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刀具涂层技术

刀具涂层技术，为你***的运用技术加冕

切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求展开起来的材料表面改性技术。选用涂层技术可有用前进切削刀具运用寿数，使刀具获得尤秀的归纳机械功用，然后大幅度前进机械加工功率。

涂层的效果

1、前进硬质合金的耐磨性功用；

2、前进抗痒化功用；

3、减小抵触；

4、前进抗金属疲劳功用；

5、添加抗热冲击性。

涂层的特色

1、力学和切削功用好。

涂层刀具将基体材料和涂层材料的尤秀功用结合起来，既坚持了基体出色的耐性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低抵触系数。因而，涂层刀具的切削速度与未涂层的比较，切削速度可前进2~5倍，运用涂层刀具可以获得明显的经济效益。

2、通用性强。

涂层刀具通用性广，加工规模明显扩展，一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具运用，因而可以大大减少刀具的种类和库存量，简化刀具处理，下降刀具和设备本钱。

涂层的分类

依据涂层方法不同，涂层刀具可分为化学气相堆积，涂层刀具、物***相堆积，涂层刀具及混合工艺及组合技术。CVD涂层原理如图a所示，PVD涂层原理如图b所示。混合工艺是等离子辅助CVD技术与传统的PVD技术进行有用的结合。比方先堆积传统的CrN硬质涂层，再在***上面堆积一层用于减少抵触的DLC涂层。组合技术是涂层前对东西或零部件的表面层进行氮化，可以前进涂层的成效。

CVD涂层，堆积温度在1 000℃左右，可以涂覆耐磨损性优异的TiCN、耐热性非常优异的Al2O3厚膜，因而在发生高温的高速、高功率切削加工中能显示出长寿数，CVD涂层如图a所示。

PVD涂层，堆积温度在500℃左右，一般用在与无涂层硬质合金、高速钢相同或较高速的切削速度条件下，以延伸刀具寿数为政策。对基体限制少、损害小，因而特别合适用于要求耐磨损性、耐崩刃性的刀具，也适用于要求尖锐刃口的低进给加工与精加工或螺纹加工东西等，PVD涂层如图b所示。

金刚石涂层选用CVD（化学蒸镀法）在硬质合金基体上组成。组成的涂层具有与天然金刚石相匹敌的硬度与导热系数，在非铁材料的加工中发挥着优异的功用。金刚石涂层刀具因为其出色的切削功用，在切削加工范畴具有宽广的运用前景，是加工石墨、金属基复合材料、高硅吕合金及许多其他耐磨蚀材料的志向刀具，目前其主要运用范畴是轿车和航空航天工业。金刚石涂层刀具的安排如下图所示。

金刚石涂层刀具安排

依据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具寻求的主要政策是高的硬度和耐磨性，其主要长处是硬度高、耐磨性好，典型的是TiC和TiN涂层。“软”涂层刀具是选用固体润滑剂如MoS2、WS2等制备的刀具，“软”涂层寻求的政策是低抵触系数，也称为自润滑刀具，它与工件材料的抵触系数很低，只要0.1左右，可减小粘、减轻抵触、下降切削力和切削温度。

涂层的结构

经过多年的展开，涂层的结构已经发生了许多改动，有了很大的改进。在涂层技术中，通常有以下五种不同的结构：

1、单层结构

望文生义，这种结构只要一层涂层。当我们在显微镜下观察这种结构时，可以看见一些长柱形涂层结构。这种涂层很简单涂覆，但也很简单发生裂纹和破损。想象一下，当一个球击中一束柱体时，这些柱体就会开始倒下，而裂纹简单就能贯穿涂层，抵达基体。

2、多层结构

多层结构是由许多不同的单层结构互相堆叠在一起构成的。表面花纹钢就是历使上此类结构的一个比如。多层结构涂层可将几种涂层材料的特性结合在一起，形成耐性与硬度俱佳的表面。

