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    国内外切削刀具涂层技术的发展之谈

    发布时间:2019-07-26 15:57   

      中国机械工业联合会机经网发布时间:2013-04-15 09:57:46 来源:中国金属加工在线

      切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机械加工效率。因此,涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。我国的刀具涂层技术经过多年发展,目前正处于关键时期,即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求,国内各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。因此,充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势,瞄准国际涂层技术先进水平,有计划、按步骤地发展刀具涂层技术(尤其是PVD技术),对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

      刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术两大类,分别评述如下。

      二十世纪六十年代以来,CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。由于CVD工艺气相沉积所需金属源的制备相对容易,可实现TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等单层及多元多层复合涂层的沉积,涂层与基体结合强度较高,薄膜厚度可达7~9μm,因此到八十年代中后期,美国已有85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理,其中CVD涂层占到99%;到九十年代中期,CVD涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占80%以上。

      尽管CVD涂层具有很好的耐磨性,但CVD工艺亦有其先天缺陷:一是工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度下降;二是薄膜内部呈拉应力状态,易导致刀具使用时产生微裂纹;三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染,与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触,因此自九十年代中期以来,高温CVD技术的发展和应用受到一定制约。

      八十年代末,Krupp.Widia开发的低温化学气相沉积(PCVD)技术达到了实用水平,其工艺处理温度已降至450~650℃,有效抑制了η相的产生,可用于螺纹刀具、铣刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂层,但迄今为止,PCVD工艺在刀具涂层领域的应用并不广泛。九十年代中期,中温化学气相沉积(MT-CVD)新技术的出现使CVD技术发生了革命性变革。MT-CVD技术是以含C/N的有机物乙腈(CH3CN)作为主要反应气体、与TiCL4、H2、N2在700~900℃下产生分解、化学反应生成TiCN的新工艺。采用MT-CVD技术可获得致密纤维状结晶形态的涂层,涂层厚度可达8~10μm。这种涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性,并可通过高温化学气相沉积(HT-CVD)工艺在刀片表面沉积Al2O3、TiN等抗高温氧化性能好、与被加工材料亲和力小、自润滑性能好的材料。

      MT-CVD涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用,其寿命可比普通涂层刀片提高一倍左右。目前,CVD(包括MT-CVD)技术主要用于硬质合金车削类刀具的表面涂层,涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用CVD技术还可实现α-Al2O3涂层,这是PVD技术目前难以实现的,因此在干式切削加工中,CVD涂层技术仍占有极为重要的地位。

      PVD技术出现于二十世纪七十年代末,由于其工艺处理温度可控制在500℃以下,因此可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。由于采用PVD工艺可大幅度提高高速钢刀具的切削性能,所以该技术自八十年代以来得到了迅速推广,至八十年代末,工业发达国家高速钢复杂刀具的PVD涂层比例已超过60%。

      PVD技术在高速钢刀具领域的成功应用引起了世界各国制造业的高度重视,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展尤其是在硬质合金、陶瓷类刀具中的应用进行了更加深入的研究。研究结果表明:与CVD工艺相比,PVD工艺处理温度低,在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度无影响(试验结果见表1);薄膜内部应力状态为压应力,更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层VD工艺对环境无不利影响,符合现代绿色制造的发展方向。随着高速切削加工时代的到来,高速钢刀具应用比例逐渐下降、硬质合金刀具和陶瓷刀具应用比例上升已成必然趋势,因此,工业发达国家自九十年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD涂层技术的研究,至九十年代中期取得了突破性进展,PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。

      目前PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度,涂层成分也由第一代的TiN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多元复合涂层。ZX涂层(即TiN-AlN涂层)等纳米级涂层的出现使PVD涂层刀具的性能有了新突破。这种新涂层与基体结合强度高,涂层膜硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剥离性强,而且可显著改善刀具表面粗糙度,有效控制精密刀具的刃口形状及精度,其精密加工质量与未涂层刀具相比毫不逊色。

      经过几十年的研究和开发,各种刀具涂层工艺已广泛应用于硬质合金和高速钢切削刀具。涂层工艺的主要发展阶段及应用领域见表2。

      1996年-厚膜纤维状TiCN-MT-CVD-硬质合金车削类刀具涂层(用于粗、半精加工)

