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PCD﹑PCBN刀具材料及刀具涂层(一）PCD二十世纪七十年代，人们利用高压合成技术合成了聚晶金刚石(PCD），解决了天然金刚石数量稀少、价格昂贵的问题，使金刚石刀具的应用范围扩展到航空、航天、汽车、电子、石材等多个领域。
金刚石刀具具有硬度高、抗压强度高、导热性及耐磨性好等特性,可在高速切削中获得很高的加工精度和加工效率.金刚石刀具的上述特性是由金刚石晶体状态决定的。
在金刚石晶体中，碳原子的四个价电子按四面体结构成键，每个碳原子与四个相邻原子形成共价键，进而组成金刚石结构，该结构的结合力和方向性很强，从而使金刚石具有极高硬度。
由于聚晶金刚石（PCD）的结构是取向不一的细晶粒金刚石烧结体，虽然加入了结合剂，其硬度及耐磨性仍低于单晶金刚石.但由于PCD烧结体表现为各向同性，因此不易沿单一解理面裂开PCD刀具材料的主要性能指标：①PCD的硬度可达8000HV，为硬质合金的80～120倍;②PCD的导热系数为700W/mK，为硬质合金的1.5~9倍，甚至高于PCBN和铜,因此PCD刀具热量传递迅速；③PCD的摩擦系数一般仅为0。
1～0.3（硬质合金的摩擦系数为0.4～1）,因此PCD刀具可显著减小切削力；④PCD的热膨胀系数仅为0.9×10 —6~1。
18×10 —6,仅相当于硬质合金的1/5，因此PCD刀具热变形小，加工精度高;⑤PCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小,在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。
PCD 刀具的应用:工业发达国家对PCD刀具的研究开展较早，其应用已比较成熟。
自1953年在瑞典首次合成人造金刚石以来，对PCD刀具切削性能的研究获得了大量成果，PCD刀具的应用范围及使用量迅速扩大。
目前，国际上著名的人造金刚石复合片生产商主要有英国De Beers公司、美国GE公司、日本住友电工株式会社等。
据报道,1995年一季度仅日本的PCD刀具产量即达10。
7万把。
刀具涂层技术的应用自20世纪60年代化学气相沉积（CVD）涂层硬质合金刀片问世发来，涂层技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。
而20世纪80年代初，TiN物理气相沉积（PVD）涂层高速钢刀具的出现，以使高速钢刀具的性能发生了革命性的变革。
由于涂层技术可有效提高切削刀具的使用寿命，使用刀具获得优良的综合机械性能，大幅度地提高机械加工效率，因此涂层技术已经在切削刀具提高性能的工艺中得到极为广泛的应用于。
刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积（CVD）技术和物理气相沉积（PVD）技术两大类，本文拟从这两方面分别介绍国内外刀具涂层技术的应用情况。
1、刀具涂层技术的应用（1）CVD涂层技术的应用CVD是使挥发性化合气体发生分解或化学反应，并在被镀工件上形成沉积成膜的方法。
在CVD工艺中，气相沉积所需金属源的制备相对容易，可实现TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、AL2O3等单层及多元多层复合涂层。
CVD涂层镀层密实，涂层与基体结合强度高，附着力强，均匀性好，形状复杂的工件也可得到合金副的镀层，薄膜厚度可达5—12微米，因此CVD涂层具有更好的耐磨性。
但其工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度的下降，薄膜内部为拉应力状态，使用中易导致微裂纹的产生，因此只适合于硬质合金车削类刀具的表面涂层，其涂层刀具适合于中型、重型切削的高速加工及半精加工。
自1968年第一批CVD涂层硬质合金刀具问世至今，该涂层技术已发展了近35年。
在这35年间，CVD涂层技术从单一成份发展到多种成份、从单一膜层发展到多元多膜层，经过大量的试验，完成了批量大规模的工业化生产。
