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國內外切削刀具涂層技術的發展之談
編輯:開思新材料(蘇州)有限公司官網  上傳時間:2021-01-23 瀏覽:1243 次
削刀具表面涂層技術是近幾十年應市場需求發展起來的材料表面改性技術。采用涂層技術可有效提高切削刀具使用壽命,使刀具獲得優良的綜合機械性能,從而大幅度提高機械加工效率。因此,涂層技術與材料、切削加工工藝一起并稱為切削刀具制造領域的三大關鍵技術。為滿足現代機械加工對高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各國制造業對涂層技術的發展及其在刀具制造中的應用日益重視。我國的刀具涂層技術經過多年發展,目前正處于關鍵時期,即原有技術已不能滿足切削加工日益提高的要求,國內各大工具廠的涂層設備也到了必須更新換代的時期。因此,充分了解國內外刀具涂層技術的現狀及發展趨勢,瞄準國際涂層技術先進水平,有計劃、按步驟地發展刀具涂層技術(尤其是PVD技術),對于提高我國切削刀具制造水平具有重要意義。
  2.國外刀具涂層技術的現狀及發展趨勢
  刀具涂層技術通??煞譃榛瘜W氣相沉積(CVD)技術和物理氣相沉積(PVD)技術兩大類,分別評述如下。
  2.1國外CVD技術的發展
  二十世紀六十年代以來,CVD技術被廣泛應用于硬質合金可轉位刀具的表面處理。由于CVD工藝氣相沉積所需金屬源的制備相對容易,可實現TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復合涂層的沉積,涂層與基體結合強度較高,薄膜厚度可達7~9μm,因此到八十年代中后期,美國已有85%的硬質合金工具采用了表面涂層處理,其中CVD涂層占到99%;到九十年代中期,CVD涂層硬質合金刀片在涂層硬質合金刀具中仍占80%以上。
  盡管CVD涂層具有很好的耐磨性,但CVD工藝亦有其先天缺陷:一是工藝處理溫度高,易造成刀具材料抗彎強度下降;二是薄膜內部呈拉應力狀態,易導致刀具使用時產生微裂紋;三是CVD工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環境污染,與目前大力提倡的綠色制造觀念相抵觸,因此自九十年代中期以來,高溫CVD技術的發展和應用受到一定制約。
  八十年代末,Krupp.Widia開發的低溫化學氣相沉積(PCVD)技術達到了實用水平,其工藝處理溫度已降至450~650℃,有效抑制了η相的產生,可用于螺紋刀具、銑刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂層,但迄今為止,PCVD工藝在刀具涂層領域的應用并不廣泛。九十年代中期,中溫化學氣相沉積(MT-CVD)新技術的出現使CVD技術發生了革命性變革。MT-CVD技術是以含C/N的有機物乙腈(CH3CN)作為主要反應氣體、與TiCL4、H2、N2在700~900℃下產生分解、化學反應生成TiCN的新工藝。采用MT-CVD技術可獲得致密纖維狀結晶形態的涂層,涂層厚度可達8~10μm。這種涂層結構具有極高的耐磨性、抗熱震性及韌性,并可通過高溫化學氣相沉積(HT-CVD)工藝在刀片表面沉積Al2O3、TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料。
  MT-CVD涂層刀片適于在高速、高溫、大負荷、干式切削條件下使用,其壽命可比普通涂層刀片提高一倍左右。目前,CVD(包括MT-CVD)技術主要用于硬質合金車削類刀具的表面涂層,涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用CVD技術還可實現α-Al2O3涂層,這是PVD技術目前難以實現的,因此在干式切削加工中,CVD涂層技術仍占有極為重要的地位。
  2.2國外PVD技術的發展
