涂层

刀具热处理及表面涂层§ 1 刀具热处理 1 § 1.1 目的 2 § 1.2 常见的热处理方式及其特性 3 § 2 表面镀层 5 § 2.1 表面涂层的方式及性能的改善5§ 2.2 常见表面涂层的性能比较 5§ 1 刀具热处理§ 1.1 目的刀具的表面处理或表面涂层的目的是为了改善刀具的切削特性(如降低摩擦,便于排屑; 提高刀具表面的抑制性, 以减少冷焊等)及提高刀具的耐用度(如提高硬度, 耐磨度, 热硬度等)。

它主要是对高速钢刀具而进行的. 而硬质合金刀具主要进行涂层处理.提高硬度：刀具经表面处理或表面涂层后，硬度大都会得到不同程度的提高。

其耐磨性也有所提高。

这对于加工硬材料来说意义重大，刀具寿命将得到提高。

另外通过降低摩擦和提高抑制性也延长了刀具的寿命。

一般丝锥经表面处理或表面涂层后，寿命可以提高2-3倍。

提高滑动性：对刀具进行表面处理或表面涂层的一个重要目的是改善刀具切削部分的滑动特性, 即降低摩擦。

它对刀具的切削特性有着非常重要的影响。

如果刀具的表面滑动性增强，则摩擦降低，排屑更流畅。

它们可以带来一系列好处，如螺纹表面质量提高，切削力矩下降，螺纹深度增加，冷焊减少，刀具寿命提高等等。

提高滑动性对韧性材料，润滑条件不好及深孔加工非常重要。

提高抑制性及抗化学反应性：刀具在加工时，其齿面与许多被加工材料之间存在着亲和力，这种亲和力常常导致冷焊现象。

所谓冷焊就是被加工的材料粘结在刀具上。

这将导致一系列严重后果，如切削力矩急剧增加，刀具耐用度大大下降甚至刀具断裂，螺纹误切过大，螺纹表面粗糙，等等。

所以，尤其是在加工韧性材料时，要对刀具进行表面处理或表面涂层，以降低或避免冷焊现象的发生。

此外，降低热传递系数也很重要。

§ 1.2. 常见的热处理方式及其特性1. 淬火高速钢刀具在加工时都要进行热处理(淬火), 以提高其硬度。

高速钢的淬火是在非常高的温度(约 1200︒ C, 约8-10小时), 即邻近熔点下进行的。

在此高温下加热一段时间后，其中一部分碳化物将溶解。

通过快速冷却至约550︒ C，这种状态将…冷凝“。

钢内部张力增大，从而导致其硬度比初始状态大大提高。

由于淬火后，高速钢中除马氏体外还有一部分奥氏体，所以随后要进行多次回火(一般3次,每次在空气中或盐池中23小时)，以便将残余奥氏体转变成马氏体。

在这个过程中，根据碳化物析出量的大小，材料将在淬火硬度的基础上在 550︒ C 左右达到最大二次硬度。

对于丝锥而言，其回火温度应比达到最大二次硬度所需的温度低 20︒ C 左右，以获得足够的韧性。

高速钢的热处理必须在对刀具表面中性反应的媒介中或气体中进行。

在当今采用的淬火工艺中通常通过如真空或防护气体来保证。

刀具表面的脱碳或合金的析出将对刀具的效率产生不利的影响。

2.渗氮 (NT)渗氮处理时，氮原子将渗入刀具表面内。

这个过程，取决于不同的处理工艺，可以通过胺分解 (气体－渗氮)，或在530-550︒的盐溶液中 (盐池－渗氮)，或通过等离子体(等离子－渗氮) 来实现。

氮原子与铁及合金元素相结合生成非常硬的氮化物。

刀具的表面获得 5-30 μm 的硬层。

由于渗氮处理较便宜.硬度及耐磨性:由于渗氮后刀具表面获得相对较厚的硬的渗氮层, 这个硬层将提高刀具的硬度(约1100 - 1250 HV) 及耐磨性, 所以这种处理后的刀具可用来切削那些耐磨性强的材料, 象铸铁, 铝合金, 珠光体含量较高的钢, 钛合金及硬而脆的塑料。

