涂层硬质合金成分体系

随着数控机床的发展和难加工材料的出现，传统刀具已无法满足现代制造业对提高效率和降低成本的要求。涂层硬质合金具有高硬度、优良的耐磨性和较长的寿命，推动着数控刀具的快速发展。涂层硬质合金材料主要包括涂层和硬质合金基体两部分。涂层的过程是物理化学反应并生成薄膜的过程，基体的性能和表面状态应满足涂层条件，涂层与合适的基体向配合才能实现预期的性能。

根据硬质合金涂层刀片的服役环境及失效分析可知，当硬质涂层与硬基体（钨钛钴类硬质合金）结合时，在冲击载荷作用下，由于基体的韧性较差，涂层中产生的裂纹容易向基体内扩展，使刀片产生崩刃破损而失效。当硬质涂层与软基体（钨钴类硬质合金）结合时，在切削力的作用下，由于基体抗塑性变形的能力较差，涂层壳体容易产生破裂，引起涂层失效。

作为切削工具所采用的硬质合金，其代表性材料有：A.WC-Co类（钨钴类）硬质合金；B.WC-TiC(N)-Co类（钨钛钴类）硬质合金；C.在上述两种材料表面涂覆了硬质薄膜的涂层硬质合金。

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。涂层硬质合金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。

实践证明，在韧性较好的硬质合金表面沉积一层极薄的耐磨层，即涂层硬质合金，它能较好地解决硬质合金的耐磨性与韧性之间的矛盾。

硬质合金涂层基体一般应满足一下要求：

1.有良好的韧性和抗塑性变形能力；

2.有足够高的硬度和强度，尤其是高温硬度和强度；

3.化学成分应与涂层材料相匹配，相互之间能粘结牢固；

4.在高的沉积温度下不受损害；

5.热膨胀系数与涂层材料相近；

6.有良好的导热性。

在硬质合金表面通过物理、化学、等离子体气相沉积等方法涂覆单层或多层碳化物、氮化物、氧化物等难容硬质合金化合物，可大幅度提高硬质合金工具的性能和使用寿命。涂层硬质合金具有很高的室温和高温硬度、良好的抗氧化性、抗月牙洼磨损性能、较小的摩擦系数、被加工件表面粗糙度低、工具使用寿命长等一系列优点。因此，这类合金发展极其迅速，合金品种、产量不断增加，应用范围不断扩大。

涂层硬质合金具有下述优点：

涂层的硬度高（TiC-2800HV30, TiN-2100HV30）,耐磨性好，能减少刀具前刀面上的月牙洼磨损和后刀面磨损，提高刀具耐用度。

涂层刀片比非涂层刀片的切削速度提高25%-30%，在相同切削速度下，刀片寿命可延长1-3倍。

可减少黏刀现象，不易生成积屑瘤。

刀片与工件之间的摩擦系数小，可降低切削力10%-15%。

同一涂层刀片可同时用于精车和半精车，能代替两种不同牌号的非涂层刀片。

硬质合金涂层的优点： 涂层硬质合金刀片一般均制成可转位的式样。用机夹方法装卡在刀杆或刀体上使用。它具有以下优点：

1)由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，故与未涂层硬质合金相比，涂层硬质合金允许采用较高的切削速度，从而提高了加工效率；或能在同样的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。

2)由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小，故与未涂层刀片相比，涂层刀片的切削力有一定降低。

3)涂层刀片加工时，已加工表面质量较好。

4)由于综合性能好，涂层刀片有较好的通用性。一种涂层牌号的刀片有较宽的适用范围。

这是现代硬质合金研制技术的重要进展。1969年，西德克虏伯公司和瑞典山特维克公司研制的TiC涂层硬质合金刀片初次投入市 场。1970年后，美国、日本和其他国家也都开始生产这种刀片。三十余年来，涂层技术有了很大的进展。涂层硬质合金刀片由第一代、第二代已发展到第三代、第四代产品。

硬质合金涂层最常用的方法是高温化学气相沉积法(简称HTCVD法)，是在常压或负压的沉积系统中，将纯净的H2、CH4、N2、TiCl4、 AlCl3、CO2等气体或蒸气，按沉积物的成分，将其中的有关气体，按一定配比均匀混合，依次涂到一定温度(一般为1000℃～1050℃)的硬质合金 刀片表面，即在刀片表面沉积TiC、TiN、Ti(C，N)或Al2O3或它们的复合涂层。反应方程式概括如下：TiCl4 CH4 H2TiC 4HCl H2TiCl4 ½N2 2H2TiN 4HClTiCl4 CH4 ½N2 H2→Ti(CN) 4HCl H22A1Cl3 3CO2 3H2→Al2O3 3CO 6HCl用PCVD(等离子体化学气相沉积)法在硬质合金刀片表面进行涂层也得到应用，因涂层工艺温度较低(700°～800°)，故刀片的抗弯强度降低的幅度较小，对铣刀片比较适宜。

涂层前，基体刀片表面须净化，切削刃部位应钝化。涂层后，因涂层材料与基休材料的线膨胀系数存在差异，故涂层刀片表面不可避免地产生残余张应力而使刀片抗弯强度降低。通常用TiC薄层先涂在基体表面上，因TiC的线膨胀系数与基体材料最接近；外面再涂TiN、Al2O3等。过去，单涂层材料均用 TiC，双层涂层材料多用TiC/TiN、TiC/Al2O3等，三层涂层材料多用TiC/Ti(C，N)/TiN、Tic/Al2O3/TiN等。近 年，随着基体材料的改进，涂层材料也有用TiN垫底的，即TiN/TiC/TiN等涂层材料还有HfN、MoS2等。2100433B