3、纳米多层结构

纳米多层结构与多层结构本质上相同，但其层厚却要薄得多：涂层厚度仅为原子级水平。

4、纳米复合涂层结构

纳米复合涂层选用了与硬质合金刀具相似的技术。这种纳米结构将粘结相（例如硬质合金中的钴）的耐性与纳米复合涂层的硬度结合在一起。

5、梯度结构

该结构的涂层功用具有渐变性：涂层中心部分较软而赋有弹性，而在接近表层时则变得坚固而耐磨。

涂层的选用

为了更好地挑选和展开刀具及零部件的蕞佳成效，需求区分其主要及特定的磨损性和失效机理。磨损、粘附、腐蚀和疲劳都视为磨损机理，而且都取决于实践的运用。经历指出，材料的抵触和磨损都不是材料的原因，而是整个体系的原因。因而，在挑选涂层前就必须剖析整个抵触体系，包含零部件的技术功用、抗压力规模以及磨损机理的类型。

硬质合金涂层的运用举例

1、切削东西：钻头、刀片等。

2、耐磨东西，包含各种金属模具、冲头、轧辊、切开刀具等

涂层展开前景

其时切削工业依然面临着各种问题，其间用户要求越来越高以及要切削的材料特性这两方面问题尤为杰出。

来历：《硬质合金刀具涂层的现状及展开方向》

涂层是处理这些新难题的有用手段，涂层对硬质合金寿数的影响程度远超过基体本身对寿数的影响程度，涂层技术的展开方向将是：

1、下降涂层工艺温度

2、增强模基结合力

3、研发更强韧的涂层材料

4、更加简单易控的涂层工艺装备

刀具的涂层技术

刀具的涂层技能，有用，要转发收藏！

1.刀具涂层的特点

　　（1）力学和切削功用好。涂层刀具将基体资料和涂层资料的优良功用结合起来，旋风铣，既坚持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低冲突系数。因而，涂层刀具的切削速度与未涂层的相比，切削速度可进步2~5倍，运用涂层刀具能够获得明显的经济效益。

　　（2）通用性强。涂层刀具通用性广，加工范围明显扩展，一种涂层刀具能够替代数种非涂层刀具运用，因而能够大大削减刀具的品种和库存量，简化刀具管理，下降刀具和设备本钱。

2.涂层的分类

　　依据涂层办法不同，涂层刀具可分为化学气相堆积涂层刀具、物***相堆积，涂层刀具及混合工艺及组合技能。CVD涂层原理如图1a所示，PVD涂层原理如图1b所示。混合工艺是等离子辅助CVD技能与传统的PVD技能进行有用的结合。比如先堆积传统的CrN硬质涂层，再在***上面堆积一层用于削减冲突的DLC涂层。组合技能是涂层前对东西或零部件的外表层进行氮化，能够进步涂层的成效。

　　CVD能够涂覆耐磨损性优异的TiCN、耐热性非常优异的Al2O3厚膜，因而在发生高温的高速、***率切削加工中能显示出长寿命，CVD涂层如图2a所示。

　　PVD一般用在与无涂层硬质合金、高速钢相同或较高速的切削速度条件下，以延常刀具寿命为方针。对基体制约少、损伤小，因而特别适合用于要求耐磨损性、耐崩刃性的刀具，也适用于要求锋利刃口的低进给加工与精加工或螺纹加工东西等，PVD涂层如图2b所示。

　　依据涂层刀具基体资料的不同，涂层刀具可分为硬质合金涂层刀具、高速钢涂层刀具以及在陶瓷和超硬资料（金刚石和立方氮化硼）上的涂层刀具等。涂层硬质合金刀具一般选用化学气相堆积法，堆积温度在1 000℃左右。涂层高速刚刀具一般选用物***相堆积法，堆积温度在500℃左右。

　　金刚石涂层选用CVD（化学蒸镀法）在硬质合金基体上组成。组成的涂层具有与天然金刚石相匹敌的硬度与导热系数，在非铁资料的加工中发挥着优异的功用。金刚石涂层刀具由于其良好的切削功用，在切削加工范畴具有广阔的使用前景，是加工石墨、金属基复合资料、高硅吕合金及许多其他耐磨蚀资料的理想刀具，目前其主要使用范畴是轿车和航空航天工业。金刚石涂层刀具的***如图3所示。

