硬质合金纳米涂层怎么脱骨

㈠ 硬质合金的发展趋势

由于中国实行积极稳健的宏观经济政策，国民经济快速增长，硬质合金需求也高速增长。在硬质合金需求增长的同时，产量也在不断增加，从2006年的1.45万吨增长到2011年的2.4万吨，年复合增长率达到10.60%。 韩国YesTool公司推出的“KRUZ”硬质合金机夹孔加工刀具，采用了硬质相晶粒分别为0.2+0.5+0.8μm的混合型高钴(13%)超细晶粒度基体，使刀具基体材料的强度和硬度都有较大的提高，配以接近整体型钻头强度的机夹刀片几何结构和夹紧方式以及独创的钻尖设计和高性能的氮化钛(TiN)与氮铝化钛(TiAlN)纳米物理涂层(PVD)，不仅适用于加工软质到硬质工件，甚至对极难加工的特殊材料工件，都能体现出优秀的切削性能。
瑞典山特维克可乐满公司(SandvikCoromant)新推出的钢材车削牌号GC4225、GC4235，采用了超细晶粒的梯度硬质合金基体，配以氮碳化钛中温化学涂层(MT-CVD)和细晶柱状a-Al2O3化学涂层，表面则采用消除表面应力的后处理工艺，即通过喷丸处理去掉前刀面CVD涂层的拉应力表层(TiN)，使露出表面的Al2O3的拉应力下降40%，内层涂层的应力下降20%，显著改善了刀片的抗微崩刃性能和抗剥落能力，在提高刀刃完整性和可靠性的同时还提高了涂层表面的光洁度，降低了刀片与切屑之间的粘结性。GC4225可覆盖从粗加工到精加工80%的应用领域，与一般的P25刀片比较刀具寿命可提高60%，生产效率提高33%，为钢件加工的首选牌号。株洲钻石切削刀具股份有限公司继两年前推出用于铸铁加工的YBD系列黑金刚牌号后，新推出的用于钢材加工的第二代黑金刚系列牌号——YBC152和 YBC252也采用了表面富钴的梯度硬质合金基体材料，配以厚层的纤维状TiCN和细晶粒Al2O3的CVD涂层，具有极强的抗塑性变形能力和刃口强度，特别适合钢材的高速加工。新一代黑金刚牌号刀片在相同切削条件下，可提高切削速度25%以上；在同样切削速度下，刀具寿命可提高30%以上。在本次展会上推出表面富钴梯度硬质合金基体材料新牌号的还有：美国Kennametal公司的通用材质牌号KU30T、Valenite公司的加工不锈钢牌号VP5535、以色列ISCAR公司的适用于高速加工的改进型Al2O3MT-CVD复合涂层“a-TEC”系列(如：IC9150、IC9250、IC9350)牌号等。
在硬质合金中添加少量的元素可强化材料的硬质相和粘结相、净化晶界并显著提高材料的抗弯强度和冲击韧性。日本住友电工硬质合金株式会社推出的ACE系列涂层牌号(AC700G、AC2000、AC3000)，采用了加锆(Zr)的硬质合金基体材料，使新牌号基体材料的红硬性大幅度提高。日立工具技术株式会社新推出的HG系列涂层新牌号(HG8010、HG8025)则采用了所谓“三重锆效果”的CVD涂层新技术，其“第一重锆效果”就是在硬质合金基体材质中添加了锆(Zr)元素，以提高基体的抗高温变形能力；“第二重锆效果”则是用细晶柱状的锆(Zr)涂层取代通常的MT-TiCN涂层，从而提高了涂层的抗氧化性；“第三重锆效果”则是在涂层表面涂覆一层白色的锆(Zr)涂层，以提高刀具表面的润滑性、耐热性和抗剥落性。这种新型涂层牌号刀片具有良好的耐热性，特别适用于高效加工，与传统刀片相比，可提高加工效率150%，降低加工成本20～30%。
