硬质合金刀具涂层技术的研究进展

Ξ 　　文章编号 :100622777 (2004) 0220010205 硬质合金刀具涂层技术的研究进展 傅小明 ,吴晓东 (江苏大学材料科学与工程学院 ,江苏 镇江 　212013) 　　摘 　　　要 : 　随着涂层技术的进步 ,使得硬质合金刀具涂层方法在不断地进步 ,日趋复杂化和多样化 ;硬 质合金刀具涂层种类也在不断地更新 ,从单一的化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展 ,涂层层数也从几层到 十几层发展。本文简要地综述了目前国内外涂层硬质合金刀具的特点 ,高温化学气相沉积涂层 ( HTCVD 或简称 CVD) 、物理气相沉积涂层 (PVD) 、等离子化学气相沉积涂层 (PCVD) 、中温化学气相沉积涂层 (MTCVD)和离子辅助物 理气相沉积涂层 ( IBVD)这 5 种硬质合金刀具涂层方法的机理、特点和缺点 ,以及单渗层涂层硬质合金、多渗层涂层 硬质合金和新渗层涂层硬质合金这 3 种硬质合金刀具涂层的特点和应用。 　　关 　键 　词 : 　化学气相沉积 ;物理气相沉积 ;涂层 ;硬质合金 ;刀具 中图分类号 : 　TG1741444 　　　文献标识码 : 　A Research on Coating Techniques of Cemented Carbide Tools FU Xiao2ming ,WU Xiao2dong (School of Materials Science and Engineering of Jiangxu University ,Jiangsu Zhenjiang 212013 ,China) 　　Abstract : 　With the advancement of coating techniques ,coating methods of cemented carbide tools make progress continually ,the techniques become complicatedly and diversificatedly. The coating categories of cemented carbide tools renewal continually ,they develop from single compounds to complicated compounds ,coating layers develop from several layers to more layers. Mechanisms ,virtues and shortcomings of HTCVD(CVD) ,PVD ,PCVD ,MTCVD and IBVD are introduced. Traits and appliances of single coating layer ,several coating layers and new coating layers are introduced in the article. 　　Key Words : 　CVD ;PVD ;coat ;cemented carbide ;tool 　　随着现代机械加工业朝着高精度、高速切削、硬 加工代研磨、干加工 (无冷却液) 保护环境以及降低 成本等方向发展 ,对刀具性能提出了相当高的要求。 开发各种耐磨性能优越 ,能长时间进行稳定加工的 切削材料是必然的发展趋势[1 ] 。 在切削加工中 ,刀具性能对切削加工的效率、精 度、表面质量有着决定的影响。刀具性能的两个关 键指标 ———硬度和强度 ,它们之间总存在着矛盾 ,硬 度高的材料强度低 ,而提高强度往往是以硬度的降 低为代价。