　　依据涂层资料的性质，涂层刀具又可分为两大类，即“硬”涂层刀具和“软”涂层刀具。“硬”涂层刀具寻求的主要方针是高的硬度和耐磨性，其主要长处是硬度高、耐磨性好，典型的是TiC和TiN涂层，各种涂层刀具如图4所示。“软”涂层刀具是选用固体润滑剂如MoS2、WS2等制备的刀具，“软”涂层寻求的方针是低冲突系数，也称为自润滑刀具，它与工件资料的冲突系数很低，只有0.1左右，可减小粘、减轻冲突、下降切削力和切削温度。

　　对刀具进行涂层处理是进步刀具功用的重要途径之一，旋风铣加工螺纹分刀吗，涂层刀具的出现，使刀具切削功用有了较大的进步，使用范畴不断扩展，涂层刀具在数控加工范畴有巨大潜力，将是往后数控加工范畴中***重要的刀具品种。目前国外硬质合金可转位刀片的涂层份额在70%以上，欧洲齿轮刀具的涂层份额高达90%。涂层技能已使用于立铣刀、铰刀、复合孔加工东西、齿轮滚刀、剃齿刀、成形拉刀及各种机夹可转位刀片，满意高速切削加工各种钢和铸铁、耐热合金和有色金属等资料的需求。

3.涂层刀具的制备

　　精密东西、零部件和功用件的新式高功用涂层都是由涂层炉出产出来的。由于不同的使用需求不同品种的涂层，且需求快速的交货期，因而涂层炉有必要要有满足的灵活性，以保证出产不同系列的涂层都能有蕞佳的本钱效益。现代化的涂层设备能够在金属、陶瓷乃至是塑料的外表进行快速、稳定且全自动的涂层。现代涂层设备有必要满意以下原则：①单炉时间短。②日常运营本钱低。③灵活性高。④设备***和备件费用本钱规划低。⑤出产可靠性高。⑥全自动操作。⑦CE认证，工作安全标准高。

4.涂层的选用

　　为了更好地挑选和开展刀具及零部件的蕞佳成效，需求辨别其主要及特定的磨损性和失效机理。磨损、粘附、腐蚀和疲惫都视为磨损机理，而且都取决于实践的使用。经历指出，资料的冲突和磨损都不是资料的原因，而是整个系统的原因。因而，在挑选涂层前就有必要分析整个冲突系统，包括零部件的技能功用、抗压力范围以及磨损机理的类型。

5.结语

　　正确选用涂层是合理运用涂层刀具和充分发挥涂层功用的前题。现在的涂层主要是以TiN和CrN为主。当然DLC涂层和用于铝压铸模具的新式微合金涂层的使用也越来越广泛。在曩昔几十年间，为了满意对功用涂层不断的要求，工业等离子外表技能获得了十分迅猛的开展。面向未来，新的挑战也会推进现行的涂层技能和新涂层概念及其使用向更***的方向开展。经过使用新的蒸发设备和溅射理念以及脉冲技能，电弧PVD和溅射工艺也将愈加***。经过选用超高密度的等离子体和优化的电弧蒸发技能能够生成微合金涂层和专用规划的多结构涂层。涂层的纳米规划也将成为东西开展方向之一。

刀具经过砂轮刃磨后，刃口会存在不同程度的微观缺陷，在切削过程中，刀具刃口微观缺口极易扩展，加快刀具的磨损和损坏。刃口钝化是延常刀具寿命的金属切削配套技术，能有效减少或消除刃磨后的刀具刃口微观缺陷，以达到圆滑平整，提高刀具抗冲击性能，使刀具刃口锋利坚固。

刃口钝化方式可分为传统刃口钝化和特种刃口钝化。传统刃口钝化方式主要包括磨削钝化、毛刷钝化、拖曳钝化和喷砂钝化等；特种刃口钝化方式主要包括激光钝化、电火花电蚀钝化、电化学钝化和磨料水射流钝化等。

