切削刀具PVD涂层技术的发展及应用

PVD涂层是利用蒸发、辉光放电等物理过程 ,在基材表面沉积出所需要的涂层的技术 ,通常采用的 PVD技术有蒸发镀膜、离子镀膜和溅射镀膜三大类 ,其中离子镀和溅射镀适合于对切削刀具进行超硬材料涂层。本文着重介绍了溅射镀技术及采用该技术生产的几种重要的涂层 ,结合实例介绍了它们的使用性能 ,并对 PVD涂层切削刀具技术的研究进展 ,工业化生产及应用现状进行了综述。     

PVD技术在刀具上的应用和发展

介绍了PVD刀具的涂层方法,概述了国内外PVD技术的发展趋势,指出了PVD技术将是刀具行业的主流技术,应用前景十分广阔.     

超硬纳微米 PVD 涂层技术在刀具领域的应用及研究进展

介绍了物理气相沉积(PVD)技术的原理、特点和真空蒸镀、溅射镀和离子镀之间的优缺点,从二元涂层、多元涂层、多层涂层和纳米多层复合涂层等4种类别上介绍了PVD涂层技术在切削刀具上的广泛应用。在查阅和整理大量文献资料的基础上,也结合笔者多年从事PVD技术的研究与应用心得,从提高切削刀具的寿命这一重要角度出发,阐述了国内外超硬纳微米PVD涂层技术在切削刀具应用领域的研究进展,并对多元涂层、多层涂层及涂层的纳米化也进行了较为详细地论述。切削刀具表面采用物理气相沉积涂层技术能使刀具获得优异的综合性能,从而显著提高切削刀具的使用寿命,降低生产成本,大幅提高机械加工效率。最后展望了物理气相沉积涂层技术未来将在超硬切削(包括模具钢、淬硬钢等硬度超过HRC55以上的铣削加工)、难加工材料切削(包括高温合金、钛合金、不锈钢等)、石墨和碳纤维等复合材料加工和有色金属的高速切削加工(包括铝合金、铜合金、镍等)的广泛应用。     

豪泽公司研发第二代HIPIMS＋涂层技术

物理气相沉积（PVD）涂层工艺主要是通过电弧蒸发作用或磁控溅射作用来实现涂层在刀具表面的沉积。荷兰的PVD和等离子体辅助CVD涂层技术开发商——豪泽技术涂层公司（Hauzer Techno Coating BV）正在尝试用其第二代高能激发磁控溅射（HIPIMS＋）涂层技术对PVD涂层工艺进行创新变革。     

新一代PVD刀具涂层

PVD涂层全球供应商Balzers公司最近开发出世界首创的新一代PVD涂层——G6涂层。这种商标名为BALINTT的AlCrN基刀具涂层非常薄，但硬度极高，可显著减小刀具的磨损和摩擦，具有优异的加工性能。BALINIT涂层适用于硬质合金和高速钢刀具的涂覆和重涂。     

物理气相沉积（PVD）TiN，TiCN和TiAlN涂层硬质合金刀具的车削性能

在WC-6wt％Co硬质合金刀片上沉积离子镀PVDTiN、TiCN涂层和高离子化溅射PVD TiAlN涂层。描述了涂层和基体的显微特征和力学性能。在以高低切削速度车测铬镍铁合金Inconel 718、中碳钢SAE 1045和球磨铸铁中对涂层刀具进行了测试。TiAIN涂层刀具显示出最好的金属切削性能，其次是TiCN和TiN涂层刀具。TiAIN涂层刀具优良性能在较高速度下更加突出．它与冷层较高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力有关。这些特点是在TiAIN车削使用时刀尖通常遇到的温度下具有较高的红硬性和抗氧化性的结果。     