为了进一步提高硬质合金刀具的耐磨 性 ,发展了硬质合金涂层。硬质合金的涂层作为一 个化学屏障和热屏障 ,减少了硬质合金刀具月牙的 磨损 ,涂层具有很高的摩擦系数 ,因而可以显著地提 高其使用寿命[2 ] 。 所谓硬质合金涂层是指在硬质合金表面上涂覆 一层硬度和耐磨性很高的物质。在刀具基体上涂覆 第24卷第2期 2 0 0 4 年 4 月 　　 　　　　　　　　　　 江　　西 　　冶 　　金 J IANGXI METALLURGY　　 　　　　　　　　　　 Vol . 2 4 , No . 2 April 　2 0 0 4 Ξ 收稿日期 :2004202216 基金项目 :江苏大学高级人才启动基金 (1683000044) 作者简介 :傅小明 (19742) ,男 ,四川广元人 ,硕士研究生 ,主要从事硬质合金工艺试验和新产品开发。 一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合 物薄膜 (如 TiC ,TiN ,Al2O3 等)组成的涂层刀具 ,能较 好的解决刀具存在的强度和硬度之间的矛盾 ,这是 切削刀具发展的一次革命[3 ,4 ] 。 本文对涂层硬质合金的特点 ,硬质合金涂层方 法的机理、优点和缺点 ,以及硬质合金涂层的种类特 点和应用进行了综述。 1 　硬质合金涂层的特点 涂层硬质合金具有以下特点 : (1)涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层 高硬度、高耐磨性的优点 ,提高了刀具的耐磨性而不 降低基体的韧性。因此 ,涂层硬质合金具有高硬度 和优良的耐磨性 ; (2)涂层薄膜对基体的韧性影响不大 ; (3)降低刀具与工件的摩擦系数 ; (4)涂层硬质合金的寿命长等[5 ,6 ] 。 2 　硬质合金涂层方法 硬质合金的涂层方法有高温化学气相沉积涂层 (CVD) 、物理气相沉积涂层 ( PVD) 、等离子化学气相 沉积涂层 ( IBVD) 、中温化学气相沉积涂层 (MTCH) 和离子辅助物理气相沉积涂层 ( IBVD) 等 ,最常用的 方法是高温化学气相沉积涂层和物理气相沉积涂 层 ,并且不同的涂层方法有不同的涂层机理、优点和 缺点。 211 　高温化学气相沉积涂层 高温化学气相沉积涂层自 20 世纪 60 年代出现 以来 ,在硬质合金刀具上得到了极为广泛的应用。 21111 　高温化学气相沉积涂层的机理 高温化学气相沉积涂层是指在一定温度条件 下 ,涂层材料的混合气体在硬质合金表面相互作用 , 使混合气体中的一些成分分解 ,并在硬质合金的表 面形成金属或化合物的涂层。此方法的关键 : (1)作为涂层材料的混合气体与硬质合金表面 的相互作用 ,即涂层材料的混合气体之间在硬质合 金表面上反应来产生沉积 ,或通过涂层材料的混合 气体的一个组分与硬质合金表面反应来产生沉积 ; (2)该沉积反应必须在一定的能量激活条件下 进行[7 ,8 ] 。 21112 　高温化学气相沉积涂层的优点 高温化学气相沉积涂层具有以下优点 : (1)高温化学气相沉积所需要涂层源的制备相 对容易 ; (2) 可以实现 TiC , TiN , TiCN , TiB ,Al2O3 等单层 及多元层复合涂层 ; (3)涂层与基体之间的结合强度高 ; (4)涂层具有良好的耐磨性能[9 ,10 ] 。 21113 　高温化学气相沉积涂层的缺陷 虽然高温化学气相沉积涂层具有以上优点 ,但 是 ,它还存在先天性的缺陷。