如今，CVD涂层硬质合金在涂层硬质合金刀具中占到了80%以上的份额，CVD涂层技术已广泛应用于各类硬质合金刀具。
其涂层工艺的主要发展阶段及应用领域见下表：1968——TiN、TiN——方法CVD——硬质合金刀具、模具涂层1973——TiCN、TiC+AL2O3——CVD ——硬质合金刀具、模具涂层1981——TiC+AL2O3+TiN、AL-O-N——CVD——硬质合金涂层1982——TiCN——MT-CVD——硬质合金刀具涂层1986——Diamond、CBN——CVD、PVD——硬质合金刀具涂层1990——TiN、TiCN、TiC——PCVD——模具、螺纹刀具、铣刀等1993——TiN+TiCN（CVD）+TiN（PVD）——CVD+PVD——硬质合金铣削类刀具涂层1993——厚膜纤维状TiCN——MT-CVD——硬质合金车削类刀具涂层（用于粗、半精加工）从上表可以发现，CVD涂层技术主要用于硬质合金类各种切削刀具。
切削刀具表面涂层技术浅谈王朋朋摘要：随着材料科学的发展和机械加工技术的进步，我们对切削金属时的刀具的要求也日益提高。
切削刀具向着高切削速度、高可靠性、长寿命和高精度的方向发展。
因此，刀具表面的涂层技术就显得愈加重要。
关键词：刀具表面处理；刀具表面涂层；物理气相沉积Abstract: With the development of Materials Science and Mechanical technology advances, we are metal cutting tool requirement also is increasing day by day. Cutting tool in high cutting speed, high reliability, long life and high precision in the direction of development. As a result, coating on the surface of the cutting tool technology becomes more and more important.Keywords: Tools Surface ; Tools Surface Coating; PVD随着科学技术，工艺生产的进步，对材料的要求愈来愈高，同时对切削材料的刀具的要求愈加复杂，要求切削的速度不断提高，传统的普通刀具往往不能够满足现在的新的要求。
虽然可以采取各种手段，提高刀具材料的硬度和耐磨性，但同时也会使刀具的强度和韧性下降，从而影响切削加工零件的使用性能。
刀具的耐磨性在于表面质量，提高表面质量的主要手段是对刀具表面进行表面处理。
一.刀具表面涂层技术介绍与特点表面涂层技术，就是再刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜，一般采用TiC、TiAlN等，由于刀具表面涂层具有很高的硬度和耐磨性，同普通刀具相比，在原来的刀具强度的基础上，又可以很好的提高刀具的表面的硬度、耐磨性和刀具的切削性能，因而可以显著的延长刀具的使用寿命。
刀具涂层的分类与运用1 引言作为基本财产的制作业正在产生着革命性的变更,制作技巧也已产生了质的变更.尤其是近几年高速切削加工技巧的运用,在大幅度进步临盆效力的同时也极大地进步了产品的质量,可以以为高速切削加工技巧已成为切削制作业的主流.高速切削加工技巧的成长与运用同时带动了相干技巧的敏捷成长.高速切削顾名思义,是高的速度.大的进给量.机床的快速移动.快速换刀等,最终表现为临盆效力的大幅度进步.但是应当指出的是高速切削只是一个相对的概念,跟着加工方法.工件材料以及刀具选择的变更,高速切削加工的速度消失很大变动规模.一般以为高速加工的切削速度为通例切削速度的5～10倍,如加工碳素钢切削速度为500～2000m/min;铸铁为600～3000m/min;铝合金为1000～7000m/min;铜为900～5000m/min.高速切削刀具技巧是实现高速加工的症结技巧之一,而刀具材料的高温机能是影响高速切削刀具技巧成长的重中之重.