抛光涂层硬质合金刀片加工钛合金的耐用度分析

目的提高涂层硬质合金刀具加工钛合金的切削性能及加工效率。方法采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)对经过磨削加工的YG8硬质合金车削刀片前刀面进行抛光预处理,并使用CVD与PVD涂层工艺制备涂层。运用单因素试验法,对抛光涂层硬质合金刀片进行切削TC4钛合金的刀片耐用度试验,分析钛合金加工过程中刀具种类及切削参数变化对刀片耐用度的影响规律。采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析刀片的磨损机理。结果经过化学机械抛光处理后,硬质合金刀片的平均粗糙度由87 nm降低为19 nm,降低幅度达78.2%。相同切削参数时,抛光CVD硬质合金刀片的耐用度最大程度上比磨削CVD硬质合金刀片提高了75%,抛光PVD硬质合金刀片的耐用度最大程度上比磨削PVD硬质合金刀片提高了8.3%。可见采用化学机械抛光对硬质合金刀片进行加工是提高刀片表面平整度及耐用度的重要途径。结论抛光CVD硬质合金刀片的耐用度优于磨削CVD硬质合金刀片,抛光PVD硬质合金刀片的耐用度优于磨削PVD硬质合金刀片。     

cBN涂层有望实现商品化

早在上世纪80年代,当CVD金刚石涂层刚刚开发成功不久,对cBN涂层研究工作随即展开,业界希望能够利用cBN的优越性,提高加工黑色金属刀具性能。如今,已可通过CVD或PVD工艺进行金刚石涂层,并实现了商业化应用。但由于cBN材料的特殊性,使cBN涂层研究工作经历了一个较长的过程。     

PVD涂层刀具高速铣削CoCrMo合金的性能研究

目的为了提高涂层硬质合金刀具的切削性能,研究了物理气相沉积PVD法制备的涂层硬质合金铣刀在高速干式环境下的铣削性能。方法采用阴极电弧技术制备了TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层硬质合金铣刀刀头,通过一同沉积涂层的硬质合金圆片,间接测量得出涂层的显微硬度、厚度和平均摩擦系数,并以CoCrMo合金为切削对象,进行了PVD涂层与无涂层刀具高速铣削下的对比试验。结果TiAlSiN显微硬度最高达3800HV,摩擦系数达0.3,TiAlN涂层平均膜厚为2μm,间接测得TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层的结合力依次为60、58、42N。在三者的切削性能中,TiAlSiN涂层的切削性能比TiAlN和TiN涂层的好,同等切削参数时,TiN刀具的高速铣削时间最短,TiAlSiN涂层的平均磨损值为0.1895,TiN的平均磨损值为0.3047。结论涂层中添加Al、Si,极大地提高了刀具的使用性能,改善了刀具切削过程中的耐磨性、红硬性,极大地延长了刀具的使用寿命。TiAlSiN涂层的硬度高,耐磨损性好,切削性能好,适合高速铣削加工。     

CBN涂层有望实现商品化

早在上世纪80年代,当CVD金刚石涂层刚刚开发成功不久,对CBN涂层的研究工作随即展开,业界希望能够利用CBN的优越性,提高加工黑色金属的刀具性能。如今,已可通过CVD或PVD工艺进行金刚石涂层,并实现了商业化应用。但是,由于CBN材料的特殊性,使CBN涂层的研究工作经历了一个较长的过程。     

CVD金刚石涂层刀具切削性能与磨损机理研究

针对普通刀具切削质量差、刀具耐用度低等问题，对CVD涂层刀具制备方法及切削性能进行研究。首先以硬质合金刀具为基体通过CVD方法制备金刚石涂层，分析涂层表面形貌。然后在不同条件下进行铝合金材料的干式切削试验，分析金刚石涂层对切削力、切削温度以及工件表面粗糙度的影响规律。最后，通过对刀具磨损机理的分析，讨论涂层对刀具使用寿命的影响。研究结果表明，所制备的涂层刀具能够降低切削力和切削温度，大大提高刀具的切削性能和工件的表面质量，并能有效提高刀具使用寿命。     