其缺陷 : (1)涂层温度为 900 ℃～1 100 ℃,即涂层温度 高 ,使涂层与基体之间容易产生一层脆性的脱碳层 (η相) ,导致刀具脆性破裂 ,抗弯强度的下降 ; (2)涂层内部为拉应力状态 ,使用时容易导致微 裂纹的产生 ; (3)在涂层过程中排放的废气、废液会造成工业 污染 ,对环境的影响较大 ,与目前提倡的绿色工业相 抵触 ,因此 ,在 90 年代中后期这种方法的发展受到 了一定的制约[4 ,11～14 ] 。 212 　物理气相沉积涂层 物理气相沉积涂层出现于 20 世纪 70 年代末 期 ,其技术在高速钢刀具领域的成功应用 ,引起了世 界各国的高度重视 ,人们在竞相开发高性能、高可靠 性涂层设备的同时 ,也对其应用领域的扩大进行了 更加深入的研究 ,尤其是在硬质合金、陶瓷类刀具领 域的应用[15 ] 。 21211 　物理气相沉积涂层的机理 物理气相沉积涂层是指真空条件下 ,用物理的 方法将涂层材料汽化为原子、分子或电离成离子 ,再 通过气相过程在硬质合金的表面沉积成涂层。此方 法的过程可以分为三步 :第一步是将涂层材料汽化 , 即使涂层材料蒸发、升华和分解等 ,成为涂层源 ;第 二步是涂层材料的原子、分子或离子迁移到硬质合 金表面的过程 ,在这一过程中 ,原子、分子或离子之 间可能发生碰撞 ,产生离化、复合、反应、能量的变化 和运行方向的改变等一系列复杂的过程 ;第三步是 涂层的原子、分子或离子在硬质合金表面的吸附、堆 集、形核和长大到最终形成涂层[7 ] 。 21212 　物理气相沉积涂层的优点 物理气相沉积涂层具有以下优点 : (1)与化学气相沉积层相比 ,物理气相沉积涂层 的温度低 ,一般在 600 ℃以下 ,对刀具材料的抗弯强 度几乎没有影响 ; (2)涂层内部为压应力状态 ,更适合于硬质合金 精密复杂类刀具的涂层 ; ·33·第 24 卷第 2 期 　　　　　　　　　　傅小明 ,等 :硬质合金刀具涂层技术的研究进展 (3)对环境不产生污染 ,符合目前绿色工业的发 展方向 ; (4)由于纳米级涂层的出现 ,使得物理气相沉积 涂层刀具质量有了新的突破 ,这种涂层不仅结合强 度高、硬度高和抗氧化性能好 ,还可以有效地控制精 密刀具刃口形状及精度[9 ,16 ] 。 21213 　物理气相沉积涂层的缺陷 虽然物理气相沉积涂层具有以上优点 ,但是还 存在如下一些缺陷 : (1)涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间 长和刀具的成本增加等 ; (2)用此法生产的刀具抗冲击性能、硬度和均匀 性比高温化学气相沉积涂层生产的刀具差 ,使用寿 命也比高温化学气相沉积涂层生产的刀具短 ; (3)涂层的刀具几何形状单一 ,限制其优越性的 发挥 ; (4)涂层与基体在冷却时由于收缩率不同而产 生内应力和微裂纹[17～19 ] 。 213 　等离子化学气相沉积涂层 由于高温化学气相沉积涂层和物理气相沉积涂 层都具有一定的缺陷 ,所以 ,近几年来 ,国外采用高 温化学气相沉积涂层和物理气相沉积涂层相结合的 技术 ,开发出了等离子化学气相沉积涂层[2 ] 。 21311 　等离子化学气相沉积涂层的机理 等离子化学气相沉积涂层是指通过电极放电产 生高能电子使气体电离成为等离子体 ,或者将高频 微波导入含碳化物气体产生高频高能等离子 ,由其 中的活性碳原子或含碳基团在硬质合金的表面沉积 涂层的一种方法[20 ] 。 21312 　等离子化学气相沉积涂层的优点 等离子化学气相沉积涂层的优点 : (1)它利用等离子体促进化学反应 ,可以把涂层 温度降至 600 ℃以下 ; (2)由于涂层温度低 ,在硬质合金基体与涂层材 料之间不会发生扩散、相变或交换反应 ,因而基体可 以保持原有的强韧性[21 ] 。 