刀具塗層技術的現狀及其發展趨勢

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刀具塗層技術的現狀及其發展趨勢簡介
         摘要:刀具表面塗層技術是應市場需求發展起來的一種優質表面改性……
刀具塗層技術的現狀及其發展趨勢正文
    

    摘要:刀具表面塗層技術是應市場需求發展起來的一種優質表面改性技術,由於該項技術可使切削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及刀具使用壽命,因此該項技術已成為滿足現代機械加工高效率、高精度、高可靠性要求的關鍵技術之一。本文著重介紹了國外刀具塗層技術現狀及發展趨勢;並從全國工具行業歸口研究所的角度,闡述目前國內刀具塗層技術現狀及其應用狀況;從工藝、裝備、技術開發、推廣應用、售後服務等方面分析我國刀具塗層技術與工業發達國家的差距;文中建議我國工具行業應針對國內刀具塗層技術現狀,建立統一的研究、開發、服務體系,系統地引進國際先進技術,通過消化吸收逐步達到自我開發的能力,最終實現參與國際市場競爭的目的。

    關鍵詞:刀具 塗層技術 現狀 差距

1 引言

    眾所周知,刀具表面塗層技術是應市場需求而發展起來的一項優質表面改性技術,由於該項技術可使切削刀具獲得優良的綜合機械性能,不僅可有效地提高刀具使用壽命,而且還能大幅度地提高機械加工效率,因此該項技術已與材料、加工工藝並稱為切削刀具製造的三大關鍵技術。為滿足現代機械加工高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各國都十分注重塗層技術的發展。目前我國刀具塗層技術的發展正處在一個十分關鍵的時刻,尤其是PVD塗層技術,一方面原有的技術已不能滿足切削加工日益變化的要求;另一方面國內各大工具廠塗層設備已到了必須更新換代的時期,因此有計劃、按步驟的發展PVD技術,不僅能促進我國切削刀具產品技術水平的提高,而且還可獲得巨大的經濟效益和社會效益。

2 國際刀具塗層技術的現狀及發展趨勢

    刀具塗層技術目前仍可劃分為兩大類,即CVD(化學氣相沉積)和PVD技術(物理氣相沉積)。    2.1 國際CVD技術的發展
    CVD技術自上世紀六十年代出現以來,在硬質合金可轉位刀具上得到了極為廣泛的應用。在CVD工藝中,氣相沉積所需金屬源的製備相對容易,可實現TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層複合塗層,其塗層與基體結合強度高,薄膜厚度可達7~9μm,相對而言,CVD塗層具有更好的耐磨性。八十年代中後期,美國85%的硬質合金工具採用了塗層處理,其中CVD塗層佔到了99%;九十年代中期,CVD塗層硬質合金刀片在塗層硬質合金刀具中仍佔到了80%以上。但CVD工藝也有其先天性的缺陷,一是工藝處理溫度高,易造成刀具材料抗彎強度的下降;二是薄膜內部為拉應力狀態,使用中易導致微裂紋的產生;三是CVD工藝所排放的廢氣、廢液會造成工業污染,對環境影響較大,與目前所提倡的綠色工業相抵觸,因此九十年代中期后高溫CVD技術的發展受到了一定的制約。
    八十年代末Krupp Widia開發的PCVD(低溫化學氣相沉積)技術達到了實用水平,其工藝處理溫度已降至450℃~650℃,有效地抑制了η相的產生,可進行TiN、TiCN、TiC等塗層,用於螺紋刀具、銑刀、模具等,但到目前為止PCVD工藝在刀具塗層領域內的應用並不十分廣泛。
    真正引起CVD技術發生突變的是九十年代中期新型MT-CVD(中溫化學氣相沉積)技術的出現。新型MT-CVD是以含C/N的有機物乙腈(CH3CN)為主要反應氣體和TiCL4、H2、N2在700~900℃下產生分解、化學反應,生成TiCN的一種新方法,可獲得緻密纖維狀結晶形態的塗層,塗層厚度可達8~10μm。這種塗層結構具有極高的耐磨損性、抗熱震性及韌性,並可通過HT-CVD(高溫化學氣相沉積)工藝技術在表層沉積上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塗層刀片適合於高速、高溫、大負荷、乾式切削條件下使用,其壽命可比普通塗層刀片提高1倍左右。
    從目前的發展來看,CVD工藝(包括MT-CVD)主要用於硬質合金車削類刀具的表面塗層,其塗層刀具適合於中型、重型切削的高速粗加工及半精加工,尤其是α-Al2O3塗層是目前PVD技術所難以實現的,因此在乾式切削加工中,CVD塗層技術仍佔有極其重要的地位。

 新型MT-CVD塗層剖面圖

    2.2 世界PVD技術的發展
    PVD技術出現於上世紀七十年代末期,由於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於高速鋼類刀具的塗層。PVD工藝可大幅度提高高速鋼刀具的切削性能,所以該項技術在八十年代得到迅速推廣應用。八十年代末工業發達國家複雜高速鋼刀具PVD塗層比例已超過了60%。
    PVD技術在高速鋼刀具領域的成功應用,引起了世界各國的高度重視,人們在競相開發高性能、高可靠性塗層設備的同時,也對其應用領域的擴大進行了更加深入的研究,尤其是在硬質合金、陶瓷類刀具領域中的應用。

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