硬質合金納米塗層怎麼脫骨

㈠ 硬質合金的發展趨勢

由於中國實行積極穩健的宏觀經濟政策，國民經濟快速增長，硬質合金需求也高速增長。在硬質合金需求增長的同時，產量也在不斷增加，從2006年的1.45萬噸增長到2011年的2.4萬噸，年復合增長率達到10.60%。 韓國YesTool公司推出的「KRUZ」硬質合金機夾孔加工刀具，採用了硬質相晶粒分別為0.2+0.5+0.8μm的混合型高鈷(13%)超細晶粒度基體，使刀具基體材料的強度和硬度都有較大的提高，配以接近整體型鑽頭強度的機夾刀片幾何結構和夾緊方式以及獨創的鑽尖設計和高性能的氮化鈦(TiN)與氮鋁化鈦(TiAlN)納米物理塗層(PVD)，不僅適用於加工軟質到硬質工件，甚至對極難加工的特殊材料工件，都能體現出優秀的切削性能。
瑞典山特維克可樂滿公司(SandvikCoromant)新推出的鋼材車削牌號GC4225、GC4235，採用了超細晶粒的梯度硬質合金基體，配以氮碳化鈦中溫化學塗層(MT-CVD)和細晶柱狀a-Al2O3化學塗層，表面則採用消除表面應力的後處理工藝，即通過噴丸處理去掉前刀面CVD塗層的拉應力表層(TiN)，使露出表面的Al2O3的拉應力下降40%，內層塗層的應力下降20%，顯著改善了刀片的抗微崩刃性能和抗剝落能力，在提高刀刃完整性和可靠性的同時還提高了塗層表面的光潔度，降低了刀片與切屑之間的粘結性。GC4225可覆蓋從粗加工到精加工80%的應用領域，與一般的P25刀片比較刀具壽命可提高60%，生產效率提高33%，為鋼件加工的首選牌號。株洲鑽石切削刀具股份有限公司繼兩年前推出用於鑄鐵加工的YBD系列黑金剛牌號後，新推出的用於鋼材加工的第二代黑金剛系列牌號——YBC152和 YBC252也採用了表面富鈷的梯度硬質合金基體材料，配以厚層的纖維狀TiCN和細晶粒Al2O3的CVD塗層，具有極強的抗塑性變形能力和刃口強度，特別適合鋼材的高速加工。新一代黑金剛牌號刀片在相同切削條件下，可提高切削速度25%以上；在同樣切削速度下，刀具壽命可提高30%以上。在本次展會上推出表面富鈷梯度硬質合金基體材料新牌號的還有：美國Kennametal公司的通用材質牌號KU30T、Valenite公司的加工不銹鋼牌號VP5535、以色列ISCAR公司的適用於高速加工的改進型Al2O3MT-CVD復合塗層「a-TEC」系列(如：IC9150、IC9250、IC9350)牌號等。
在硬質合金中添加少量的元素可強化材料的硬質相和粘結相、凈化晶界並顯著提高材料的抗彎強度和沖擊韌性。日本住友電工硬質合金株式會社推出的ACE系列塗層牌號(AC700G、AC2000、AC3000)，採用了加鋯(Zr)的硬質合金基體材料，使新牌號基體材料的紅硬性大幅度提高。日立工具技術株式會社新推出的HG系列塗層新牌號(HG8010、HG8025)則採用了所謂「三重鋯效果」的CVD塗層新技術，其「第一重鋯效果」就是在硬質合金基體材質中添加了鋯(Zr)元素，以提高基體的抗高溫變形能力；「第二重鋯效果」則是用細晶柱狀的鋯(Zr)塗層取代通常的MT-TiCN塗層，從而提高了塗層的抗氧化性；「第三重鋯效果」則是在塗層表面塗覆一層白色的鋯(Zr)塗層，以提高刀具表面的潤滑性、耐熱性和抗剝落性。這種新型塗層牌號刀片具有良好的耐熱性，特別適用於高效加工，與傳統刀片相比，可提高加工效率150%，降低加工成本20～30%。
