第36卷第1期2008年3月稀有金属与硬质合金RareMetalsandCementedCarbidesVol.36　№.1

Mar.　2008

·专题论述·

硬质合金涂层刀具研究进展张文毓(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471039) 摘　要:在概述硬质合金刀具基本情况的基础上,介绍了硬质合金涂层刀具的研究现状、涂层方法、涂层类型和工艺,

以及多元、复合涂层材料应用等方面的情况,并对硬质合金涂层刀具的发展方向进行了展望。 关键词:硬质合金;涂层;刀具;研究进展 中图分类号:TG711 文献标识码:A 文章编号:100420536(2008)0120059205

LatestDevelopmentofCoatedCementedCarbideToolsZHANGWen2yu(LuoyangShipMaterialResearchInstitute,Luoyang471039,China)Abstract:Briefdescriptionismadeofthecementedcarbidetoolsgeneralsituation,latestdevelopment,coat2ingmethodandcategoryofthecementedcarbidecoatingtoolsaswellastheapplicationsofmulti2elementandcompositecoatingmaterials.Itsprospectoffuturedevelopmentispredicted.Keywords:cementedcarbide;coating;tool;latestdevelopment

硬质合金由难熔金属硬质化合物和金属粘结剂经粉末冶金方法而制成,其硬度(HRA)为89～94,远远高于高速钢;在540℃时硬度(HRA)为82～87,与高速钢常温时的硬度(HRA83～86)相当,同时还具有化学稳定性好、耐热性高等优点。目前供使用的刀具材料品种虽然很多,新型的刀具材料也不断出现,但硬质合金仍是很受欢迎的一种刀具材料。据报道,有的国家90%以上的车刀、55%以上的铣刀都采用了硬质合金制造,而且这种趋势还在增加。同时,硬质合金还是制造钻头、端铣刀等通用刀具的常用材料。此外,加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具和铰刀、立铣刀、拉刀等复杂刀具使用硬质合金的也日益增多。我国常用的硬质合金为碳化钨(WC)基硬质合金。随着生产发展的需要,近些年来,又推出了碳化钛(TiC)基硬质合金、超细晶粒硬质合金、表面涂层硬质合金等新品种[1]。在刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜(如TiC,TiN,A12O3等)的涂层刀具,结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点,降低了刀具与工件之间的摩擦因数,提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。因此,涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性,延长了刀具的寿命,这是切削刀具发展的又一次革命。

1　硬质合金刀具概况硬质合金产品按其特征和用途可分为切削刀片、矿用合金、耐磨异型产品三大类,其中切削刀片约占45%,矿用合金约占19%,耐磨异型产品约占36%[2]。在我国的硬质合金产品中,切削工具用硬质合金约占27%,年产量约3400t,其中焊接刀片和可转位刀片分别约为2600t和800t。切削工具用硬质合金的高档高附加值产品是高性能高精度研磨涂层刀片,据统计,我国目前市场的年流通量约250t,