  PVD技術出現于二十世紀七十年代末,由于其工藝處理溫度可控制在500℃以下,因此可作為最終處理工藝用于高速鋼類刀具的涂層。由于采用PVD工藝可大幅度提高高速鋼刀具的切削性能,所以該技術自八十年代以來得到了迅速推廣,至八十年代末,工業發達國家高速鋼復雜刀具的PVD涂層比例已超過60%。
  PVD技術在高速鋼刀具領域的成功應用引起了世界各國制造業的高度重視,人們在競相開發高性能、高可靠性涂層設備的同時,也對其應用領域的擴展尤其是在硬質合金、陶瓷類刀具中的應用進行了更加深入的研究。研究結果表明:與CVD工藝相比,PVD工藝處理溫度低,在600℃以下時對刀具材料的抗彎強度無影響(試驗結果見表1);薄膜內部應力狀態為壓應力,更適于對硬質合金精密復雜刀具的涂層VD工藝對環境無不利影響,符合現代綠色制造的發展方向。隨著高速切削加工時代的到來,高速鋼刀具應用比例逐漸下降、硬質合金刀具和陶瓷刀具應用比例上升已成必然趨勢,因此,工業發達國家自九十年代初就開始致力于硬質合金刀具PVD涂層技術的研究,至九十年代中期取得了突破性進展,PVD涂層技術已普遍應用于硬質合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。
  表1不同溫度下PVD涂層對硬質合金材料抗彎強度的影響
  硬質合金牌號-平均抗彎強度(MPa)-未涂層-涂層(300℃)-涂層(600℃)-涂層(700℃)
  M20-2109-2266-2129-2059
  M30-2285-2469-2370-1894
  目前PVD技術不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結合強度,涂層成分也由第一代的TiN發展為TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多元復合涂層。ZX涂層(即TiN-AlN涂層)等納米級涂層的出現使PVD涂層刀具的性能有了新突破。這種新涂層與基體結合強度高,涂層膜硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剝離性強,而且可顯著改善刀具表面粗糙度,有效控制精密刀具的刃口形狀及精度,其精密加工質量與未涂層刀具相比毫不遜色。
  經過幾十年的研究和開發,各種刀具涂層工藝已廣泛應用于硬質合金和高速鋼切削刀具。涂層工藝的主要發展階段及應用領域見表2。
  表2主要涂層工藝發展時段及應用領域
  時間-涂層成分-涂層方法-主要應用領域
  1968年-TiC、TiN-CVD-硬質合金刀具、模具涂層
  1973年-TiCN、TiC+Al2O3-CVD-硬質合金刀具、模具涂層
  1979年-TiN-PVD-高速鋼刀具涂層
  1981年-TiC+Al2O3+TiN、Al-O-N-CVD-硬質合金刀具涂層
  1982年-TiCN-MT-CVD-硬質合金刀具涂層
  1984年-TiCN-PVD-硬質合金、高速鋼銑刀、鉆頭類刀具涂層
  1986年-Diamond、CBN-CVD、PVD-硬質合金刀具涂層
  1989年-TiAlN-PVD-硬質合金銑刀類涂層(用于鋼、鑄鐵加工)
  1990年-TiN、TiCN、TiC-PCVD-模具、螺紋刀具、銑刀等
  1991年-TiAlN+CrC-PVD-車、銑削鈦合金
  1993年-TiN+TiCN(CVD)+TiN(PVD)-CVD+PVD-硬質合金銑削類刀具
  1993年-CrN-PVD-鈦合金、銅合金加工
  1994年-MoS2-PVD-高速鋼復雜刀具涂層
  1995年-TiN-AlN-PVD-硬質合金銑刀片涂層
  1996年-厚膜纖維狀TiCN-MT-CVD-硬質合金車削類刀具涂層(用于粗、半精加工)
  1996年-CNx-CVD、PVD-高速鋼刀具涂層
  2000年-TiAlCN-PVD-硬質合金刀片涂層