因为在高速切削加工中所产生的切削热对刀具的磨损比通例切削高得多,是以对刀具材料有更高的请求：高硬度.高强度和耐磨性;高的韧性和抗冲击才能;高的红硬性和化学稳固性;抗热冲击才能.刀具概况涂层技巧是应市场需求而成长起来的一种概况改性技巧,自上世纪60年月消失以来,该项技巧在金属切削刀具制作业内得到了极为普遍的运用.尤其是高速切削加工技巧消失之后,涂层技巧更是得到了缓慢的成长与运用,并成为高速切削刀具制作的症结技巧之一.该项技巧经由过程化学或物理的办法在刀具概况形成某种薄膜,使切削刀具获得优秀的分解切削机能,从而知足高速切削加工的请求.归纳起来切削刀具概况涂层技巧具有以下特色：1.采取涂层技巧可在不降低刀具强度的前提下,大幅度地进步刀具概况硬度,今朝所能达到的硬度已接近100GPa;2.跟着涂层技巧的飞速成长,薄膜的化学稳固性及高温抗氧化性加倍凸起,从而使高速切削加工成为可能;3.润滑薄膜具有优越的固相润滑机能,可有用地改良加工质量,也合适于干式切削加工;4.涂层技巧作为刀具制作的最终工序,对刀具精度几乎没有影响,并可进行反复涂层工艺.涂层切削刀具所带来的益处：可大幅度进步切削刀具寿命;有用地进步切削加工效力;显著进步被加工工件的概况质量;有用地削减刀具材料的消费,降低加工成本;削减冷却液的运用,降低成本,利于情形呵护.2 刀具涂层的分类众所周知,传统刀具涂层技巧重要可分为两大类,但因为市场需求的变更及涂层技巧本身的特点,物理涂层技巧的成长受到了更大的存眷.PVD技巧在得到飞跃性成长的同时,其运用市场也得到了普遍的拓展.与最初成长比拟,不但涂层成分种类繁多,近几年来在涂层构造上更是有了冲破性的成长,并已为市场合接收.跟着PVD技巧在市场中愈来愈普遍的运用,熟悉懂得各类涂层的特点及实用范畴愈加显得重要.是以本文拟对当前PVD涂层进行分类,并剖析各类薄膜所实用范畴,目标是让运用者对各类涂层有一个较体系的懂得,加倍合理地运用涂层刀具.从PVD技巧的成长和运用角度,笔者以为PVD涂层可按2种办法进行分类.1.按涂层成分分类按涂层成分对涂层进行分类简练.清楚明了,基于对材料机能的熟悉,运用者轻易懂得涂层的功效,易为市场合接收,是以今朝各涂层企业更多的是以不合的涂层成分向用户介绍.推举其技巧及产品.按成分对涂层区分平日可分为两大类,即硬涂层和软涂层.硬涂层以TiN.TiCN.TiAlN等为代表,包含了单层薄膜和复合薄膜,跟着市场需求的变更及涂层技巧的成长,新的涂层成分不竭被开辟出来,到今朝为止所运用的硬涂层成分已有几十种之多;软涂层顾名思义薄膜的硬度相对较低,平日为1000HV阁下.软涂层今朝种类其实不久不多,以MoS2.碳基薄膜为主,在切削加工范畴内,其目标是经由过程在硬涂层概况笼罩一层这种薄膜,试图增长涂层概况的润滑性,改良被加工工件概况质量,以知足某些运用范畴的须要.2.按涂层构造分类尽管按成分进行涂层分类具有优越的市场基本,但从PVD技巧的成长来看,涂层的内部构造的变更已越来越多地影响着涂层刀具的运用后果.雷同的涂层成分.不合的构造情势,可以导致涂层刀具运用后果的截然不合.是以熟悉懂得今朝PVD涂层薄膜的构造情势,对于该项技巧的现实运用有着十分重要的意义.就今朝PVD技巧的成长状况,涂层薄膜构造大体可分类如下：a.单一层涂层涂层由某一种化合物或固溶体薄膜构成,理论上讲在薄膜的纵向发展偏向上涂层成分是恒定的,这种构造的涂层可称之为通俗涂层.假如接洽到PVD的成长过程,现实上在曩昔相当长的时代内一向采取这种技巧,个中包含众所周知TiN.TiCN.TiAlN 等.跟着运用市场请求的不竭进步,人们也愈加熟悉到这种涂层的局限性,无论是显微硬度.高温机能.薄膜韧性等都难于大幅度进步,但这种涂层在市场中仍占领必定比例.b.复合涂层图1 CrN+CBC复合薄膜图2 TiAlCN梯度薄膜图3 多层薄膜图4 AlN+TiN+CrN纳米薄膜图5(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)纳米复合相构造薄膜c.由多种不合功效(特点)薄膜构成的构造可以称之为复合涂层构造膜,其典范涂层为今朝的硬涂层+ 软涂层,每层薄膜各具不合的特点,从而使涂层更具优越的分解机能.