超细晶粒硬质合金得到了越来越广泛的采用。除上述几家公司的新牌号采用了超细晶粒硬质合金基体外，Kennametal公司推出的新牌号KC5525、KC5510也采用了晶粒细化的高钴硬质合金基体，拥有钴含量达10%的超级细化晶粒的硬质合金基体，配以高铝含量的TiAlNPVD涂层，使刀具在断续切削时具有很高的刃口韧性的同时，又具有极强的抗热变形能力。ISCAR公司推出的用于整体硬质合金立铣刀的“AL-TEC”涂层系列(如：IC900、IC903、IC908、IC910等)牌号，同样采用了超细晶粒硬质合金基体，配以高铝含量TiAlN(PVD)涂层，使其在铣削加工硬度高达60～62HRC的淬硬钢时，与原有的IC903牌号相比，刀具寿命提高150%。Valenite公司的用于铸铁高速车削加工的VP1595牌号，也是在超细晶粒硬质合金基体上，采用MT-CVD涂覆18μm厚的TiCN/Al2O3/TiC涂层，后刀面则涂覆了一层灰色的TiC，以便于观察刀具刃口的磨损情况和刀片转位，该牌号在粗加工球墨铸铁时，加工效率比其它K05～K10牌号提高50%。 从上述新牌号可以看出，伴随着基体材料性能的改进和提高，刀具涂层技术取得了更为迅猛的发展，中温化学涂层、柱状a-Al2O3化学涂层、高性能物理涂层、新型原子涂层、纳米结构涂层、黄色三氧化二铝化学涂层、白色锆涂层、高铝含量TiAlN涂层、TiSiN涂层、CrSiN涂层、AlCrSiN涂层、TiBON涂层等大量新型涂层呈现多样化和系列化的趋势，使硬质合金材料新牌号层出不穷，大大提高了硬质合金刀具的切削加工性能。
瑞典山高(SECO)公司继两年前推出TP1000、TP2000、TP3000三个高性能ISO-P类硬质合金涂层牌号后，新推出了号称“新行业标准”的TP2500通用型ISO-P类硬质合金涂层新牌号，它是在山高公司新一代Triple-Zero基体材质上，采用了被称为DurAtomic的涂层技术而形成的全新的硬质合金涂层牌号。DurAtomic涂层的a-Al2O3由原子长成，与通常的CVD涂层所生成的a-Al2O3相比，DurAtomic涂层具有更高的耐磨性和韧性。TP2500被设计成普通钢件车削(ISOP15～P30)的首选牌号，也可作为ISOM20和ISOK30的补充牌号。据山高公司技术人员介绍，新的TP2500刀片可提高加工效率50%以上，提高刀具寿命300%以上。
德国蓝帜金属加工技术集团倍锐特公司(LMT-BOEHLERIT)利用中温化学涂层技术开发出了“黄色氧化铝复合涂层”技术，结合该公司新开发的Durotec齿状过渡层技术，使黄色氧化铝涂层和过渡层间在具有极好的粘合性的同时，又具有良好的散热性，并推出了SteeltecLC215K和LC225K系列刀片牌号。SteeltecLC215K在切削钢材时可以达到300m/min以上的切削速度，刀片寿命比现有其它刀片提高了30%。而SteeltecLC225K则在LC215K的基础上进一步提高了刀片的韧性，使刀片使用寿命在原有的基础上又延长了30%。
纳米结构涂层(Nanocoating)技术迅速发展的涂层新技术，其涂层材料的晶粒度一般都在100nm以下，具有良好的切削性能。这次展会上，国内、外多家公司都有纳米结构涂层新牌号推出。日本住友电工硬质合金株式会社推出的超级ZX涂层牌号(ACP200、ACP300、ACK300和AC530U)，采用了相互交叠的总层数达1000层的超薄TiAlN与AlCrN纳米级涂层，每层涂层的厚度约为10纳米，大幅度提高了涂层表面的硬度和抗氧化性。与传统的TiAlN涂层相比，超级ZX涂层的硬度提高了40%，开始氧化温度也提升了200℃，从而提高刀具的加工效率1.5倍；在相同切削条件下，提高刀具寿命2倍。推出纳米结构涂层新牌号的还有日本日立株式会社，该公司新推出的纳米涂层ATH、ACS系列牌号与通常的TiAlN(PVD)涂层牌号相比，具有更高的硬度和耐氧化性，其耐氧化温度达到1100℃，显微硬度达到3600HV，可适用于从预硬钢到淬火钢的高速干式切削加工。