      当前世界涂层技术的发展具有以下趋势:由于单一涂层材料难以满足提高刀具综合机械性能的要求,因此涂层成分将趋于多元化、复合化;为满足不同的切削加工要求,涂层成分将更为复杂、更具针对性;在复合涂层中,各单一成分涂层的厚度将越来越薄,并逐步趋于纳米化;涂层工艺温度将越来越低,刀具涂层工艺将向更合理的方向发展,预计PVD、MT-CVD工艺将成为主流技术。

      我国从二十世纪七十年代初开始研究CVD涂层技术,由于该项技术专用性较强,国内从事研究的单位并不多。八十年代中期,我国CVD刀具涂层技术的开发达到实用化水平,工艺技术水平与当时的国际水平相当,但在随后的十多年里发展较为缓慢(与国外研究状况类似);九十年代末期,我国开始MT-CVD技术的研发工作,MT-CVD工艺及装备的研究开发预计可在2001年内基本完成,根据研究目标,工艺技术及设备将达到当前国际先进水平;我国PCVD技术的研究始于九十年代初,PCVD工艺技术主要用于模具涂层,目前在切削刀具领域的应用还十分有限。总体而言,国内CVD技术的总体发展水平与国际水平差距不大,待MT-CVD技术开发成功,我国在刀具CVD涂层领域的整体水平将可与国际先进水平基本保持同步。

      我国PVD涂层技术的研发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阴极离子镀膜机,并开发了高速钢刀具TiN涂层工艺技术。在此期间,由于对切削刀具涂层市场前景看好,国内共有七家大型工具厂从国外引进了大型PVD涂层设备(均以高速钢TiN涂层工艺为主)。技术及设备的引进调动了国内PVD技术的开发热潮,许多科研单位和各大真空设备厂纷纷展开了大型离子镀膜机的研制工作,并于九十年代初开发出多种PVD涂层设备。但由于多数设备性能指标不高,无法保证刀具涂层质量,同时预期的市场效益未能实现,因此大多数企业未对PVD刀具涂层技术作进一步深入研究,导致近十年国内PVD刀具涂层技术的发展徘徊不前。尽管九十年代末国内成功开发出硬质合金TiN-TiCN-TiN多元复合涂层工艺技术并达到实用水平,CNx涂层技术的研发也有重大突破,但与国际发展水平相比,我国的刀具PVD涂层技术仍落后十年左右。目前国外刀具PVD涂层技术已发展到第四代,而国内尚处于第二代水平,且仍以单层TiN涂层为主。

      与国外相比,我国刀具PVD涂层技术的研究和开发起步并不太晚,而且在发展初期大量引进了当时国际上最先进的各类涂层设备,八十年代后期国产涂层设备也得到了迅速发展,但该项技术真正广泛应用于高速钢刀具却是在九十年代中期。到目前为止,虽然国内对硬质合金刀具TiCN涂层的研究已取得突破,但国内市场的涂层产品仍以TiN涂层为主。分析其原因,可归纳为以下几点:

      八十年代中期国外PVD技术及装备的集中引进虽然使我国发展该项技术有了一个高起点,同时也解决了高速钢刀具的涂层问题,但由于引进设备的厂家都是国内的刀具生产骨干企业(其刀具产品的国内市场占有率很高),这些先进涂层设备的引进在相当长一段时间内已可满足这些企业的生产要求,因此对国产PVD技术和设备的需求不太强烈,这在一定程度上影响了国产PVD设备在刀具制造领域的应用与发展;另一方面,八十年代中期PVD技术还处于发展初期,随着该项技术的不断发展,进入九十年代后新技术层出不穷,这些企业早期引进的技术亟待更新,但昂贵的价格使企业很难再次引进新技术和新设备,国内也因此错失了发展提高PVD技术的最佳时期。