图1所示为CrN+CBC复合涂层,个中CBC为碳基薄膜.d.梯度涂层涂层成分沿薄膜纵向发展偏向慢慢产生变更,这种变更可所以化合物各元素比例的变更,如TiAl-CN中Ti.Al含量的变更,也可以由一种化合物逐渐过渡到另一种化合物,如由CrN 逐渐过渡到CBC.可以预感这种构造能有用降低因成分突变而造成的内部微不雅应力的增长.图2所示为TiAlCN梯度薄膜.e.多层涂层多层涂层由多种机能各别的薄膜叠加而成,每层膜化学组分根本恒定.今朝在现实运用中多由2种不合薄膜构成,因为所采取的工艺消失差别,不合企业的多层涂层刀具,其各膜层的尺寸也不近雷同,平日由十几层薄膜构成,每层薄膜尺寸大于几十纳米,最具代表性的有AlN+TiN.TiAlN+TiN涂层等.与单层涂层比拟,多层涂层可有用地改良涂层组织状况,克制粗大晶粒组织的发展,多层薄膜如图3 所示.f.纳米多层涂层这种构造的涂层与多层涂层相似,只是各层薄膜的尺寸为纳米数目级,又可称为超显微构造.理论研讨证其实纳米调制周期内(几纳米至几十纳米),与传统的单层膜或通俗多层膜比拟,此类薄膜具有超硬度.超模量效应,其显微硬度超出40GPa是可以预期的,并且在相当高的温度下,薄膜仍可保存异常高的硬度.是以这类膜具有优越的市场运用远景,其典范代表为AlN+TiN.AlN+TiN+CrN涂层等.如图4所示,为AlN+TiN+CrN纳米膜系,其调制周期约为7nm.g.纳米复合构造涂层纳米复合构造涂层.以(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)纳米复合相构造薄膜为例,在强等离子体感化下,纳米TiAlN 晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4体内(见图5),当TiAlN晶体尺寸小于10nm 时,位错增殖源难于启动,而非晶态相又可阻拦晶体位错的迁徙,即使在较高的应力下,位错也不克不及穿越非晶态晶界.这种构造薄膜的硬度可以达到50GPa 以上,并可保持相当优良的韧性,且当温度达到900℃～1100℃时,其显微硬度仍可保持在30GPa 以上;此外这种薄膜同时可获得优良的概况质量,是以工业运用远景辽阔.3 涂层的运用跟着PVD技巧的敏捷成长,在现实运用中涂层的合理选择愈加显得重要.今朝涂层薄膜不但要解决硬度问题,其韧性.抗氧化性.概况光滑度及润滑性等都须要根据不合的切削前提进行分解斟酌.从现实的切削加工状况来看,仅凭涂层成分进行选择,在现实运用中已难以获取最佳经济效益.本文根据上述两种涂层分类,浅析现实切削加工中PVD涂层薄膜的选用.1.车削加工车削加工的特色是持续.稳固.切削力及切削温度变更小,相对而言切削温度较高,是以在选择涂层类别时,涂层的硬度和高温抗氧化性是重点斟酌身分.a.加工钢材时可选用纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)及AlTiN薄膜,这两种薄膜都具有极高的概况硬度,且红硬性优越,运用温度可达到1100℃.b.铸铁加工平日也可选择上述2种薄膜.c.铝及铝合金加工的特色是熔点低,在切削加工中极易形成积屑瘤,且氧化了的切屑可形成Al2O3,导致摩擦感化的加强.当硅含量在4%～13%之间时,硅在铝内形成固溶体＋共晶体组织,这种脆性.针状的片状硅的搀杂,在切削进程中,具有磨料感化,导致刀具早期掉效;而当Si含量进一步进步时粗大的组织使切削机能进一步降低.假如采取干式切削,可加剧这种磨损的成长,加工这类有色金属金刚石涂层刀具是最佳的选择计划之一,但斟酌到可行性及经济性,对于PVD而言,涂层应具有高的硬度及优良的润滑性.当Si 含量小于12%时,可选择多层TiCN+MoS2复合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜;而当Si含量大于12%时,则可选用纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)或单层的TiCN 薄膜.d.高强度合金的加对象有变形大.加工硬化大.切削温度高的特色,此外因为该类合金中含有大量的碳化物.