超細晶粒硬質合金得到了越來越廣泛的採用。除上述幾家公司的新牌號採用了超細晶粒硬質合金基體外，Kennametal公司推出的新牌號KC5525、KC5510也採用了晶粒細化的高鈷硬質合金基體，擁有鈷含量達10%的超級細化晶粒的硬質合金基體，配以高鋁含量的TiAlNPVD塗層，使刀具在斷續切削時具有很高的刃口韌性的同時，又具有極強的抗熱變形能力。ISCAR公司推出的用於整體硬質合金立銑刀的「AL-TEC」塗層系列(如：IC900、IC903、IC908、IC910等)牌號，同樣採用了超細晶粒硬質合金基體，配以高鋁含量TiAlN(PVD)塗層，使其在銑削加工硬度高達60～62HRC的淬硬鋼時，與原有的IC903牌號相比，刀具壽命提高150%。Valenite公司的用於鑄鐵高速車削加工的VP1595牌號，也是在超細晶粒硬質合金基體上，採用MT-CVD塗覆18μm厚的TiCN/Al2O3/TiC塗層，後刀面則塗覆了一層灰色的TiC，以便於觀察刀具刃口的磨損情況和刀片轉位，該牌號在粗加工球墨鑄鐵時，加工效率比其它K05～K10牌號提高50%。 從上述新牌號可以看出，伴隨著基體材料性能的改進和提高，刀具塗層技術取得了更為迅猛的發展，中溫化學塗層、柱狀a-Al2O3化學塗層、高性能物理塗層、新型原子塗層、納米結構塗層、黃色三氧化二鋁化學塗層、白色鋯塗層、高鋁含量TiAlN塗層、TiSiN塗層、CrSiN塗層、AlCrSiN塗層、TiBON塗層等大量新型塗層呈現多樣化和系列化的趨勢，使硬質合金材料新牌號層出不窮，大大提高了硬質合金刀具的切削加工性能。
瑞典山高(SECO)公司繼兩年前推出TP1000、TP2000、TP3000三個高性能ISO-P類硬質合金塗層牌號後，新推出了號稱「新行業標准」的TP2500通用型ISO-P類硬質合金塗層新牌號，它是在山高公司新一代Triple-Zero基體材質上，採用了被稱為DurAtomic的塗層技術而形成的全新的硬質合金塗層牌號。DurAtomic塗層的a-Al2O3由原子長成，與通常的CVD塗層所生成的a-Al2O3相比，DurAtomic塗層具有更高的耐磨性和韌性。TP2500被設計成普通鋼件車削(ISOP15～P30)的首選牌號，也可作為ISOM20和ISOK30的補充牌號。據山高公司技術人員介紹，新的TP2500刀片可提高加工效率50%以上，提高刀具壽命300%以上。
德國藍幟金屬加工技術集團倍銳特公司(LMT-BOEHLERIT)利用中溫化學塗層技術開發出了「黃色氧化鋁復合塗層」技術，結合該公司新開發的Durotec齒狀過渡層技術，使黃色氧化鋁塗層和過渡層間在具有極好的粘合性的同時，又具有良好的散熱性，並推出了SteeltecLC215K和LC225K系列刀片牌號。SteeltecLC215K在切削鋼材時可以達到300m/min以上的切削速度，刀片壽命比現有其它刀片提高了30%。而SteeltecLC225K則在LC215K的基礎上進一步提高了刀片的韌性，使刀片使用壽命在原有的基礎上又延長了30%。
納米結構塗層(Nanocoating)技術迅速發展的塗層新技術，其塗層材料的晶粒度一般都在100nm以下，具有良好的切削性能。這次展會上，國內、外多家公司都有納米結構塗層新牌號推出。日本住友電工硬質合金株式會社推出的超級ZX塗層牌號(ACP200、ACP300、ACK300和AC530U)，採用了相互交疊的總層數達1000層的超薄TiAlN與AlCrN納米級塗層，每層塗層的厚度約為10納米，大幅度提高了塗層表面的硬度和抗氧化性。與傳統的TiAlN塗層相比，超級ZX塗層的硬度提高了40%，開始氧化溫度也提升了200℃，從而提高刀具的加工效率1.5倍；在相同切削條件下，提高刀具壽命2倍。推出納米結構塗層新牌號的還有日本日立株式會社，該公司新推出的納米塗層ATH、ACS系列牌號與通常的TiAlN(PVD)塗層牌號相比，具有更高的硬度和耐氧化性，其耐氧化溫度達到1100℃，顯微硬度達到3600HV，可適用於從預硬鋼到淬火鋼的高速乾式切削加工。株洲鑽石切削刀具股份有限公司新推出的納米結構nc-TiAlN塗層新牌號(YBG102、YBG202、YBG302和YBG203)是在超細晶粒硬質合金基體表面塗覆2～4μm的納米TiAlN，該系列牌號覆蓋了鋼、不銹鋼、鑄鐵、耐熱合金、高溫合金、鈦合金等大多數材料的車削和銑削加工，具有廣泛的適應性。 