激光焊接的裁焊板及其在汽车中的应用

介绍了激光焊接用于汽车裁焊板的新技术。使用裁焊板可以实现汽车部件尺寸和材质的优花配合。与滚压缝焊相比，激光焊接具有焊接质量高、适应性广、生产费用和维护费用低的优点，特别适合进行裁焊板的焊接加工。激光焊接裁焊板的技术问题主要有：采用激光切割坯板方案的可行性、接头的成形性、焊接质量的控制和大板拼接变形的控制。     

涂层刀具微喷砂表面处理技术的进展

介绍了微喷砂表面处理技术进展及工作原理,分析了微喷砂处理对涂层刀具表面完整性、切削性能的影响。研究发现,微喷砂能够改善涂层刀具表面的粗糙度并提高涂层表面的残余压应力,进而提升刀具的切削性能并延长使用寿命。总结了微喷砂表面处理技术对涂层刀具表面的影响,并且对微喷砂表面处理技术进行了展望。研究结果为涂层刀具的表面处理和绿色智能制造提供了参考。     

DLC膜涂层硬质合金刀具的研究进展

类金刚石(DLC)膜涂层刀具的硬度高、摩擦系数低、耐摩擦和耐腐蚀性能强、抗粘结性能好,并且可以用来制作复杂、异型刀具,是未来刀具的一个重要发展方向。本文介绍了DLC膜的表面显微结构和Raman光谱并列举了DLC的制备方法 (包括磁控溅射、离子束沉积、脉冲激光沉积、真空阴极电弧沉积、等离子体增强型化学气相沉积)与分类。从酸蚀法、施加过渡层、表面微喷砂处理和掺杂4个方面分析如何提高膜基结合力,探讨了DLC膜的摩擦性能受湿度、温度和加工条件的影响。例举了几个国内外DLC涂层硬质合金刀具的使用范例,指出了目前研究工作的不足之处,提出了下一步研究工作的重点是优化DLC膜的制备工艺、提高膜基结合力和热稳定性以及加强DLC涂层硬质合金刀具的磨损机理研究。     

涂层技术与现代切削刀具的互动发展

近几年来,在经济全球化背景下,我国的制造业获得了空前发展的机遇,而现代切削刀具成了提升制造业技术水平的关键因素之一,不断提高的切削加工要求和被加工材料的能级以及减少切削加工对环境污染等有力地推动了用于现代切削刀具涂层技术的发展.膜系材料多元合金化,涂层工艺组合的多样化中出现的TiAlN、TiAlCN、CrSiN等多元复合涂层和多层涂使刀具获得了高耐磨、低摩擦、热稳定性好和抗氧化能力强等良好的综合性能,大大提升了现代切削刀具的性能;纳米组分和纳米薄膜涂层的显微结构使得难加工材料的切削得到了新的解决办法;金刚石涂层和类金刚石涂层(DLC)在加工石墨零件和纤维增强等非金属材料和有色合金材料方面取得了良好的效果.为适应涂层工艺的发展,涂层的工艺装备亦实现了集成化、模块化和智能化.使涂层技术日趋个性化.涂层技术的发展也使现代切削刀具发展为一项高技术含量的产品,充分体现了两者发展的互动性.     

多弧离子镀TiAlSiN梯度涂层制备及切削性能

针对含Si超硬涂层与基体结合强度不足,切削过程中涂层易发生剥落从而导致涂层刀具切削性能低的问题,采用离子源增强的多弧离子镀技术在硬质合金刀具上制备了不同含Si层梯度结构的TiAlSiN梯度涂层。利用XRD、SEM、OM以及切削试验探讨不同含Si层梯度结构对涂层物相、表面形貌、膜基结合强度、摩擦磨损以及切削性能的影响。结果显示：不同含Si层梯度结构的TiAlSiN涂层主要由固溶的（Ti,Al） N和（Al,Ti） N相组成。其中,低Si直接过渡的TiAlSiN涂层（S3）呈现出较高的硬度、良好的膜基结合力、较低的涂层残余应力和摩擦因数。铣削结果显示,涂层刀具的切削磨损机理主要表现为粘着磨损。当切削速度为80 m/min时,低Si过渡涂层（S3涂层）表现出更高的切削长度（925 m）,显著高于S1涂层的525 m;当切削速度由80 m/min增加至110 m/min时,S3涂层切削长度增加到1650 m。对含Si刀具涂层进行梯度设计,可有效提高涂层的膜-基结合强度和涂层刀具的切削性能。     