喷砂是以压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到需要处理的工件表面，实现对工件表面的加工。由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，工件的表面性能和形状会发生改变。而微喷砂技术是以传统喷砂技术为基础，采用微米级尺寸的磨料颗粒来进行待加工表面处理的技术，广泛应用于材料的表面处理，包括表面清洁、表面钝化和表面形貌处理。微喷砂处理的材料去除机理，包括裂纹扩展导致的脆性去除和磨料微切削产生的塑性去除。微喷砂技术在刀具领域主要应用在表面处理方面，如涂层刀具。通过对刀具基体表面进行相应的微喷砂处理，来改变基体的表面形貌，以增加涂层与刀具基体之间的粘结力，提高刀具的切削寿命。研究表明，对刀具的涂层表面进行微喷砂处理可以增加涂层硬度，提高刀具切削寿命。微喷砂技术在刀具刃口钝化领域没有得到广泛应用，理论研究还不充分。

本文通过微喷砂技术对硬质合金刀片YT15进行刃口钝化，研究微喷砂工艺参数对刃口半径的影响以及微喷砂处理对刃口质量的影响，并分析微喷砂处理的材料去除机理。

1试验步骤

试验以喷砂压力P、磨料比重W和喷砂时间T为因素，其中磨料比重W为磨料占水和磨料总质量的比重。每个因素设4个水平，进行64组全因素刃口钝化试验，因素水平见表1。

表1 微喷砂全因素试验因素水平

采用湿式手动喷砂机，喷砂角度45°，喷砂距离8mm。磨料为320目白刚玉，微喷砂加工如图1所示。选用可转位硬质合金刀片YT15，其尺寸标准为SNMN120404，相应的材料性能见表2。通过激光共聚焦显微镜(L***，Keyence VK-X200K)对微喷砂处理后的刀片刃口进行观测，试验观测指标为刀片刃口半径r和刃口线粗糙度Ra，***终结果为三次测量后的平均值。同时对其刃口形貌进行扫描电子显微镜镜(SEM)观察，分析刃口材料去除机理。

图1 硬质合金刀具YT15微喷砂加工示意图

表2 硬质合金刀具YT15物理力学性能

2试验结果与分析

(1)微喷砂工艺参数对刃口半径的影响

图2为硬质合金刀具YT15刃口半径随微喷砂各工艺参数的变化趋势。图2a、图2b、图2c和图2d分别是在喷砂时间为20s、30s、40s和50s时刃口半径随喷砂压力的变化图。对比发现，旋风铣内螺纹刀杆，在相同的喷砂压力和磨料比重下，随喷砂时间的增加，刀具刃口半径增大，这实质上是材料去除随着时间累积的结果。在相同的喷砂时间和磨料比重下，随喷砂压力的增加，刀具刃口半径增大。这是因为随着喷砂压强的增加，磨料流的出口速度增加，单颗粒磨料速度也相应增加。

硬质合金可看作是硬脆材料，根据单颗粒磨料冲蚀模型可知，单颗粒磨料的材料去除量与磨料颗粒的速度的指数成正比，使得单颗粒磨料的材料去除量增加。同时磨料流速度的增加，使单位时间内有效冲击刀具刃口的磨料颗粒数量增加，刃口材料的去除量变大。因此，增加喷砂压力相当于既增加磨料比重又增加喷砂时间，两者的共同作用使刃口半径增大。

由图2分析磨料比重对刀具刃口半径的影响可知，在喷砂压力为0.2MPa和0.25MPa时，随着磨料比重的增加，刀具的刃口半径先增大而后减小；而在喷砂压力为0.3MPa和0.35MPa时，随着磨料比重的增加，刀具的刃口半径呈现一直增大的趋势。同理，根据单颗粒磨料冲蚀模型分析可知，当喷砂压力较小时，随着磨料比重的增加，虽然单颗粒磨料速度减小，但是单位体积内磨料颗粒的数量增加，造成单位时间内磨料颗粒对刀具刃口的冲击次数增加，所以刃口材料的去除量变大。当磨料比重过大时，根据能量守恒可知，磨料流的速度减小很多，其中磨料颗粒的速度大幅降低，不仅减少了单颗粒磨料材料的去除量，也使单位时间内磨料对刀具刃口的冲击次数减少，进一步减少材料去除量，使得刃口半径随着磨料比重的增加先增大后减小。当喷砂压力较大时，随着磨料比重的增加，在单位时间内增加的磨料对刀具刃口的冲击次数所增加的材料去除量要多于单颗粒磨料速度降低而减少的材料去除量。总的来说，单位时间内材料去除量增加，因此在较大喷砂压力下，刀具的刃口半径随着磨料比重的增加而增加。

