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数控刀具涂层发展迅速,新涂层层出不穷 涂层的应用

刀具涂层分类

       众所周知,传统刀具涂层技术主要可分为两大类,但由于市场需求的变化及涂层技术本身的特性,物理涂层技术的发展受到了更大的关注。PVD技术在得到飞跃性发展的同时,其应用市场也得到了广泛的拓展。与最初发展相比,不仅涂层成分种类繁多,近几年来在涂层结构上更是有了突破性的发展,并已为市场所接受。随着PVD技术在市场中愈来愈广泛的应用,认识了解各类涂层的特性及适用领域愈加显得重要。因此本文拟对当前PVD涂层进行分类,并分析各类薄膜所适用领域,目的是让使用者对各类涂层有一个较系统的了解,更加合理地使用涂层刀具。  从PVD技术的发展和应用角度,笔者认为PVD涂层可按2种方法进行分类。  
1. 按涂层成分分类  
按涂层成分对涂层进行分类简洁、明了,基于对材料性能的认识,使用者容易了解涂层的功能,易为市场所接受,因此目前各涂层企业更多的是以不同的涂层成分向用户介绍、推荐其技术及产品。按成分对涂层区分通常可分为两大类,即硬涂层和软涂层。硬涂层以TiN、TiCN、TiAlN等为代表,包括了单层薄膜和复合薄膜,随着市场需求的变化及涂层技术的发展,新的涂层成分不断被开发出来,到目前为止所应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,通常为1000HV左右。软涂层目前种类并不多,以MoS2、碳基薄膜为主,在切削加工领域内,其目的是通过在硬涂层表面覆盖一层这种薄膜,试图增加涂层表面的润滑性,改善被加工工件表面质量,以满足某些应用领域的需要。  
2. 按涂层结构分类  
尽管按成分进行涂层分类具有良好的市场基础,但从PVD技术的发展来看,涂层的内部结构的变化已越来越多地影响着涂层刀具的应用效果。相同的涂层成分、不同的结构形式,可以导致涂层刀具使用效果的截然不同。因此认识了解目前PVD涂层薄膜的结构形式,对于该项技术的实际应用有着十分重要的意义。就目前PVD技术的发展状况,涂层薄膜结构大体可分类如下:  
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生长方向上涂层成分是恒定的,这种结构的涂层可称之为普通涂层。如果联系到PVD的发展历程,实际上在过去相当长的时期内一直采用这种技术,其中包含众所周知TiN、TiCN、TiAlN 等。随着应用市场要求的不断提高,人们也愈加认识到这种涂层的局限性,无论是显微硬度、高温性能、薄膜韧性等都难于大幅度提高,但这种涂层在市场中仍占有一定比例。  
b. 复合涂层 
c. 由多种不同功能(特性)薄膜组成的结构可以称之为复合涂层结构膜,其典型涂层为目前的硬涂层+ 软涂层,每层薄膜各具不同的特征,从而使涂层更具良好的综合性能。  
d. 梯度涂层
 涂层成分沿薄膜纵向生长方向逐步发生变化,这种变化可以是化合物各元素比例的变化,如TiAl-CN中Ti、Al含量的变化,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。可以预见这种结构能有效降低因成分突变而造成的内部微观应力的增加。
e. 多层涂层  
多层涂层由多种性能各异的薄膜叠加而成,每层膜化学组分基本恒定。目前在实际应用中多由2种不同薄膜组成,由于所采用的工艺存在差异,不同企业的多层涂层刀具,其各膜层的尺寸也不近相同,通常由十几层薄膜组成,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。与单层涂层相比,多层涂层可有效地改善涂层组织状况,抑制粗大晶粒组织的生长。  
f. 纳米多层涂层  
这种结构的涂层与多层涂层类似,只是各层薄膜的尺寸为纳米数量级,又可称为超显微结构。理论研究证实在纳米调制周期内(几纳米至几十纳米),与传统的单层膜或普通多层膜相比,此类薄膜具有超硬度、超模量效应,其显微硬度超过40GPa 是可以预期的,并且在相当高的温度下,薄膜仍可保留非常高的硬度。因此这类膜具有良好的市场应用前景,其典型代表为AlN+TiN、AlN+TiN+CrN涂层等。
g. 纳米复合结构涂层  
纳米复合结构涂层。以(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)纳米复合相结构薄膜为例,在强等离子体作用下,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,而非晶态相又可阻止晶体位错的迁移,即使在较高的应力下,位错也不能穿越非晶态晶界。这种结构薄膜的硬度可以达到50GPa 以上,并可保持相当优异的韧性,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异的表面质量,因此工业应用前景广阔。 
 



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