21313 　等离子化学气相沉积涂层的缺点 等离子化学气相沉积涂层的缺点 : (1)设备投资大 ,成本高 ,对气体的纯度要求高 ; (2)涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有 害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害 ; (3)对小孔孔径内表面难以涂层等[7 ] 。 214 　中温化学气相沉积涂层 21411 　中温化学气相沉积涂层的机理 中温化学气相沉积涂层的机理与化学气相沉积 涂层的机理相同 ,只是前者的涂层温度比后者的涂 层温度低一些 ,中温化学气相沉积涂层的涂层温度 一般为 700 ℃～900 ℃[18 ] 。 21412 　中温化学气相沉积涂层的优点 中温化学气相沉积涂层的优点 : (1)沉积速度快 ; (2)涂层厚 ; (3)对于形体复杂的工件涂层均匀 ; (4)涂层附着力高 ; (5)涂层内部残余应力小。 由于这些使得这种方法易于工业化。因此 ,它 是一种优于高温化学气相沉积涂层的涂层方法[3 ] 。 21413 　中温化学气相沉积涂层的缺点 中温化学气相沉积涂层的缺点 : (1)涂层层内部为拉应力状态 ,使用时容易导致 微裂纹的产生 ; (2)在涂层过程中排放的废气、废液会造成工业 污染 ,对环境的影响较大 ,与目前提倡的绿色工业相 抵触 ,因此 ,这种方法的发展受到了一定的制约[2 ,4 ] 。 215 　离子辅助物理气相沉积涂层 21511 　离子辅助物理气相沉积涂层的机理 离子辅助物理气相沉积涂层是指在冷相沉积涂 层的同时 ,用具有一定能量的离子束轰击不断沉积 的物质 ,使沉积原子与基体原子不断混合 ,界面处原 子相互渗透溶为一体 ,从而大大改善了涂层与基体 的结合强度[22 ] 。 21512 　离子辅助物理气相沉积涂层的优点 离子辅助物理气相沉积涂层具有气相沉积和离 子注入的优点。使沉积温度可以降低到 200 ℃～ 500 ℃,因而可以在较低温度下制备 C ,N ,B 化合物 , 可用于因结合力欠佳而难以涂层的硬质合金[22 ] 。 21513 　离子辅助物理气相沉积涂层的缺点 离子辅助物理气相沉积涂层的缺点与等离子化 学气相沉积涂层的缺点相同[7 ] 。 3 　涂层硬质合金的种类 311 　单渗层涂层硬质合金 常用的单渗层涂层硬质合金的材料有 TiC ,TiN , Al2O3 ,TiAlN ,TiCN 等 ,由于其特性不同 ,故适合的加 工条件也不同。 31111 　TiC涂层硬质合金 ·43· 江 　西 　冶 　金　　　　　　　　　　　　　　　　　2004 年 4 月 TiC颜色为灰色 ,表面硬度为 HV3000 ,开始氧化 温度为 400 ℃,密着强度一般。它表面硬度虽然高 , 但是附着力和耐热性比较低[23 ] 。 用 TiC 涂层的硬质合金最早出现是涂层刀具。 它涂层的厚度 5～7μm ,硬度达 HV2 300～3 250。用 TiC涂层硬质合金的主要特点 :涂层硬度高 ,且易于 扩散到基体内 ,因而涂层与基体结合强度高 ,抗粘、 耐用度较高和抗氧化性能好。这种涂层的硬质合金 刀具对钢的摩擦系数小 ,适用于加工钢材 ,切削时刀 具磨损小。但是 ,在涂层与基体之间会产生脱碳层 (脆性相) ,此脱碳层会随着涂层厚度的增大而增厚 , 导致刀片抗弯强度降低 ,脆性增加 ,切削时易崩 刀[1 ,23 ,24 ] 。 31112 　TiN 涂层硬质合金 TiN 颜色为金黄色 ,表面硬度为 HV2000 ,开始氧 化温度为 600 ℃,密着强度很好。它的热膨胀系数 与高速钢相近 ,与高速钢的附着力好[3 ,23 ] 。 