在塗層中，通過晶粒細化技術來提高塗層表面光潔度，使塗層表面光滑，以提高塗層刀具抗摩擦、抗粘結的能力也是塗層技術發展的一個方向。日本三菱綜合材料株式會社推出的高效加工鋼材的專利技術UC6110超級塗層硬質合金牌號，前刀面為由抑制結晶生長的細至納米級的TiCN與抑制結晶生長的納米級三氧化二鋁構成的納米結構CVD塗層，具有極高的韌性和超強的耐磨損性，外表面為一層黃色的特殊Ti金屬化合物，使塗層表面平滑化。後刀面為黑色的超平滑塗層，以確保刀具磨損的穩定性。住友電工硬質合金株式會社新推出的超級FF塗層牌號(AC410K、AC610M、AC630M、ACP100、ACK200)，是在專用的硬質合金基體上，塗覆超細晶粒的TiCN，提高了塗層與基體的結合力，再在其上塗覆超細超平滑化的FF鋁基膜，使表面硬度提高了30%，表面粗糙度降低了50%，與通常的材質相比，可提高加工效率1.5倍，提高刀具壽命2倍以上。
從這次展會所推出的硬質合金刀具材料新牌號可以看出，當前硬質合金刀具材料牌號正向著兩個相反的方向發展，一方面，通用型牌號的適用面越來越廣，通用性越來越強。另一方面，專用型牌號越來越具有針對性，更加適應被加工材料和切削條件，從而達到提高切削效率的目的。如：美國Kennametal公司推出的新的KU系列(KU10T、KU25T、KU30T)牌號就具有非常廣泛的通用性。其中，KU10T和KU25T採用了具有高韌性的和高耐磨性的硬質合金基體，並配以高含鋁量的TiN+TiAlN復合PVD塗層；而KU30T則採用了韌性極好的富鈷層梯度硬質合金基體，配以TiN+TiCN+TiN復合CVD塗層。新的KU系列牌號可廣泛適用於鋼、不銹鋼、鑄鐵、非鈦合金、高溫合金和硬材料的車削、鏜孔、切槽、切斷和螺紋加工。該公司新推出的KC5510和KC5525則是專為高效率加工高溫合金而設計的牌號，晶粒細化的高鈷硬質合金基體，配以高性能的TiAlNPVD塗層，使刀片具有極強的抗熱變形能力，可以比其它PVD塗層刀具提高兩倍以上的切削速度。日本Tungaloy超硬工具株式會社推出的T6000系列牌號(T6020、T6030)，則是專為不銹鋼車削加工開發的CVD牌號。ISCAR公司推出的專用於高速銑削加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵的DO-TEC塗層牌號(DT7150)，採用了Al2O3-MTCVD內塗層加TiAlNPVD外塗層的復合塗層技術，具有極高的耐磨性及抗剝落性。
從本次展會可以看到，金剛石CVD塗層刀具的性能又有了進一步的提高，產品覆蓋了可轉位刀具和整體硬質合金刀具。廈門金鷺特種材料有限公司展出了新開發的「青霜」系列超細結晶金剛石塗層立銑刀。與通常的金剛石塗層相比，「青霜」系列金剛石塗層為超細結晶，平均粒度<1μm，塗層表面更加光滑，刀具壽命可提高20倍以上。日本OSG公司也展出了適用於石墨電極和銅電極加工的超微粒結晶金剛石塗層銑刀，結晶粒度為1μm，塗層厚度6～20μm，使刀具的刃口更加鋒利，減少切削中的粘結，降低了工件表面的粗糙度。美國SGS刀具公司則推出了非晶體的金剛石(AmorphousDiamond)塗層立銑刀，用以加工最具磨損特性的材料。刀具表面是沿著刀具曲面精確形成的晶瑩光滑的厚度約為1μm的非晶體金剛石薄膜，其最顯著的特點是使刀具在具有金剛石極高的抗磨損能力(表面硬度達60～90GPa)的同時，又具有光滑的刀具表面，降低了刀具表面與工件的摩擦，從而大大降低了切削溫度。此外，非晶體金剛石塗層的另一大特點是對刀具基體材質沒有特殊要求，可在任何材質的刀具基體表面塗覆，其塗覆溫度僅為150℃。據介紹SGS非晶體金剛石刀具可比AlTiN塗層刀具的壽命長6倍。