  當前世界涂層技術的發展具有以下趨勢:由于單一涂層材料難以滿足提高刀具綜合機械性能的要求,因此涂層成分將趨于多元化、復合化;為滿足不同的切削加工要求,涂層成分將更為復雜、更具針對性;在復合涂層中,各單一成分涂層的厚度將越來越薄,并逐步趨于納米化;涂層工藝溫度將越來越低,刀具涂層工藝將向更合理的方向發展,預計PVD、MT-CVD工藝將成為主流技術。
  3我國刀具涂層技術的現狀與發展趨勢
  3.1我國CVD技術的發展
  我國從二十世紀七十年代初開始研究CVD涂層技術,由于該項技術專用性較強,國內從事研究的單位并不多。八十年代中期,我國CVD刀具涂層技術的開發達到實用化水平,工藝技術水平與當時的國際水平相當,但在隨后的十多年里發展較為緩慢(與國外研究狀況類似);九十年代末期,我國開始MT-CVD技術的研發工作,MT-CVD工藝及裝備的研究開發預計可在2001年內基本完成,根據研究目標,工藝技術及設備將達到當前國際先進水平;我國PCVD技術的研究始于九十年代初,PCVD工藝技術主要用于模具涂層,目前在切削刀具領域的應用還十分有限??傮w而言,國內CVD技術的總體發展水平與國際水平差距不大,待MT-CVD技術開發成功,我國在刀具CVD涂層領域的整體水平將可與國際先進水平基本保持同步。
  3.2我國PVD技術的發展
  我國PVD涂層技術的研發工作始于八十年代初期,至八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機,并開發了高速鋼刀具TiN涂層工藝技術。在此期間,由于對切削刀具涂層市場前景看好,國內共有七家大型工具廠從國外引進了大型PVD涂層設備(均以高速鋼TiN涂層工藝為主)。技術及設備的引進調動了國內PVD技術的開發熱潮,許多科研單位和各大真空設備廠紛紛展開了大型離子鍍膜機的研制工作,并于九十年代初開發出多種PVD涂層設備。但由于多數設備性能指標不高,無法保證刀具涂層質量,同時預期的市場效益未能實現,因此大多數企業未對PVD刀具涂層技術作進一步深入研究,導致近十年國內PVD刀具涂層技術的發展徘徊不前。盡管九十年代末國內成功開發出硬質合金TiN-TiCN-TiN多元復合涂層工藝技術并達到實用水平,CNx涂層技術的研發也有重大突破,但與國際發展水平相比,我國的刀具PVD涂層技術仍落后十年左右。目前國外刀具PVD涂層技術已發展到第四代,而國內尚處于第二代水平,且仍以單層TiN涂層為主。
  4我國刀具PVD涂層技術發展的問題與對策
  4.1問題分析
  與國外相比,我國刀具PVD涂層技術的研究和開發起步并不太晚,而且在發展初期大量引進了當時國際上最先進的各類涂層設備,八十年代后期國產涂層設備也得到了迅速發展,但該項技術真正廣泛應用于高速鋼刀具卻是在九十年代中期。到目前為止,雖然國內對硬質合金刀具TiCN涂層的研究已取得突破,但國內市場的涂層產品仍以TiN涂層為主。分析其原因,可歸納為以下幾點:
  (1)前期集中引進對國內PVD技術后續發展的影響
  八十年代中期國外PVD技術及裝備的集中引進雖然使我國發展該項技術有了一個高起點,同時也解決了高速鋼刀具的涂層問題,但由于引進設備的廠家都是國內的刀具生產骨干企業(其刀具產品的國內市場占有率很高),這些先進涂層設備的引進在相當長一段時間內已可滿足這些企業的生產要求,因此對國產PVD技術和設備的需求不太強烈,這在一定程度上影響了國產PVD設備在刀具制造領域的應用與發展;另一方面,八十年代中期PVD技術還處于發展初期,隨著該項技術的不斷發展,進入九十年代后新技術層出不窮,這些企業早期引進的技術亟待更新,但昂貴的價格使企業很難再次引進新技術和新設備,國內也因此錯失了發展提高PVD技術的最佳時期。
  (2)對新工藝的研發重視不夠
  盡管八十年代國內引進了當時最先進的PVD技術,但當時PVD技術尚處于發展初期,國內對其后續發展空間及發展速度無法充分估計;此外,物理涂層技術是集電子物理、材料、真空控制技術于一體的新型技術,在研究、生產、應用等方面對人員配置有較高要求,而大部分引進PVD技術的企業偏重生產,對開發人員及資金配置不足,難以推動工藝技術的進一步自主開發,新工藝、新技術仍需再引進,而再引進的費用十分昂貴(如Balzers公司的設備從TiN涂層工藝升級為TiCN涂層工藝,僅硬件改造費即需30萬美元),因此影響了國內涂層技術新工藝和裝備的研發。