株洲钻石切削刀具股份有限公司新推出的纳米结构nc-TiAlN涂层新牌号(YBG102、YBG202、YBG302和YBG203)是在超细晶粒硬质合金基体表面涂覆2～4μm的纳米TiAlN，该系列牌号覆盖了钢、不锈钢、铸铁、耐热合金、高温合金、钛合金等大多数材料的车削和铣削加工，具有广泛的适应性。 在涂层中，通过晶粒细化技术来提高涂层表面光洁度，使涂层表面光滑，以提高涂层刀具抗摩擦、抗粘结的能力也是涂层技术发展的一个方向。日本三菱综合材料株式会社推出的高效加工钢材的专利技术UC6110超级涂层硬质合金牌号，前刀面为由抑制结晶生长的细至纳米级的TiCN与抑制结晶生长的纳米级三氧化二铝构成的纳米结构CVD涂层，具有极高的韧性和超强的耐磨损性，外表面为一层黄色的特殊Ti金属化合物，使涂层表面平滑化。后刀面为黑色的超平滑涂层，以确保刀具磨损的稳定性。住友电工硬质合金株式会社新推出的超级FF涂层牌号(AC410K、AC610M、AC630M、ACP100、ACK200)，是在专用的硬质合金基体上，涂覆超细晶粒的TiCN，提高了涂层与基体的结合力，再在其上涂覆超细超平滑化的FF铝基膜，使表面硬度提高了30%，表面粗糙度降低了50%，与通常的材质相比，可提高加工效率1.5倍，提高刀具寿命2倍以上。
从这次展会所推出的硬质合金刀具材料新牌号可以看出，当前硬质合金刀具材料牌号正向着两个相反的方向发展，一方面，通用型牌号的适用面越来越广，通用性越来越强。另一方面，专用型牌号越来越具有针对性，更加适应被加工材料和切削条件，从而达到提高切削效率的目的。如：美国Kennametal公司推出的新的KU系列(KU10T、KU25T、KU30T)牌号就具有非常广泛的通用性。其中，KU10T和KU25T采用了具有高韧性的和高耐磨性的硬质合金基体，并配以高含铝量的TiN+TiAlN复合PVD涂层；而KU30T则采用了韧性极好的富钴层梯度硬质合金基体，配以TiN+TiCN+TiN复合CVD涂层。新的KU系列牌号可广泛适用于钢、不锈钢、铸铁、非钛合金、高温合金和硬材料的车削、镗孔、切槽、切断和螺纹加工。该公司新推出的KC5510和KC5525则是专为高效率加工高温合金而设计的牌号，晶粒细化的高钴硬质合金基体，配以高性能的TiAlNPVD涂层，使刀片具有极强的抗热变形能力，可以比其它PVD涂层刀具提高两倍以上的切削速度。日本Tungaloy超硬工具株式会社推出的T6000系列牌号(T6020、T6030)，则是专为不锈钢车削加工开发的CVD牌号。ISCAR公司推出的专用于高速铣削加工灰铸铁和球墨铸铁的DO-TEC涂层牌号(DT7150)，采用了Al2O3-MTCVD内涂层加TiAlNPVD外涂层的复合涂层技术，具有极高的耐磨性及抗剥落性。
从本次展会可以看到，金刚石CVD涂层刀具的性能又有了进一步的提高，产品覆盖了可转位刀具和整体硬质合金刀具。厦门金鹭特种材料有限公司展出了新开发的“青霜”系列超细结晶金刚石涂层立铣刀。与通常的金刚石涂层相比，“青霜”系列金刚石涂层为超细结晶，平均粒度<1μm，涂层表面更加光滑，刀具寿命可提高20倍以上。日本OSG公司也展出了适用于石墨电极和铜电极加工的超微粒结晶金刚石涂层铣刀，结晶粒度为1μm，涂层厚度6～20μm，使刀具的刃口更加锋利，减少切削中的粘结，降低了工件表面的粗糙度。美国SGS刀具公司则推出了非晶体的金刚石(AmorphousDiamond)涂层立铣刀，用以加工最具磨损特性的材料。刀具表面是沿着刀具曲面精确形成的晶莹光滑的厚度约为1μm的非晶体金刚石薄膜，其最显著的特点是使刀具在具有金刚石极高的抗磨损能力(表面硬度达60～90GPa)的同时，又具有光滑的刀具表面，降低了刀具表面与工件的摩擦，从而大大降低了切削温度。此外，非晶体金刚石涂层的另一大特点是对刀具基体材质没有特殊要求，可在任何材质的刀具基体表面涂覆，其涂覆温度仅为150℃。据介绍SGS非晶体金刚石刀具可比AlTiN涂层刀具的寿命长6倍。