氮化物等,其显微硬度可达2000 ～3000HV.在选择用于此类涂层时,其显微硬度.高温机能.润滑性是应侧重斟酌的身分.平日可选用纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)或TiAl-CN+CBC 复合薄膜.e.对于铜及其合金而言,涂层极具针对性,而与加工方法接洽关系性较低.紫铜塑性.韧性大,易粘屑,是以须要有用地解决排屑问题,一般选用CrN膜;而对于铜合金(黄铜.青铜),因为材料强度的进步,平日采取单层TiCN 或多层TiCN 薄膜.f.塑胶材料的加工特点是导热性差.磨料性.回弹性等,且大多采取干式切削加工方法,是以薄膜的显微硬度及热绝缘性是重点斟酌的身分,除了CVD的金刚石薄膜外,也可选用多层TiCN薄膜.2.钻削加工钻削加工也属于持续加工切削方法,其涂层种类的选择根本与车削加工相似.但所需留意的是通孔加工消失载荷的突变,是以所选择薄膜应具有优越的韧性.如在通俗钢材的加工中,可选用多层膜;若在一般的切削前提下,单层的TiN薄膜也会获得优越的运用后果.3.铣削加工在高速加工范畴,铣削加工占领极其重要的地位,而PVD技巧的成长也从整体铣刀的涂层扩大到可转位刀片规模,并且已取得了冲破性的进展.铣削加工是一种断续加工方法,尤其在高速加工前提下,刀具受载状况极其庞杂,刀具因不竭受到大小.地位不合的机械冲击和热冲击载荷感化,可激发薄膜的决裂.脱落等现象的产生,从而导致刀具的早期掉效.a.加工通俗钢材时可选用TiCN.纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4).AlCrN薄膜,这三种薄膜都具有较好的韧性.b.与通俗钢材比拟,铸铁的铣削加工平日导致刀具磨料磨损,涂层刀具的概况硬度更为重要,是以可选择纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4).AlTiN.AlCrN薄膜.c.对于铝及铝合金的加工,当Si 含量小于12%时,可选择多层TiCN+MoS2复合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜;而当Si含量大于12% 时,则可选用纳米复合构造薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)及多层TiCN 薄膜.d.高强度合金的铣削加工平日可选用多层TiCN+MoS2.梯度TiAlCN+CBC.AlCrN 薄膜.4.螺纹加工螺纹加工也一种持续切削方法,相对于通俗车削加工,这种加工属于成型加工模式,切削速度相对较低,不轻易断屑,且对刀具的几何尺寸有严厉请求,刀具刃口渺小的缺点也可导致工件的报废.是以薄膜的致密性.韧性以及概况的润滑性是重要斟酌的身分.a.加工通俗钢和高强度合金时可选用TiCN+MoS2复合薄膜.TiAlCN+CBC梯度薄膜及TiAlN纳米多层薄膜,这三种薄膜都具有优越的韧性及优良的润滑性.b.与通俗钢材比拟,铸铁的螺纹加工平日以磨料磨损为主,薄膜的致密性.韧性.硬度一致重要,是以常可选择TiAlCN 及TiCN 多层薄膜.c.对于铝及铝合金的加工,当Si含量小于12%时,可选择CrN+CBC及TiCN多层薄膜;而当Si含量大于12%时,则可选择TiAlCN+CBC 及TiCN多层薄膜.4 结语近年来刀具概况涂层技巧成长的特色是敏捷及多元化.由图6可以看图6 2003年TiN.TiCN.TiAlN涂层运用情形出,经由几年的过程,TiN涂层一统世界的情形已不复消失,尤其在硬质合金刀具运用范畴,TiAlN涂层的比例已超出TiN,而其它种类涂层也有增长趋向.显然薄膜技巧的成长不竭地为切削加工供给更有用.更经济的手腕,跟着该项技巧的飞速成长,各类超显微构造.超硬度.特别功效薄膜的消失势必促进切削加工计划的进一步优化.对于运用者而言,充分懂得各类涂层及其所实用的运用规模愈加显得重要.因为篇幅所限,本文仅针对各类涂层所合适的加工方法及材料进行了阐述,而现实运用中特别材料(如硬度达到50HRC以上).切削速度.冷却方法等前提的不合,对涂层刀具的选用也都邑产生重要的影响。