㈡ 如何提高硬質合金模具的耐磨性

大澤採用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝，以使模具材料的耐磨性、強度和韌性達到最佳的配合

㈢ 塗層刀具納米超薄膜塗層

塗層刀具技術的革新正在不斷推動製造業的進步。納米超薄膜塗層作為一種先進的工藝，其應用日益廣泛。據報道，日本某公司研發出一款高速強力型鑽頭，它採用了獨特的設計，基體由韌性優良的K類（WC+Co）硬質合金製成，然後在表面交互塗覆了多達1,000層的TiN和AlN超薄膜，每層厚度僅為2.5微米。這種塗層工藝顯著提升了鑽頭的抗彎強度和斷裂韌性，其硬度甚至可與CBN媲美，從而將刀具的使用壽命提高了約2倍。

該公司還展示了ZX塗層立銑刀，其塗層技術更為精細，超薄膜層數高達2,000層，每層僅1納米。在加工高硬度材料60HRC時，這種立銑刀的性能遠超TiCN和TiAlN塗層刀具。在CIMT2003第八屆中國國際機床展覽會上，瑞士公司展示的納米結構塗層（AITiN/SiN）立銑刀更是引人注目，其塗層硬度高達45GPa，即使在高溫氧化條件下（1100℃），仍表現出卓越的耐用性，使用壽命是TiN塗層的3倍，比TiAlCN塗層高出2倍之多。

除了這些高性能的塗層，還有如MoS2和DLC潤滑塗層這樣的特定功能塗層。MoS2塗層因其低摩擦系數（0.05），特別適合於絲錐和鑽頭等刀具，有助於改善排屑效果。而DLC塗層則能作為復合塗層的表面塗層，有效減少切屑的粘附，從而提高加工效率和刀具的持久性。

塗層刀具是在強度和韌性較好的硬質合金或高速鋼(HSS)基體表面上，利用氣相沉積方法塗覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物（也可塗覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而獲得的。塗層作為一個化學屏障和熱屏障，塗層刀具的構成減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，從而減少了月牙槽磨損。塗層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦因數小和熱導率低等特性，切削時可比未塗層刀具提高刀具壽命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1級，降低刀具消耗費用20%~50%。

