“軟”涂層刀具的發(fā)展與應用

摘要：與“硬”涂層刀具不同，“軟”涂層刀具所追求的目標是低摩擦系數(shù)。它與工件材料的摩擦系數(shù)很低，可減小粘結、減輕摩擦、降低切削力和切削溫度。結合作者己有的研究，參考國內(nèi)外的相關文獻報道，對“軟”涂層刀具的發(fā)展與應用狀況進行了綜合評述，以期對新型涂層刀具的設計、開發(fā)與應用等起到一定的指導和參考作用。

1 引言

刀具涂層將刀具基體和涂層材料的優(yōu)良性能相結合，既保持了基體良好的韌性和較高的強度，又具有涂層的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數(shù)，從而使刀具的切削性能大大提高。自硬質(zhì)涂層刀具問世以來，化學氣相沉積(CVD)技術和物理氣相沉積(PVD)技術相繼得到發(fā)展，刀具涂層技術取得了飛速發(fā)展，涂層工藝越來越成熟。西方國家使用的涂層刀片占可轉位刀片的比例已由1978年的26% ，增加到1985年的50%～60%。新型數(shù)控機床所用切削刀具中有80%左右使用涂層刀具，瑞典山特維克公司和美國肯納金屬公司的涂層刀片的比例已達80%～85%以上。美國數(shù)控機床上使用涂層硬質(zhì)合金刀片的比例為80%。瑞典和德國車削用涂層刀片已占70%以上。在日本的硬質(zhì)合金和陶瓷刀片生產(chǎn)總產(chǎn)量中，涂層刀片所占比例超過40 %。涂層刀具將是今后機械加工領域中的重要刀具品種，也是刀具技術的一個重要發(fā)展方向。

2 涂層刀具的種類

根據(jù)涂層方法不同，涂層刀具可分為化學氣相沉積(CVD)涂層刀具和物理氣相沉積(PVD)涂層刀具。涂層硬質(zhì)合金刀具一般采用CVD)法，沉積溫度在1000℃左右。涂層高速鋼刀具一般采用PVD法，沉積溫度在500 ℃左右。

根據(jù)涂層刀具基體材料的不同，涂層刀具可分為硬質(zhì)合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具、以及在陶瓷和超硬材料(金剛石和立方氮化硼)上的涂層刀具等。

根據(jù)涂層材料的性質(zhì)，涂層刀具又可分為兩大類，即：“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具。“硬”涂層刀具追求高的硬度和耐磨性。目前應用*多的刀具硬涂層物質(zhì)有TiC、TIN、TiC(N)、Al2O3和TiAlN等及其組合。“軟”涂層刀具追求低摩擦系數(shù)，與工件材料的摩擦系數(shù)很低，可減小粘結，減輕摩擦，降低切削力和切削溫度�！败洝蓖繉拥毒呶镔|(zhì)主要有MO S2、WS2、TaS2等及其組合。涂層方式有：單涂層、多涂層、梯度涂層、軟/硬復合涂層、納米涂層、超硬薄膜涂層等，如圖1 所示。

圖1 典型的涂層結構

3 “軟”涂層刀具的發(fā)展與應用

1）“軟”涂層刀具的涂層材料及其作用機理

目前，“硬”涂層刀具技術已經(jīng)逐漸成熟，應用*為廣泛。然而，諸如航空航天工業(yè)使用的許多高強度鋁合金、欽合金或貴金屬材料等都不適合用“硬”涂層刀具加工，仍主要使用無涂層的高速鋼或硬質(zhì)合金刀具。

“軟”涂層刀具的開發(fā)則可較好地解決此類材料的加工問題。刀具“軟”涂層的主要成分為具有低摩擦系數(shù)的固體潤滑材料，如：MoS2、WS2、BN、CaF2和T aS2等，在特殊使用條件下具有優(yōu)良的摩擦學特性，如：摩擦系數(shù)低、承載極限高、高溫下化學穩(wěn)定性好、物性變化小、能適應1200℃ 以上的工作溫度范圍和很寬的摩擦副運動速度范圍，適于在高溫、高速和大載荷等特殊環(huán)境條件下使用 。

涂層可在刀具表面形成固體潤滑膜，從而使刀具材料具有很低的摩擦系數(shù)。由于具有層狀結構的固體潤滑劑與摩擦表面具有較強的粘結能力，并且各層之間有較低的剪切強度，在切削過程中，存在于刀具表面的固體潤滑膜會轉移到工件材料表面，形成轉移膜，使切削過程中摩擦發(fā)生在轉移膜和潤滑膜之間，在固體潤滑膜內(nèi)部，從而可達到減小摩擦、阻止粘結、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。

2）“軟”涂層刀具的應用效果

Renevier等研究表明：MoS2/Ti“軟”涂層刀具不適合連續(xù)高速車削，這是由于連續(xù)高速車削產(chǎn)生的高溫往往會導致MoS2/Ti涂層產(chǎn)生嚴重的氧化磨損；在低速銑削時，MoS2/Ti“軟”涂層刀具的壽命比未涂層刀具高1.5～2 倍。總的來說，MoS2/Ti“軟”涂層刀具適合于低速斷續(xù)切削，如表1 所示。圖2 為MoS2/Ti“軟”涂層刀具、MoS2“軟”涂層刀具和非涂層刀具銑削34CrNiMo6 工件時，每個刀具可銑削的工件材料體積，其中，fz=0.1mm/r , a p=1.5mm。可見，MoS2/Ti“軟”涂層刀具的壽命遠高于MoS2“軟”涂層刀具和非涂層刀具。

表1 MoS₂/Ti“軟”涂層刀具的適應范圍

圖2 刀具可鐵削的材料體積

圖3為WC/Co/MoS2“軟”涂層刀具和WC/Co硬質(zhì)合金刀具加工302不銹鋼時，刀具后刀面磨損量對比，其中，V=103～180m/min, f=0.1mm/r, ap=0.25mm�？梢�，WC/Co硬質(zhì)合金刀具切削1800m時，刀具后刀面磨損量VB達到0.32mm，而WC/Co/MoS2“軟”涂層刀具切削4000m時，刀具后刀面磨損量VB只有0.3mm。表2為一些軟涂層刀具的一些使用效果。

圖3 刀具后刀面磨損量對比

表2 “軟”涂層刀具的使用效果

4 結語

國內(nèi)外“硬”涂層刀具技術日趨成熟，其應用已經(jīng)非常廣泛。而“軟”涂層刀具技術在國外剛剛起步，而國內(nèi)尚無這方面的研究報道�！败洝蓖繉拥毒叩难芯块_發(fā)為提高刀具性能開拓了新的途徑，為新型涂層刀具的設計提供了新的思路和新的研究領域�！败洝蓖繉拥毒呖蓱�用于干切削，對阻止粘結、減小摩擦、降低磨損、提高刀具壽命、降低加工成本等具有重大的理論和實際意義，具有廣闊應用前景。