性能。

實踐證明，在韌性較好的硬質(zhì)合金表面沉積一層極薄的耐磨層，即涂層硬質(zhì)合金，它能較好地解決硬質(zhì)合金的耐磨性與韌性之間的矛盾。

根據(jù)硬質(zhì)合金涂層刀片的服役環(huán)境及失效分析可知，當硬質(zhì)涂層與硬基體（鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金）結合時，在沖擊載荷作用下，由于基體的韌性較差，涂層中產(chǎn)生的裂紋容易向基體內(nèi)擴展，使刀片產(chǎn)生崩刃破損而失效。當硬質(zhì)涂層與軟基體（鎢鈷類硬質(zhì)合金）結合時，在切削力的作用下，由于基體抗塑性變形的能力較差，涂層殼體容易產(chǎn)生破裂，引起涂層失效。

作為切削工具所采用的硬質(zhì)合金，其代表性材料有：A.WC-Co類（鎢鈷類）硬質(zhì)合金；B.WC-TiC(N)-Co類（鎢鈦鈷類）硬質(zhì)合金；C.在上述兩種材料表面涂覆了硬質(zhì)薄膜的涂層硬質(zhì)合金。

在硬質(zhì)合金表面通過物理、化學、等離子體氣相沉積等方法涂覆單層或多層碳化物、氮化物、氧化物等難容硬質(zhì)合金化合物，可大幅度提高硬質(zhì)合金工具的性能和使用壽命。涂層硬質(zhì)合金具有很高的室溫和高溫硬度、良好的抗氧化性、抗月牙洼磨損性能、較小的摩擦系數(shù)、被加工件表面粗糙度低、工具使用壽命長等一系列優(yōu)點。因此，這類合金發(fā)展極其迅速，合金品種、產(chǎn)量不斷增加，應用范圍不斷擴大。

涂層硬質(zhì)合金具有下述優(yōu)點：

涂層的硬度高（TiC-2800HV30, TiN-2100HV30）,耐磨性好，能減少刀具前刀面上的月牙洼磨損和后刀面磨損，提高刀具耐用度。

涂層刀片比非涂層刀片的切削速度提高25%-30%，在相同切削速度下，刀片壽命可延長1-3倍。

可減少黏刀現(xiàn)象，不易生成積屑瘤。

刀片與工件之間的摩擦系數(shù)小，可降低切削力10%-15%。

同一涂層刀片可同時用于精車和半精車，能代替兩種不同牌號的非涂層刀片。

硬質(zhì)合金涂層的優(yōu)點： 涂層硬質(zhì)合金刀片一般均制成可轉(zhuǎn)位的式樣。用機夾方法裝卡在刀桿或刀體上使用。它具有以下優(yōu)點：

1)由于表層的涂層材料具有極高的硬度和耐磨性，故與未涂層硬質(zhì)合金相比，涂層硬質(zhì)合金允許采用較高的切削速度，從而提高了加工效率；或能在同樣的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。

2)由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小，故與未涂層刀片相比，涂層刀片的切削力有一定降低。

3)涂層刀片加工時，已加工表面質(zhì)量較好。

4)由于綜合性能好，涂層刀片有較好的通用性。一種涂層牌號的刀片有較寬的適用范圍。

這是現(xiàn)代硬質(zhì)合金研制技術的重要進展。1969年，西德克虜伯公司和瑞典山特維克公司研制的TiC涂層硬質(zhì)合金刀片初次投入市 場。1970年后，美國、日本和其他國家也都開始生產(chǎn)這種刀片。三十余年來，涂層技術有了很大的進展。涂層硬質(zhì)合金刀片由第一代、第二代已發(fā)展到第三代、第四代產(chǎn)品。

硬質(zhì)合金涂層最常用的方法是高溫化學氣相沉積法(簡稱HTCVD法)，是在常壓或負壓的沉積系統(tǒng)中，將純凈的H2、CH4、N2、TiCl4、 AlCl3、CO2等氣體或蒸氣，按沉積物的成分，將其中的有關氣體，按一定配比均勻混合，依次涂到一定溫度(一般為1000℃～1050℃)的硬質(zhì)合金 刀片表面，即在刀片表面沉積TiC、TiN、Ti(C，N)或Al2O3或它們的復合涂層。反應方程式概括如下：TiCl4 CH4 H2TiC 4HCl H2TiCl4 ?N2 2H2TiN 4HClTiCl4 CH4 ?N2 H2→Ti(CN) 4HCl H22A1Cl3 3CO2 3H2→Al2O3 3CO 6HCl用PCVD(等離子體化學氣相沉積)法在硬質(zhì)合金刀片表面進行涂層也得到應用，因涂層工藝溫度較低(700°～800°)，故刀片的抗彎強度降低的幅度較小，對銑刀片比較適宜。

涂層前，基體刀片表面須凈化，切削刃部位應鈍化。涂層后，因涂層材料與基休材料的線膨脹系數(shù)存在差異，故涂層刀片表面不可避免地產(chǎn)生殘余張應力而使刀片抗彎強度降低。通常用TiC薄層先涂在基體表面上，因TiC的線膨脹系數(shù)與基體材料最接近；外面再涂TiN、Al2O3等。過去，單涂層材料均用 TiC，雙層涂層材料多用TiC/TiN、TiC/Al2O3等，三層涂層材料多用TiC/Ti(C，N)/TiN、Tic/Al2O3/TiN等。近 年，隨著基體材料的改進，涂層材料也有用TiN墊底的，即TiN/TiC/TiN等涂層材料還有HfN、MoS2等。2100433B