      尽管八十年代国内引进了当时最先进的PVD技术,但当时PVD技术尚处于发展初期,国内对其后续发展空间及发展速度无法充分估计;此外,物理涂层技术是集电子物理、材料、真空控制技术于一体的新型技术,在研究、生产、应用等方面对人员配置有较高要求,而大部分引进PVD技术的企业偏重生产,对开发人员及资金配置不足,难以推动工艺技术的进一步自主开发,新工艺、新技术仍需再引进,而再引进的费用十分昂贵(如Balzers公司的设备从TiN涂层工艺升级为TiCN涂层工艺,仅硬件改造费即需30万美元),因此影响了国内涂层技术新工艺和装备的研发。

      八十年代后期,国内一些真空设备制造厂及科研单位对PVD刀具涂层市场过于乐观,纷纷加大各类PVD涂层设备的开发力度,但由于缺乏对切削工艺及刀具涂层工艺的深入了解,与工具厂合作不够,因此开发的涂层设备大多无法满足刀具涂层工艺的要求,尤其是精密高速钢刀具涂层技术尚达不到批量生产水平。由于此类设备大多只能用于麻花钻的涂层,而麻花钻涂层费用极低,相应涂层设备的利润也很低,因此到九十年代以后,大部分真空设备制造厂已把发展方向转向其它行业(如装饰涂层等)。

      迄今为止,国内大部分涂层设备生产厂还不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具应用技术等),这种技术不完整性给用户的生产带来许多技术问题;此外,由于设备生产厂不能提供长期技术服务,导致国产涂层设备难以保证长时期稳定、正常使用,从而极大限制了PVD涂层设备的推广应用。

      引进设备的高昂成本导致涂层价格居高不下,涂层费用甚至可超过刀具价格的50%;由于引进渠道不一,设备选择依据不同,导致设备工艺水平相差较大,影响了涂层刀具的使用效果;由于国产涂层刀具质量不稳定,涂层刀具检验标准不完备,因此在应用领域内造成了涂层价格高、涂层质量不稳定且涂层后刀具性能改善不明显的不良印象,严重影响了刀具涂层技术的推广应用和快速发展。

      在二十世纪八十年代,我国数控机床的应用还十分有限,机械加工仍处于较低水平,高速钢刀具的应用占全部刀具的80%以上,硬质合金刀具仍以焊接刀具为主,可转位刀片以车削类刀具为主(一般多采用CVD涂层),整体硬质合金立铣刀、钻头、铰刀等应用较少,因此对PVD硬质合金刀具涂层的要求并不十分迫切,这在一定程度上也影响了涂层技术的进一步发展。

      随着我国汽车、航空、航天、重机等工业的发展以及数控机床的迅速普及,我国机械加工技术正朝着高速加工、绿色制造的方向发展,高速滚齿、高速铣削以及干式切削工艺的应用对刀具涂层技术提出了更高要求。以齿轮高速滚削加工为例,先进的工艺需要采用滚刀MoS2软涂层技术,与TiN涂层相比,使用寿命可提高一倍以上。在高速铣削加工中,硬质合金铣削类刀具多选用TiAlN、TiAlCN或TiNAlN涂层,单一的TiN涂层已不适合此类加工。市场的需求迫使国内必须加速PVD新技术的研究和开发。

      笔者认为,要使我国新型PVD涂层技术得到快速而有序的发展,应努力做好以下几方面工作:

      工具行业管理部门应加强PVD涂层项目的规划与管理工作,明确我国新型PVD涂层技术的短、中、长期发展目标,确立有计划、不间断发展的方针,并通过“官、产、学、研、商”的有机结合,使项目既有政策支持又有资金保障。我国在这方面也有过成功经验:在八十年代中期,为了在引进基础上立足于自行开发,提高工具行业涂层技术的整体水平,原机械工业部机床工具司组织了全行业力量对引进设备进行技术攻关,开发出的热阴极弧磁控等离子镀膜机已在工具行业成功地推广应用,并因此带动了国内TiN涂层刀具的普及应用。

      建立统一的研究、开发、服务体系,根据涂层技术的发展趋势和国内外市场需求,有系统地引进国际先进技术,加强对引进技术的消化吸收及协作研究工作,逐步增强自我开发能力,形成专利技术,最终实现满足国内市场需求和参与国际市场竞争的目的。

      建立涂层设备、涂层刀具的行业检验标准,严格控制涂层刀具质量,确保涂层技术的大面积推广应用。

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