用 TiN 涂层的硬质合金涂层厚度为 8～12μm , 其主要特点 :涂层硬度比 TiC低 ,与基体的结合强度 比 TiC 差。但是 ,TiN 涂层导热性好 ,与铁基体材料 的摩擦系数比 TiC涂层小 ,所以 ,抗月牙磨损性能较 好。此外 ,TiN 涂层与基体之间不易产生脆性相 ,因 此 ,涂层允许厚度比 TiC涂层大[7 ,19 ,25 ] 。 31113 　TiCN 涂层硬质合金 TiCN 颜色为紫红色 ,表面硬度为 HV2700 ,开始 氧化温度为 450 ℃,密着强度好。它具有 TiN 的密 着强度好和 TiC的耐磨性好的优点 ,硬度比 TiN 高 , 且摩擦系数小 ,对粘结性有一定的抑制作用[23 ,26 ] 。 用 TiCN 涂层硬质合金 ,可以降低涂层的内应 力 ,提高涂层的韧性 ,增加涂层的厚度 ,阻止裂纹的 扩散 ,减少刀具崩刃。将 TiCN 作为涂层刀具的主涂 层 ,兼有 TiC的良好韧性和 TiN 的良好硬度 ,可以显 著地提高刀具的使用寿命[20 ] 。 31114 　Al2O3 涂层硬质合金 氧化铝 (Al2O3 ) 的特点是在高温下具有良好的 热稳定性和化学性质 ,机械强度最高[27 ] 。 在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上 ,没有任何 材料能与氧化铝 (Al2O3 ) 相比 ,但是由于氧化铝 (Al2O3 ) 与硬质合金基体的物理、化学性能相差太 大 ,单一的氧化铝 (Al2O3 )涂层无法制成理想的涂层 硬质合金刀具。多层涂层及相关技术的出现 ,使得 涂层既可以提高与硬质合金基体的结合强度 ,同时 又能具有多种材料的综合性能 ,用它涂层的硬质合 金刀具适合于切削时产生大热量的场合[6 ,10 ,27 ] 。 31115 　TiAlN 涂层硬质合金 TiAlN 颜色为紫黑色 ,表面硬度为 HV2800 ,开始 氧化温度为 800 ℃,密着强度很好。它的附着力比 TiN 涂层大 ,耐热性能优越 ,开始氧化温度高 ,所以 适合于高速加工及高硬度钢加工[23 ] 。 用 TiAlN 涂层的硬质合金刀具的抗氧化性极 好 ,高温硬度好 ,涂层材料开始分解的温度比其它涂 层要高 ,这种特性可以使涂层硬质合金刀具避免受 高温的危害 ,从而保护切削刃。TiAlN 涂层硬质合金 刀具适合模具的精加工 ,在无切削液的情况下 ,它可 以高速切削淬火钢 ,而不受所产生的切削热影响。 TiAlN 涂层硬质合金刀具虽然有很高的热稳定性 ,在 传统的切削参数下工作 ,切削性能优于 TiN 涂层 ,但 是其寿命不比 TiN 涂层刀具长 ,只有在高速切削条 件下 ,才能使其使用寿命大幅度提高[9 ,18 ] 。 312 　多渗层涂层硬质合金 由于单一涂层材料无法满足对刀具综合机械性 能的要求 ,涂层成分向多元化发展已成为必然趋势。 其目的是为了综合利用各种涂层成分的优点 ,使其 获得更好的综合性能。为满足不同的切削加工的要 求 ,涂层成分会更为复杂、更具有针对性 ;每单层成 分也会越来越薄 ,并且逐步趋于纳米化 ;涂层温度会 愈来愈低 ;刀具涂层工艺则会向更合理的方向发展。 常用的多渗层涂层硬质合金为 TiC - TiN ,TiC - TiCN - TiN ,TiC - Al2O3 , TiC - Al2O3 - TiN 4 大类。前两 类适用于普通半精及精切削加工 ,后两类适用于高 速及重负荷切削[4 ,9 ] 。 31211 　TiC - TiN 涂层硬质合金 用 TiC - TiN 涂层硬质合金刀具基体表面第一 层为 TiC ,其厚度约为 1μm ,外层是 TiN。其主要特 点 :基体表面先涂一层 TiC ,目的是获得良好的结合 强度。