㈣ 誰知道塗層硬質合金的分類及其的運用

塗層刀具是在強度和韌性較好的硬質合金或高速鋼(HSS)基體表面上，利用氣相沉積方法塗覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物(也可塗覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而獲得的。塗層作為一個化學屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學反應，從而減少了月牙槽磨損。塗層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、耐熱耐氧化、摩擦因數小和熱導率低等特性，切削時可比未塗層刀具提高刀具壽命3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1級，降低刀具消耗費用20%~50%。因此，塗層刀具已成為現代切削刀具的標志，在刀具中的使用比例已超過50%。目前，切削加工中使用的各種刀具，包括車刀、鏜刀、鑽頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可採用塗層工藝來提高它們的使用性能。
塗層刀具有四種：塗層高速鋼刀具，塗層硬質合金刀具，以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的塗層刀具。但以前兩種塗層刀具使用最多。在陶瓷和超硬材料刀片上的塗層是硬度較基體低的材料，目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上)，可減少刀片的崩刃及破損，擴大應用范圍。
塗層方法
目前生產上常用的塗層方法有兩種：物理氣相沉積(PVD) 法和化學氣相沉積(CVD) 法。前者沉積溫度為500℃，塗層厚度為2~5µm；後者的沉積溫度為900℃~1100℃，塗層厚度可達5~10µm，並且設備簡單，塗層均勻。因PVD法未超過高速鋼本身的回火溫度，故高速鋼刀具一般採用PVD法，硬質合金大多採用CVD法。硬質合金用CVD法塗層時，由於其沉積溫度高，故塗層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層(η相)，導致刀片脆性破裂。近十幾年來，隨著塗覆技術的進步，硬質合金也可採用PVD法。國外還用PVD/CVD相結合的技術，開發了復合的塗層工藝，稱為PACVD法(等離子體化學氣相沉積法)。即利用等離子體來促進化學反應，可把塗覆溫度降至400℃以下(目前塗覆溫度已可降至180℃~200℃)，使硬質合金基體與塗層材料之間不會產生擴散、相變或交換反應，可保持刀片原有的韌性。據報道，這種方法對塗覆金剛石和立方氮化硼(CBN)超硬塗層特別有效。
用CVD法塗層時，切削刃需預先進行鈍化處理(鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm，切削刃強度隨鈍圓半徑增大而提高)，故刃口沒有未塗層刀片鋒利。所以，對精加工產生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應採用PVD法。塗層除可塗覆在普通切削刀片上外，還可塗覆到整體刀具上，目前已發展到塗覆在焊的硬質合金刀具上。據報道，國外某公司在焊接式的硬質合金鑽頭上採用了PCVD法，結果使加工鋼料時的鑽頭壽命比高速鋼鑽頭長10倍，效率提高5倍。
金剛公司推出的各種新型塗層
塗 層 顏 色 硬 度HV 厚 度µm 摩擦系數 最高使用溫度℃ 說 明
ZrCN復合 蘭灰 2500 1-4 0.3 550 通用性強
TiN單層 金黃 2300 1-4 0.4 500 高性價比塗層
TiAlN復合 紫色 3200 1-4 0.5 800 通用性強
AlTiN復合 黑 3400 1-4 0.5 900 高速、高硬度加工
TiAlCrN 亞黑 3500 1-4 0.6 1000 特殊加工領域
TiCN漸層 灰黑 3000 1-4 0.4 400 高韌性通用塗層
CrN漸層 銀亮 2000 3-15 0.5 700 適用加工銅、鈦、模具
DLC 黑彩 1000~4000 0.5-2 0.05 400 適用於有色金屬、石墨、塑膠
塗層材料