收稿日期2623;修回日期22作者简介张文毓(682),女,学士,高级工程师,从事钛及其合金研究及有关技术信息工作。:200701:20071024

:19稀　有　金　属　与　硬　质　合　金第36卷其中国产约120t,进口约130t。从我国市场切削工具用硬质合金的产品结构来看,机加工的生产规模很大,但加工技术和装备的整体水平不高[3]。据不完全统计,近年来国内10多家硬质合金企业先后开发出30多种深加工产品,主要有可转位精磨刀片、涂层刀片、可转位刀具、焊接刀具、矿用钎头、镶套拉拔模、铰刀、螺旋立铣刀、玉米铣刀、钻头、自动车刀、轧辊、顶锤、圆片切刀、锯片铣刀等[4]。2　硬质合金涂层刀具研究现状2.1　涂层硬质合金涂层硬质合金发展迅速,其产量大幅度增加,应用范围不断扩大,已成功地应用于铣削等重要加工工具。目前涂层硬质合金刀片产量已占切削刀片总产量的一半以上,一些先进厂家涂层刀片已占可转位刀片的85%以上。目前,涂层硬质合金已由早期的TiC(1969年)、TiN(1971年)、Al2O3(1972年)等单涂层发展到TiC2TiN,TiCN2TiN等双涂层及TiC2TiN2Al2O3等三涂层,最多的可达13层涂层(如联邦德国的Widalon刀片)。同时,涂层材质也有了新的发展,金钢石涂层、立方氮化硼涂层等超硬涂层及其他新涂层也已出现并得到应用,如日本住友电工的非晶体金刚石涂层产品。当然,不同涂层其性能和特点也不相同,而对于不同的涂层最好采用与其匹配的硬质合金基体,以便获得良好的使用性能。瑞士PLATIT公司推出的最新涂层有:TiAlN单层、TiAlN多层、TiCN2MP(高韧性通用涂层)、MOVIC(MoS2基涂层)、CrN、TiAlCN、CBC(DLC,润滑涂层)、GRADVIC(TiAlCN+CBC)、AlTiN、AlTiN/SiN等。20世纪90年代中期开发成功的(Ti,Al)N涂层硬质合金刀具对高速切削加工和高硬材料加工作出了重要贡献,但这些涂层在抗高温扩散性能、润滑性能等方面还不够理想。不久前,日本成功研发了号称跨世纪水平的CrSiN、TiSiN、TiBON等新型刀具涂层材料[5]。日本的岛顺彦等开发了添加B、O元素的Ti2BON系列涂层材料,与(Ti,Al)N涂层相比,其涂层刀具的前刀面在高温下铁元素扩散极少,显示出优良的润滑性能,切屑不粘刀;在富氧氛围中使用T2BON涂层硬质合金刀具时,涂层的润滑效果更为显著,延长了刀具使用寿命,这是因为在富氧氛围中生成的氧化物具有良好润滑性能。这种利用富氧氛围生成氧化物以消除或减少粘刀,延长刀具寿命和提高加工质量的方法适用于钛合金及718镍铬铁耐热合金的切削加工。在富氧氛围和不加冷却液条件下,用TiBON涂层硬质合金立铣刀加工718镍铬铁耐热合金时,取得了改善粘刀和减少刀具磨损的良好效果。2.2　涂层基体材料在涂层基体方面,不仅有各种专用涂层基体,而且日本、瑞典等国还开发出带富钴层的涂层基体,从而明显地提高了涂层合金的强度和使用性能,扩大了涂层合金的应用范围。改善涂层基体合金成分和组织有不同方法,其一是使基体表面形成梯度组织,即合金基体表面是一个实际上没有立方碳氮化物相的粘结相富集层,基体的成分(质量分数,下同)为:1.69%TiC、1.28%TiN、1.21%TaC、0.77%NbC、7.5%Co,余为WC;其二是采用富钨粘结相。多项专利表明,用于球墨铸铁及灰口铸铁、不锈钢和中、低合金钢的断续车削及铣削加工,以及上述材料的铸件、锻件、热轧及冷轧坯料表面加工的涂层刀片,其基体以采用高钨合金化的粘结相比较有利。加工铸钢、铁锻件外皮及铣削时,基体不加TiC,且TaC+NbC的含量低于2%,其中NbC含量低于0.3%。加工球墨铸铁(包括断续车削)时,则用单一的WC2Co合金作基体。加工低合金钢及不锈钢(包括锻件及断续车削)则一般加入含量低于3%的TiC及3%左右的TaC[6]。涂层与合金基体之间的结合强度是制约涂层刀具使用寿命的关键因素。涂层必须与合适的基体相结合才能达到预期的性能。比如说,具有较高红硬性的耐磨基体通常为细晶低钴的碳化钨基合金,并通常加入少量的TiC、TaC和NbC,使基体具有更高的抗变形能力。粗晶、高钴合金和通过热处理或添加Ru、Zr,使粘结相性能得以改善的合金也具有较高的韧性。为了尽可能防止由于裂纹扩展而导致的材料失效,并有利于获得高性能的硬质合金切削工具材料,可对基体进行梯度处理,使涂层基体表面区域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域,此区域的粘结剂含量高于涂层基体的名义粘结剂含量;当涂06i　第1期张文毓:硬质合金涂层刀具研究进展层中形成的裂纹扩展到该区域时,由于其良好的韧性,可以吸收裂纹扩展的能量,因而能够有效地阻止裂纹向合金内部扩展,提高硬质合金切削工具的使用性能。目前,这种具有梯度结构基体的涂层刀片在我国已有研究,并已在部分硬质合金企业形成了产品[7]。3　硬质合金刀具的涂层方法、种类和工艺3.1　涂层方法目前硬质合金刀具涂层的方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主,这两种方法比较突出的问题是涂层与基体间的结合强度低,涂层容易剥落,这样就使涂层不能做得太厚,而涂层一旦被磨掉,刀具就会迅速磨损。近年来,已有一些新的涂层方法出现,如等离子辅助化学气相沉积(PACVD)、中温化学气相沉积(MTCVD)、溶胶2凝胶(Sol2Ge1)法、高速氧2燃气热喷涂(HVOF)、真空阴极电弧沉积(VCAD)等方法[8]。在韧性较好的硬质合金基体上,通过CVD、PVD、HVOF等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物,可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能。3.2　涂层种类自20世纪70年代以来,涂层材料已从单一涂层(TiC、TiN)经历了TiC2Al2O32TiN多层涂层和TiCN、TiA1N、A1TiN等多元复合涂层发展阶段,发展到了TiN/NbN、TiN/CN等多元复合薄膜纳米涂层材料。近年还出现了金刚石涂层、立方氮化硼(CBN)涂层、软涂层(MoS、WS)以及硬软组合涂层,使涂层刀具切削性能大大提高[9]。硬质合金涂层种类从单一化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展,涂层层数也从几层增加到十几层的多层涂层,而多元复合涂层、多元复合纳米涂层、金刚石涂层、CBN涂层将是未来涂层刀具的发展方向。3.3　涂层工艺3.3.1　化学涂层化学气相沉积(CVD)涂层仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,现今开发了中温VD、厚膜O3和过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使VD涂层的耐磨性和韧性都得到提高。CVD金刚石涂层也不断取得进展,使涂层表面光洁度提高,并已进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。CVD的Al2O3涂层的工业产品大都呈织构组织。这种涂层刀具可用于各种金属材料的加工,如钢、低碳钢、低合金钢、不锈钢、铸铁的车削、铣削和钻削加工[6]。研发一种粘着力好、外表平滑、有一定厚度,并且内聚力好、组织缺陷少以及厚度均匀的细晶Al2O3涂层的工艺方法,近十多年来一直是Al2O3

CVD工艺开发的重点之一。采用等离子活化CVD