接着是相互渗透的碳、氮化物复合涂层 ,最外 层为 TiN。这种复合涂层与单纯的 TiC涂层相比较 , 其优点是导热系数大 ,抗粘附磨损性能较高 ,并且涂 层与基体结合强度较高。即此复合涂层兼 TiN 涂层 和 TiC涂层的优点[4 ,7 ] 。 31212 　TiC - TiCN - TiN 涂层硬质合金 TiC - TiCN - TiN 涂层硬质合金的第一层为 TiC ,第二层为 TiCN ,第三层为 TiN。第一层的 TiC与 硬质合金基体结合紧密 ,使得涂层不易脱落 ;第二层 的 TiCN 为过渡层 ,它兼有 TiC 和 TiN 的特性 ,在第 ·53·第 24 卷第 2 期 　　　　　　　　　　傅小明 ,等 :硬质合金刀具涂层技术的研究进展 一层与第三层之间起到缓冲作用 ;第三层的 TiN 是 利用 TiN 的硬度提高硬质合金刀具的耐磨性 ,延长 刀具的使用寿命[14 ,28 ] 。 31213 　TiC - Al2O3 涂层硬质合金 由于 TiC 与硬质合金基体结合紧密 ,使得涂层 不易脱落 ,而 TiC 相与氧化铝 (Al2O3 ) 相的密排原子 面相接触 ,因此 ,氧化铝 (Al2O3 ) 与 TiC 的面间粘结 力被最大化 , 这样能获得致密而满意的氧化铝 (Al2O3 )涂层 ,并且这种涂层中的裂纹也很少 ,在切 削过程中与硬质合金基体剥离的倾向也很小 ,可用 于高速切削[15 ,16 ,29 ] 。 31214 　TiC - Al2O3 - TiN 涂层硬质合金 TiC - Al2O3 - TiN 涂层硬质合金刀具 ,在基体上 涂覆的 TiC涂层可以保证涂层与基体的牢固粘结 , 并使刀具在中、低速切削条件下具有高的抗机械磨 损性能 ;在其上涂覆 Al2O3 涂层 ,则可获得在高温下 良好的化学稳定性和绝热性 ,使刀具基体不会因温 度太高而产生塑性变形 ,因而在高速切削时有高的 耐用度 ;在 Al2O3 涂层上再涂覆一层 TiN ,则可使刀 具的摩擦系数小 ,切屑能顺利排除 ,可降低切削温度 和防止粘刀现象 ,减少刀具的月牙洼磨损 ,而且还可 以减少积屑瘤的产生[9 ,26 ] 。 313 　新渗层涂层硬质合金 目前国内外开发出了 CrC 和 CrN 涂层、Hf ( Zr , Ti ,Ta 等)的碳化物和硼化物涂层和 Hf ( Zr ,Ti ,Al ,Be 等)的氧化物涂层[3 ,4 ,22 ,30 ] 。 CrC 涂层的硬质合金刀具摩擦系数小 (0. 1～ 0. 15) ,抗氧化温度高。由于材料的亲和性 ,以上涂 层硬质合金刀具不适合加工钛和钛合金类材料 ,而 CrC和 CrN 涂层硬质合金是一种无钛涂层 ,可有限 的切削钛、钛合金和铝 ,以及其它软材料[2 ] 。 对于 Hf (Zr ,Ti ,Ta 等) 的碳化物和硼化物涂层 , Hf (Zr ,Ti ,Al ,Be 等) 的氧化物涂层的硬质合金刀具 的报道还很少。 4 　结论 (1)硬质合金涂层方法在不断地进步 ,日趋复杂 化和多样化 ,从最初的高温化学气相沉积涂层发展 为等离子化学气相沉积涂层、中温化学气相沉积涂 层和离子辅助物理气相沉积涂层等。 (2)硬质合金涂层种类也在不断地更新 ,从单一 的化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展 ,涂层 层数也从几层到十几层。 [ 参 考 文 献 ] [1 ] 　姚学祥 ,张桂香. 超硬材料刀具研究现状和趋势[J ] . 硬质合金 , 2001 ,18 (3) :182 - 186. 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