塗層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學性能穩定、不與工件材料發生化學反應、耐熱耐氧化、摩擦因數低，以及與基體附著牢固等要求。顯然，單一的塗層材料很難滿足上述各項要求。所以硬質塗層材料已由最初只能塗單一的TiC、TiN、Al2O3，進入到開發厚膜、復合和多元塗層的新階段。新開發的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多層塗層與TiC、TiN、Al2O3等塗層的復合，加上新型的抗塑性變形基體，在改善塗層的韌性、塗層與基體的結合強度、提高塗層耐磨性方面有了重大進展。目前，又突破了在硬質合金基體上塗覆金剛石薄膜技術，全面提高了刀具的性能。
工藝最成熟和應用最廣泛的硬質塗層材料是TiN，但TiN與基體結合強度不及TiC塗層，塗層易剝落，且硬度也不如TiC高，在切削溫度較高時膜層易氧化而被燒蝕。TiC塗層有較高的硬度與耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐沖擊。TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優點，它在塗覆過程中可通過連續改變C、N的成份控制TiCN性質，並形成不同成份的多層結構，可降低塗層的內應力，提高韌性，增加塗層的厚度，阻止裂紋的擴展，減少崩刃。所以，目前生產的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推薦用於加工鋼料的GC4000系列刀片、中國株洲硬質合金廠生產的CN系列刀片、日本東芝公司的T715X和T725X塗層刀片中均有TiCN塗層成份。TiCN基塗層適於加工普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵等材料，用它加工工件時的材料切除率可提高2~3倍。
TiAlN、CrN、TiAlCrN是近幾年來開發的硬質塗層新材料。TiAlN塗層刀片已商品化。它的化學穩定性和抗氧化磨損性能好，用其加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳合金時的刀具壽命可比TiN塗層高3~4倍。此外，TiAlN塗層中如果有合適的鋁濃度，切削時在刀具前刀面和切屑的界面上還會產生一層硬質的惰性保護膜，該膜有較好的隔熱性，可更有效地用於高速切削。例如，美國Kennametal公司推出的H7刀片，系TiAlN塗層，是專為高速銑削合金鋼、高合金鋼和不銹鋼等高性能材料而設計的。CrN是一種無鈦塗層，適於切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料，化學穩定性好，不產生粘屑。TiAlCrN是一種梯度結構塗層，不僅具有高的韌性和硬度，而且摩擦因數也較小，適用於銑刀、滾刀、絲錐等多種刀具，切削性能明顯優於TiN。
德國某公司開發了Supernitride塗層系列，其中超級氮化鈦塗層有很高的含鋁量，可形成穩定的氧化層(氧化溫度達1000℃)，它比一般的TiAlN塗層更硬、更緻密、更耐高溫，適用於高速切削、乾式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高達58HRC以上的淬火鋼。
此外，納米超薄膜塗層工藝已日趨成熟。據報道，日本某公司推出了一種高速強力型鑽頭，它是在韌性好的K類(WC+Co)硬質合金基體上交互塗覆了1,000層TiN和AlN超薄膜塗層，塗層厚度約2.5µm。使用表明，該鑽頭的抗彎強度與斷裂韌性可大幅度提高，其硬度則與CBN相當，刀具壽命可提高2倍左右。該公司還開發出ZX塗層立銑刀，超薄膜鍍層數達2,000層，每層厚度約1nm，用該立銑刀加工60HRC的高硬度材料，刀具壽命遠高於TiCN和TiAlN塗層刀具。第八屆中國國際機床展覽會(CIMT2003)上，瑞士某公司推出的納米結構塗層(AITiN/SiN) 立銑刀，其塗層硬度為45GPa，氧化溫度1100℃，切削對比試驗表明，其壽命比TiN塗層立銑刀高3倍，比TiAlCN塗層立銑刀高2倍。除上述AITiN/SiN、TiAlCN新塗層外，還有特定功能的塗層，如MoS2、DLC潤滑塗層，其摩擦因數小(0.05)，適於塗覆絲錐、鑽頭等刀具，可改善排屑性能，或者作為復合塗層的表面塗層，減少切屑的粘結。