渗氮处理常用于 GG, H, GAL, VA, Ti 型及挤压丝锥. 如直槽丝锥(Rek. A-GG,H), 及挤压丝锥(DR蹸K)和内容屑丝锥(NT2=NT+Ne2).抑制性及抗化学反应性: 因为渗氮层不呈金属性，故抑制性及抗化学反应性也有所提高,它可以减少烧焊或刀瘤现象。

渗氮后刀具表面呈灰色。

故常用于加工VA材料, 如通孔丝锥(Rek. B-VA).应用: 主要用于耐磨材料, 如灰口铸铁, 高硅铝, 调质钢, 珠光体钢.渗氮处理对改善滑移性影响不大, 故不太适合加工有色金属, 如铝, 铜等.且由于渗氮处理后刀具的热硬度并未得到较大的提高，故不适宜用于干切削。

由于渗氮层相对较厚而硬(脆性大), 所以, 在加工韧性材料的盲孔螺纹时，不采用这种表面处理，因为在切断切屑根部时，由于反向力矩较大, 有可能产生刀口崩裂。

如Enorm VA 就无渗氮处理. 当用小螺旋角丝锥加工韧性材料盲孔时，常先将丝锥渗氮处理, 然后再磨前角，使切削面上无渗氮处理, 如Rek. C-Ti, Rek. D-Ti, Rek. D f-VA。

3.中和处理(Ne) 和蒸气处理(Ne2) 及NT2中和处理(Ne) 是将刀具浸在化学剂的酸池中, 从而使刀具获得氧化层。

主要用于小批量处理.蒸气处理(Ne2) 是将刀具放在铁箱内进行回火处理，同时放入蒸气。

水蒸气在500-550 的高温下将分解成氢原子和氧原子。

氧元素将在刀具表面化学反应而形成一层黑色的薄而紧固的氧化铁。

用于批量处理.Ne及 Ne2均可在丝锥表面产生氧化层(功能一样). 这个氧化层有下列功能:1) 由于氧化层呈非金属性，在刀具和工件之间形成一个中性区，从而可以减少加工时的冷焊。

2) 这个氧化层使刀具表面稍微毛糙，这样可以承接更多的润滑剂，以改善加工润滑条件. 但是，在加工软的易于粘着的材料时，如铝和铜，由于氧化层而造成的刀具表面毛糙度使刀具更易于粘着而形成冷焊。

所以，这种处理方式不能用于加工有色金属或干切削。

3) 氧化层将使刀具变钝, 故有一定的避免误切的功能, 尤其在加工软钢时,常常被采用.4) 氧化层很少使刀具的寿命得到提高。

此外，氧化层还使刀具稍微收缩，使刀具直径轻微减少。

5) 它可使切屑直径变小, 从而有断屑的功能 (效果比光丝锥好).6) Ne 由于是酸性腐蚀故其效果要比Ne2要好?7) 中和处理(Ne) 和蒸气处理(Ne2)丝锥的应用呈下降趋势。

NT2 = Ne2 + NT, 它主要由于内容屑丝锥及通孔MULTI丝锥.4. 硬镀铬(Cr)这里采用的是用电镀的方法将刀具镀上一层厚度为2-4μm的铬材料。

硬度及热硬度:刀具在镀铬后，硬度可达 1200-1400HV, 但是其韧性和热硬度却稍有下降。

故铬元素材料的韧性和热硬度对于切削加工而言还不够。

所以，镀铬的刀具只能用来加工软材料，如铝，铜，韧性塑料等，而不适合于加工钢和铸铁等材料。

抑制性及抗化学反应性:硬镀铬层与其它金属难于相结合且由于硬镀铬层使刀具表面光滑(它与TIN/TICN 涂层的不同在于, 镀铬层使材料整体表面光滑, 而后者不能改变刀具的粗糙度)而使刀具的滑动性能得到改善，从而减少或避免了冷焊. 这一点对于加工铝，铜及其合金尤为重要，因为其强度低，粘性大，刀具表面的粗糙将导致冷焊。

