刀具涂層材料介紹 刀具涂層材料哪種好

1.金剛石、類金剛石（DLC）涂層

金剛石涂層是新型刀具涂層材料之一。它利用低壓化學氣相沉積技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上生長出一層由多晶組成的金剛石膜，用其加工硅鋁合金和銅合金等有色金屬、玻璃纖維等工程材料及硬質(zhì)合金等材料，刀具壽命是普通硬質(zhì)合金刀具的50～100倍。金剛石涂層采用了許多金剛石合成技術(shù)，最普通的是熱絲法、微波等離子法和DC等離子噴射法。通過改進涂層方法和涂層的粘結(jié)，已生產(chǎn)出金剛石涂層刀具，并在工業(yè)上得到了應用。

近年來，美國、日本和瑞典等國家都已相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉸刀、銑刀以及用于加工印刷線路板上的小孔金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭及各種可轉(zhuǎn)位刀片，如瑞典Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司的KCD25等牌號產(chǎn)品。美國Turchan公司開發(fā)的一種激光等離子體沉積金剛石的新工藝，用此法沉積金剛石，由于等離子場包圍整個刀具，刀具上的涂層均勻，其沉積速度比常規(guī)CVD法快1000倍。此法所成的金剛石涂層與基體之間產(chǎn)生真正的冶金結(jié)合，涂層強度高，可防止涂層脫落、龜裂和裂紋等缺陷。CemeCon公司具有特色的CVD金剛石涂層技術(shù)，2000年建立生產(chǎn)線，使金剛石涂層技術(shù)達到工業(yè)化生產(chǎn)水平，其技術(shù)含量高，可以批量生產(chǎn)金剛石涂層。

類金剛石涂層在對某些材料(Al、Ti及其復合材料)的機械加工方面具有明顯優(yōu)勢。通過低壓氣相沉積的類金剛石涂層，其微觀結(jié)構(gòu)與天然金剛石相比仍有較大差異。九十年代，常采用激活氫存在下的低壓氣相沉積DLC，涂層中含有大量氫。含氫過多將降低涂層的結(jié)合力和硬度，增大內(nèi)應力。DLC中的氫在較高的溫度下會慢慢釋放出來，引起涂層工作不穩(wěn)定。不含氫的DLC硬度比含氫的DLC高，具有組織均勻、可大面積沉積、成本低、表面平整等優(yōu)點，已成為近年來DLC涂層研究的熱點。美國科學家A.A.Voevodin提出沉積超硬DLC涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計為Ti-TiC-DLC梯度轉(zhuǎn)變涂層，使硬度由較軟的鋼基體逐漸提高到表層超硬的DLC涂層。這類復合涂層既保持了高硬度和低摩擦系數(shù)，又降低了脆性，提高了承載力、結(jié)合力及磨損抗力。日本住友公司推出了在硬質(zhì)合金刀片上涂覆金剛石DLC的DL1000涂層，用于切削鋁合金和非鐵金屬，抗粘結(jié)，能有效降低已加工表面的粗糙度。

經(jīng)過多年的研究表明：由于類金剛石涂層的內(nèi)應力高、熱穩(wěn)定性差及與黑色金屬間的觸媒效應使SP3結(jié)構(gòu)向SP2轉(zhuǎn)變等缺點，決定了它目前只能應用于加工有色金屬，因而限制了它在機加工方面的進一步應用。但是近年來的研究表明，以SP2結(jié)構(gòu)為主的類金剛石涂層(也稱為類石墨涂層)硬度也可達到20～40GPa，卻不存在與黑色金屬起觸媒效應的問題，其摩擦系數(shù)很低又有很好的抗?jié)裥?，切削時可以用冷卻劑也可用于干切削，其壽命比無涂層刀有成倍的提高，可以加工鋼鐵材料，因而引起了涂層公司、刀具廠家的極大興趣。假以時日，這種新型的類金剛石涂層將會在切削領(lǐng)域得到廣泛的應用。

2.立方氮化硼(CBN)涂層

CBN是繼人工合成金剛石之后出現(xiàn)的另一種超硬材料，它除了具有許多與金剛石類似的優(yōu)異物理、化學特性（如超高硬度，僅次于金剛石，高耐磨性，低摩擦系數(shù)，低熱膨脹系數(shù)等）外，同時還具有一些優(yōu)于金剛石的特性。CBN對于鐵、鋼和氧化環(huán)境具有化學惰性，在氧化時形成一薄層氧化硼，此氧化物為涂層提供了化學穩(wěn)定性，因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時耐熱性也極為優(yōu)良，在相當高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、淬火鋼、鈦合金等,并能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對刀具磨損非常嚴重的硅鋁合金等難加工材料。

自1987年Inagawa等成功地制備了出純的CBN涂層以來，在國際上掀起了CBN硬質(zhì)涂層的研究熱潮。低壓氣相合成CBN涂層的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化學輸運PCVD，熱絲輔助加熱PCVD，ECR－CVD等；PVD則有反應離子束鍍、活性反應蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。研究結(jié)果表明：在合成CBN相、對硬質(zhì)合金基體的良好粘結(jié)和合適的硬度等方面已取得了進展，目前沉積在硬質(zhì)合金上的立方氮化硼最大僅為0.2～0.5μm，若想達到商品化，則必須采用可靠的技術(shù)來沉積高純的經(jīng)濟的CBN涂層，其厚度應在3～5μm，并在實際金屬切削加工中證實其效果。

3.CNx涂層

二十世代八十年代，美國科學家Liu和Cohen設(shè)計了類似β-Si3N4新型化合物β-C3N4，采用固體物理和量子化學理論，計算出它的硬度可能達到金剛石，這引起了世界各國科學家的關(guān)注。合成氮化碳成為世界材料科學領(lǐng)域的熱門課題。日本Okayama大學的FFujimoto采用電子束蒸發(fā)離子束輔助沉積法獲得的氮化碳涂層達到63.7Gpa。武漢大學合成的氮化碳硬度分別達到50GPa，并沉積到高速鋼麻花鉆上，獲得非常好的鉆孔性能。合成氮化碳的主要方法有真流和射頻反應濺射法、激光蒸發(fā)和離子束輔助沉積法ECR－CVD法、雙離子束沉積法等。