㈡ 如何提高硬质合金模具的耐磨性

大泽采用合理的精炼、热加工和热处理工艺，以使模具材料的耐磨性、强度和韧性达到最佳的配合

㈢ 涂层刀具纳米超薄膜涂层

涂层刀具技术的革新正在不断推动制造业的进步。纳米超薄膜涂层作为一种先进的工艺，其应用日益广泛。据报道，日本某公司研发出一款高速强力型钻头，它采用了独特的设计，基体由韧性优良的K类（WC+Co）硬质合金制成，然后在表面交互涂覆了多达1,000层的TiN和AlN超薄膜，每层厚度仅为2.5微米。这种涂层工艺显著提升了钻头的抗弯强度和断裂韧性，其硬度甚至可与CBN媲美，从而将刀具的使用寿命提高了约2倍。

该公司还展示了ZX涂层立铣刀，其涂层技术更为精细，超薄膜层数高达2,000层，每层仅1纳米。在加工高硬度材料60HRC时，这种立铣刀的性能远超TiCN和TiAlN涂层刀具。在CIMT2003第八届中国国际机床展览会上，瑞士公司展示的纳米结构涂层（AITiN/SiN）立铣刀更是引人注目，其涂层硬度高达45GPa，即使在高温氧化条件下（1100℃），仍表现出卓越的耐用性，使用寿命是TiN涂层的3倍，比TiAlCN涂层高出2倍之多。

除了这些高性能的涂层，还有如MoS2和DLC润滑涂层这样的特定功能涂层。MoS2涂层因其低摩擦系数（0.05），特别适合于丝锥和钻头等刀具，有助于改善排屑效果。而DLC涂层则能作为复合涂层的表面涂层，有效减少切屑的粘附，从而提高加工效率和刀具的持久性。

涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物（也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，涂层刀具的构成减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。