(a)T=20s(b)T=30s(c)T=40s(d)T=50s

图2 刃口半径随微喷砂各工艺参数的变化趋势

(2)微喷砂处理对刃口线粗糙度的影响

图3是硬质合金刀片YT15经过微喷砂刃口钝化处理前后的切削刃形貌。采用微喷砂工艺参数：喷砂压力P=0.2MPa，磨料比重W=0.1，喷砂时间T=30s。通过测量得到切削刃的相关参数见表3。

图3 未处理刀片与微喷砂刃口钝化刀片的切削刃形貌

可以发现，硬质合金刀片YT15的刃口轮廓由原来的r=6μm锐刃变成r=27μm的圆弧刃口。其切削刃形貌得到改善，刃口线粗糙度Ra由原来的0.79μm下降到0.5μm，Ry则由原来的6μm下降到3μm。这是由于微喷砂处理消除了刀具刃磨时产生的微观缺陷，改善了刃口质量。

表3 未处理刀片与微喷砂刃口钝化刀片刃口参数对比(μm)

图4是微喷砂全因素试验时硬质合金刀片YT15的刃口线粗糙度的分布情况。可以得出，硬质合金YT15刀片的刃口线粗糙度为0.3-0.8μm，满足刀片的刃口粗糙度要求。

图4 硬质合金刀具YT15刃口线粗糙度分布

(3)微喷砂刃口材料去除机理研究

刀片的微喷砂过程实质上是高速磨料射流冲击材料表面，实现材料的去除。其材料去除机理主要归结为磨料颗粒对材料的去除方式。对于脆性材料，其去除机理往往不只有脆性去除，还包括磨料颗粒的微剪切引起的塑性去除。

图5是硬质合金刀具YT15在喷砂压力P=0.25MPa、磨料目数M=320、喷砂时间T=20s和磨料比重W=0.1时的刃口形貌。可以看出，经过微喷砂处理后，刀具出现了圆弧刃口，对其圆弧刃口的区域A进行放大，可以观察刃口材料去除形成的微观形貌。通过区域B可以看出，其硬质合金中硬质相的去除多为由裂纹扩展造成的脆性断裂，这是由于棱角尖锐的磨料颗粒对于硬质相的冲击作用，使之产生径向裂纹和侧向裂纹，由于磨料颗粒的高频率冲击，进而造成侧向裂纹的扩张形成网状裂纹，达到材料的去除。对于C区域的观察，也可以发现刃口材料上存在磨料颗粒的刻划痕迹，这主要是由于具有锋利刃口的白刚玉磨料颗粒对工件材料的微切削作用导致。由于刀具材料中除硬质相成分外，还包括粘结相，其微切削作用相对于粘结相更为明显，粘结相材料先于硬质相去除，使得硬质相成分显露出来。因此微喷砂处理硬质合金刀具YT15的材料去除机理，包括由磨料冲击和水楔作用引起裂纹扩展而导致硬质相材料的脆性去除，还包括磨料颗粒的微切削作用引起的材料塑性去除。

图5 硬质合金刀具YT15微喷砂刃口形貌SEM图

小结

微喷砂处理可以对硬质合金刀具YT15刃口进行有效钝化，形成一定圆弧半径的刀具刃口。研究表明，刃口圆弧半径随着微喷砂时间和喷砂压力的增加而增大。对于磨料比重而言，在喷砂压力为0.2MPa和0.25MPa时，随着磨料比重的增加，刀具刃口半径先增大而后减小；在喷砂压力为0.3MPa和0.35MPa时，随着磨料比重的增加，刀具刃口半径呈现一直增大的趋势。微喷砂处理可有效改善硬质合金刀具YT15的刃口质量，消除微观缺陷，降低刃口线粗糙度，在结构上对刀具刃口进行钝化。硬质合金刀具YT15刃口材料的去除机理，包含由裂纹扩展而导致硬质相材料的脆性去除和微切削作用引起的材料塑性去除。

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