  (3)國產設備開發缺乏統一性、合理性及協作性
  八十年代后期,國內一些真空設備制造廠及科研單位對PVD刀具涂層市場過于樂觀,紛紛加大各類PVD涂層設備的開發力度,但由于缺乏對切削工藝及刀具涂層工藝的深入了解,與工具廠合作不夠,因此開發的涂層設備大多無法滿足刀具涂層工藝的要求,尤其是精密高速鋼刀具涂層技術尚達不到批量生產水平。由于此類設備大多只能用于麻花鉆的涂層,而麻花鉆涂層費用極低,相應涂層設備的利潤也很低,因此到九十年代以后,大部分真空設備制造廠已把發展方向轉向其它行業(如裝飾涂層等)。
  (4)售后服務欠缺制約了國產涂層設備的推廣應用
  迄今為止,國內大部分涂層設備生產廠還不能提供完整的刀具涂層工藝技術(包括前處理工藝、涂層工藝、涂后處理工藝、檢測技術、涂層刀具應用技術等),這種技術不完整性給用戶的生產帶來許多技術問題;此外,由于設備生產廠不能提供長期技術服務,導致國產涂層設備難以保證長時期穩定、正常使用,從而極大限制了PVD涂層設備的推廣應用。
  (5)涂層質量不穩定制約了涂層技術的推廣應用
  引進設備的高昂成本導致涂層價格居高不下,涂層費用甚至可超過刀具價格的50%;由于引進渠道不一,設備選擇依據不同,導致設備工藝水平相差較大,影響了涂層刀具的使用效果;由于國產涂層刀具質量不穩定,涂層刀具檢驗標準不完備,因此在應用領域內造成了涂層價格高、涂層質量不穩定且涂層后刀具性能改善不明顯的不良印象,嚴重影響了刀具涂層技術的推廣應用和快速發展。
  (6)國內機械加工水平不高制約了涂層技術的快速發展
  在二十世紀八十年代,我國數控機床的應用還十分有限,機械加工仍處于較低水平,高速鋼刀具的應用占全部刀具的80%以上,硬質合金刀具仍以焊接刀具為主,可轉位刀片以車削類刀具為主(一般多采用CVD涂層),整體硬質合金立銑刀、鉆頭、鉸刀等應用較少,因此對PVD硬質合金刀具涂層的要求并不十分迫切,這在一定程度上也影響了涂層技術的進一步發展。
  4.2對策建議
  隨著我國汽車、航空、航天、重機等工業的發展以及數控機床的迅速普及,我國機械加工技術正朝著高速加工、綠色制造的方向發展,高速滾齒、高速銑削以及干式切削工藝的應用對刀具涂層技術提出了更高要求。以齒輪高速滾削加工為例,先進的工藝需要采用滾刀MoS2軟涂層技術,與TiN涂層相比,使用壽命可提高一倍以上。在高速銑削加工中,硬質合金銑削類刀具多選用TiAlN、TiAlCN或TiNAlN涂層,單一的TiN涂層已不適合此類加工。市場的需求迫使國內必須加速PVD新技術的研究和開發。
  筆者認為,要使我國新型PVD涂層技術得到快速而有序的發展,應努力做好以下幾方面工作:
  (1)加強項目的規劃與管理
  工具行業管理部門應加強PVD涂層項目的規劃與管理工作,明確我國新型PVD涂層技術的短、中、長期發展目標,確立有計劃、不間斷發展的方針,并通過“官、產、學、研、商”的有機結合,使項目既有政策支持又有資金保障。我國在這方面也有過成功經驗:在八十年代中期,為了在引進基礎上立足于自行開發,提高工具行業涂層技術的整體水平,原機械工業部機床工具司組織了全行業力量對引進設備進行技術攻關,開發出的熱陰極弧磁控等離子鍍膜機已在工具行業成功地推廣應用,并因此帶動了國內TiN涂層刀具的普及應用。
  (2)建立統一的研究、開發、服務體系
  建立統一的研究、開發、服務體系,根據涂層技術的發展趨勢和國內外市場需求,有系統地引進國際先進技術,加強對引進技術的消化吸收及協作研究工作,逐步增強自我開發能力,形成專利技術,最終實現滿足國內市場需求和參與國際市場競爭的目的。
  (3)建立刀具涂層技術的行業標準
  建立涂層設備、涂層刀具的行業檢驗標準,嚴格控制涂層刀具質量,確保涂層技術的大面積推廣應用。


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