㈣ 谁知道涂层硬质合金的分类及其的运用

涂层刀具是在强度和韧性较好的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物(也可涂覆在陶瓷、金刚石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而获得的。涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙槽磨损。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1级，降低刀具消耗费用20%~50%。因此，涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在刀具中的使用比例已超过50%。目前，切削加工中使用的各种刀具，包括车刀、镗刀、钻头、铰刀、拉刀、丝锥、螺纹梳刀、滚压头、铣刀、成形刀具、齿轮滚刀和插齿刀等都可采用涂层工艺来提高它们的使用性能。
涂层刀具有四种：涂层高速钢刀具，涂层硬质合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金刚石或立方氮化硼)刀片上的涂层刀具。但以前两种涂层刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀片表面的断裂韧度(可提高10%以上)，可减少刀片的崩刃及破损，扩大应用范围。
涂层方法
目前生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积(PVD) 法和化学气相沉积(CVD) 法。前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2~5µm；后者的沉积温度为900℃~1100℃，涂层厚度可达5~10µm，并且设备简单，涂层均匀。因PVD法未超过高速钢本身的回火温度，故高速钢刀具一般采用PVD法，硬质合金大多采用CVD法。硬质合金用CVD法涂层时，由于其沉积温度高，故涂层与基体之间容易形成一层脆性的脱碳层(η相)，导致刀片脆性破裂。近十几年来，随着涂覆技术的进步，硬质合金也可采用PVD法。国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法(等离子体化学气相沉积法)。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下(目前涂覆温度已可降至180℃~200℃)，使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼(CBN)超硬涂层特别有效。
用CVD法涂层时，切削刃需预先进行钝化处理(钝圆半径一般为0.02~0.08mm，切削刃强度随钝圆半径增大而提高)，故刃口没有未涂层刀片锋利。所以，对精加工产生薄切屑、要求切削刃锋利的刀具应采用PVD法。涂层除可涂覆在普通切削刀片上外，还可涂覆到整体刀具上，目前已发展到涂覆在焊的硬质合金刀具上。据报道，国外某公司在焊接式的硬质合金钻头上采用了PCVD法，结果使加工钢料时的钻头寿命比高速钢钻头长10倍，效率提高5倍。
金刚公司推出的各种新型涂层
涂 层 颜 色 硬 度HV 厚 度µm 摩擦系数 最高使用温度℃ 说 明
ZrCN复合 兰灰 2500 1-4 0.3 550 通用性强
TiN单层 金黄 2300 1-4 0.4 500 高性价比涂层
TiAlN复合 紫色 3200 1-4 0.5 800 通用性强
AlTiN复合 黑 3400 1-4 0.5 900 高速、高硬度加工
TiAlCrN 亚黑 3500 1-4 0.6 1000 特殊加工领域
TiCN渐层 灰黑 3000 1-4 0.4 400 高韧性通用涂层
CrN渐层 银亮 2000 3-15 0.5 700 适用加工铜、钛、模具
DLC 黑彩 1000~4000 0.5-2 0.05 400 适用于有色金属、石墨、塑胶
涂层材料
涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低，以及与基体附着牢固等要求。显然，单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初只能涂单一的TiC、TiN、Al2O3，进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。新开发的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合，加上新型的抗塑性变形基体，在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前，又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术，全面提高了刀具的性能。
工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料是TiN，但TiN与基体结合强度不及TiC涂层，涂层易剥落，且硬度也不如TiC高，在切削温度较高时膜层易氧化而被烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。TiCN兼有TiC和TiN两种材料的优点，它在涂覆过程中可通过连续改变C、N的成份控制TiCN性质，并形成不同成份的多层结构，可降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩展，减少崩刃。所以，目前生产的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推荐用于加工钢料的GC4000系列刀片、中国株洲硬质合金厂生产的CN系列刀片、日本东芝公司的T715X和T725X涂层刀片中均有TiCN涂层成份。TiCN基涂层适于加工普通钢、合金钢、不锈钢和耐磨铸铁等材料，用它加工工件时的材料切除率可提高2~3倍。
TiAlN、CrN、TiAlCrN是近几年来开发的硬质涂层新材料。TiAlN涂层刀片已商品化。它的化学稳定性和抗氧化磨损性能好，用其加工高合金钢、不锈钢、钛合金和镍合金时的刀具寿命可比TiN涂层高3~4倍。此外，TiAlN涂层中如果有合适的铝浓度，切削时在刀具前刀面和切屑的界面上还会产生一层硬质的惰性保护膜，该膜有较好的隔热性，可更有效地用于高速切削。例如，美国Kennametal公司推出的H7刀片，系TiAlN涂层，是专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢等高性能材料而设计的。CrN是一种无钛涂层，适于切削钛和钛合金、铜、铝以及其它软材料，化学稳定性好，不产生粘屑。TiAlCrN是一种梯度结构涂层，不仅具有高的韧性和硬度，而且摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优于TiN。
德国某公司开发了Supernitride涂层系列，其中超级氮化钛涂层有很高的含铝量，可形成稳定的氧化层(氧化温度达1000℃)，它比一般的TiAlN涂层更硬、更致密、更耐高温，适用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高达58HRC以上的淬火钢。
此外，纳米超薄膜涂层工艺已日趋成熟。据报道，日本某公司推出了一种高速强力型钻头，它是在韧性好的K类(WC+Co)硬质合金基体上交互涂覆了1,000层TiN和AlN超薄膜涂层，涂层厚度约2.5µm。使用表明，该钻头的抗弯强度与断裂韧性可大幅度提高，其硬度则与CBN相当，刀具寿命可提高2倍左右。该公司还开发出ZX涂层立铣刀，超薄膜镀层数达2,000层，每层厚度约1nm，用该立铣刀加工60HRC的高硬度材料，刀具寿命远高于TiCN和TiAlN涂层刀具。第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，瑞士某公司推出的纳米结构涂层(AITiN/SiN) 立铣刀，其涂层硬度为45GPa，氧化温度1100℃，切削对比试验表明，其寿命比TiN涂层立铣刀高3倍，比TiAlCN涂层立铣刀高2倍。除上述AITiN/SiN、TiAlCN新涂层外，还有特定功能的涂层，如MoS2、DLC润滑涂层，其摩擦因数小(0.05)，适于涂覆丝锥、钻头等刀具，可改善排屑性能，或者作为复合涂层的表面涂层，减少切屑的粘结。