§ 2 表面镀层§ 2.1 表面涂层的方式及性能的改善表面涂层是指用化学或物理的方法将硬材料, TIN/TICN/TIALN, DIAMAND 等“涂“在刀具的表面, 以提高刀具的切削性能. 它不仅适合高速钢, 而且也适合硬质合金, 金属陶瓷, 金钢石, CBN等其它刀具材料. 涂层的刀具应用量越来越广.1. CVD 和PVD过程:CVD: (Chemical Vapour Deposition) 自70年代以来，一直很流行用化学蒸发沉淀法(CVD)来进行硬质合金刀具的表面涂层。

可是，这种技术不适合于高速钢刀具，因为这种方法要求加热温度为1000︒ C左右，远远高于高速钢的软化点, 故不适合高速钢, (需涂层后再热处理).同时, 高温也使硬质合金刀具的韧性下降. 另外, 由于CVD涂层是一化学方式涂层连接, 故要求涂层较厚(约7-9μ)以渗入, 故刀具几何尺寸将发生变化, 也不适合较锋利的刀具, 但其连接性, 硬度及耐磨性均较好, 通常多用于刀片. 另外, CVD由于不受加热炉体积的限制, 故可对较大体积的刀具(如塑性变形工具等)涂层. CVD价格便宜.PVD: (Physical Vapour Deposition)物理蒸发沉淀(PVD)，是涂层技术的最新发展, 它是在炉中通过1)电极辐射, 2)或通过电弧(ARC) 将硬材料,如钛Ti, 化成雾状并借助反应气体, 如氮气N, 而涂(沉积)到刀具(负极)上, 而形成一个很薄, 很硬又很紧密的涂层. 在涂层前, 刀具将被彻底清洗去油并烘干.另一种方法是, Sputtern, 即通过氩(Argo)离子的轰击涂层材料, 如TiAL, Ti, MoS, 使其雾化, 这些雾化后的小颗粒有很高的动能. 它们借助反应气体, 如氮气N, 而涂(沉积)到刀具上如TiAlN, MoLyGlide等由于其加热温度低, 在回火温度之下, 约为80- 5000︒ C，从而适合于高速钢及硬质合金涂层. 其涂层厚度较薄, 约为3-4μ, 故适合较锋利的刀具. 其摩擦较低, 热硬度较高. 在真空炉中涂层并冷却约需4-8个小时.据目前所掌握的资料来看，用PVD方法(低温)进行硬质合金刀具涂层比用CVD方法效果要好, 故广泛应用(80-90%).2. 性能的改善1) 硬度及热硬度:硬材料表面涂层的效果方式十分复杂。

它首先将刀具硬度提高到2300-3500HV，比硬质合金的硬度还高，从而大大提高了刀具的耐磨性。

2) 抑制性及抗化学反应性:而且由于这种硬材料化学反应不敏感性，避免了材料的冷焊，而使粘附性的磨损大大降低。

此外，硬涂层材料还有一个功能是，抵挡或减少加工热进入刀具基体。

这主要通过两个途径来实现：一是促使排屑流畅；二是降低刀具的热传导系数。

尤其在加工盲孔螺纹时，刀具的热传导系数要比摩擦系数或滑动性能更重要些。

硬涂层材料的热传导系数较低，故在加工中可降低刀具的热载荷.这种复杂的影响机制，不仅导致了在切削条件不变的情况下，硬材料涂层刀具寿命成倍增加，而且可以在十分恶劣的工作条件下进行切削加工。

而在这种条件下，普通未涂层的刀具则早已因热载荷而报废。

对硬质合金刀具而言,涂层还可防止钴在高温下扩散到钢中.3) 滑动性:涂层的另一个功能是大大改善刀具材料的滑动性能。

由于硬涂层材料的摩擦系数很低, 滑动好, 而使加工中排屑大大流畅。

如前所述，排屑流畅可以带来一系列好处，如表面质量提高，切削力矩下降，减轻刀具的机械载荷和热载荷，冷焊减少，刀具寿命提高等等。

所以，这种刀具也常常用于排屑有问题的加工之中。

但也由于硬涂层材料的刀具由于滑动性能好，而使加工长屑材料时的切屑变得更长，故它们不能用于有切屑缠绕危险及使丝锥中后部打齿的韧性材料带沉孔的盲孔加工之中, 或多孔螺纹加工之中。