影响CVD金刚石涂层工具界面结合强度的因素及改进措施

化学气相沉积法制备金刚石涂层硬质合金工具综合了金刚石与硬质合金的优异性能,广泛应用于切削难加工材料。金刚石与硬质合金基体界面结合强度是评价金刚石涂层的一个重要性能指标。本文主要介绍了影响CVD金刚石涂层工具界面结合强度的主要因素,并对如何提高其界面结合强度的方法进行了较深入的探讨,同时科学论述了金刚石涂层结构的优化设计理念,以解决金刚石涂层附着强度低、表面粗糙度高等关键技术,这对如何提高硬质合金基体与金刚石涂层之间的界面结合强度具有一定的实际指导意义。     

石墨烯涂层刀具车削6061铝合金有限元仿真

针对高效干切削和微量润滑加工中润滑能力不足的难题,通过引入石墨烯涂层自组装及界面优化,降低刀具表面自由能,提高刀具的耐磨性和寿命。采用DEFORM软件模拟不同切削速度下石墨烯涂层和非涂层硬质合金刀具切削加工6061铝合金,提取分析试验的切削力和切削热等数据后表明:在一定的切削条件下,石墨烯涂层能有效提高刀具的润滑性能,起到降低切削力和摩擦因数的作用。     

Effect of ultrafine gradient cemented carbides substrate on the performance of coating tools for titanium alloy high speed cutting

Gradient cemented carbides usually used as substrate for coating tools, and the substrate has different gradient layer thickness and grain size, which would affect the cutting performance of the coating tools. In this study, different contents of Co and cubic carbonitride were added, the ultrafine gradient cemented carbides with different gradient layer thickness and grain size were prepared by one-step sintering, and then the CAT films (films containing Cr, Al and Ti, basically.) were deposited on alloy surface by Arc Ion Plating (AIP) in Ar gas atmosphere for titanium alloy high-speed cutting. The influence of Co and cubic carbonitride content on the microstructure of alloy and the cutting performance of coated tools was studied. The results show that the gradient layer thickness could be controlled by changing the Co and cubic carbonitride contents, and then affected the cutting performance. The coating tools enhanced cutting performance obviously by reducing the flank wear in the high-speed Ti-alloy cutting. A thinner gradient layer can be formed in alloys that with a lower Co addition, thus leading to tools chipping during high-speed cutting Ti-alloy. The wear resistance and the cutting performance of the tools could be improved by adding cubic carbonitride. The Co10Ti3-CAT coated tool has the best cutting performance. And the wear resistance of Co8Ti4-CAT coated tool can be increased by 50% compared to substrate.     

金刚石涂层刀具加工石墨的切削性能

为充分对比不同类型金刚石涂层刀具的切削性能,定制几种不同类型金刚石涂层刀具进行等静压石墨切削加工,并与WC硬质合金刀具和TiAlN涂层刀具的切削情况对比,分析不同类型金刚石涂层刀具的涂层形貌、切削寿命、加工后的表面质量以及切削力。结果表明:制备的金刚石涂层刀具的涂层形貌主要为纳米晶和微晶,其寿命是硬质合金和TiAlN涂层刀具的10倍以上,且几种不同类型的金刚石涂层刀具寿命差异较小;金刚石涂层表面的晶粒细化可以降低加工表面的粗糙度和切削力,涂层脱落是金刚石刀具的主要磨损形式。