数控刀具材质及应用

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1、数控刀具材质与应用王以任2011-12-2目录n n简介n n刀具材料分类n n内容 硬质合金刀片硬质合金刀片表面涂层表面涂层l lPVDPVD涂层刀片涂层刀片l lCVDCVD涂层刀片涂层刀片金属陶瓷刀片金属陶瓷刀片非金属陶瓷刀片非金属陶瓷刀片超硬材料刀片超硬材料刀片简介n n刀具材料的发展简史刀具材料的发展简史 人类发展的历史也是人类使用工具的历史。人类发展的历史也是人类使用工具的历史。在远古时代所谓的切削是指在远古时代所谓的切削是指“去除加工去除加工”，以石，以石头为工具。随后发展了青铜和铁制工具。头为工具。随后发展了青铜和铁制工具。 现代的切削工具材料经历了从碳素工具钢到现代的切削工具

2、材料经历了从碳素工具钢到高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷刀具和高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷刀具和超硬刀具材料的一百多年的发展历史。超硬刀具材料的一百多年的发展历史。刀具材料分类现代切削刀具材料工具钢高速钢硬质合金陶瓷超硬材料普通硬质合金涂层硬质合金非金属陶瓷金属陶瓷PVDCVDCBNPCD碳素工具钢合金工具钢刀具材料分类1.硬质合金刀片硬质合金 硬质合金是指由一种或多种难熔金属的碳化物（如碳化钨、硬质合金是指由一种或多种难熔金属的碳化物（如碳化钨、碳化钛等）作为硬质相，用金属粘结剂作为粘结相，经粉碳化钛等）作为硬质相，用金属粘结剂作为粘结相，经粉末冶金技术制造的材料。末冶金技术制造

3、的材料。 作为切削刀具用的硬质合金，常用的碳化物有碳化钨作为切削刀具用的硬质合金，常用的碳化物有碳化钨（WCWC）、碳化钛（）、碳化钛（TiCTiC）、碳化钽（）、碳化钽（TaCTaC）、碳化铌）、碳化铌（NbCNbC）等，常用的粘结剂有钴（）等，常用的粘结剂有钴（CoCo）、镍（）、镍（NiNi）、铁）、铁（FeFe）。硬质合金的强度主要取决于钴的含量。由于硬质）。硬质合金的强度主要取决于钴的含量。由于硬质合金具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温和膨合金具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温和膨胀系数小等优点，因此在工业部门中得到了越来越广泛的胀系数小等优点，因此在工业部门中得到了

4、越来越广泛的应用，已成为最优良的工具材料之一。应用，已成为最优良的工具材料之一。分类与性能硬质合金的种类很多，其分类主要有二种：硬质合金的种类很多，其分类主要有二种：1 1按使用条件，即被切削材料分类；按使用条件，即被切削材料分类；2 2按成分分类。按成分分类。 根据被切削材料种类的分类。国际标准化组织根据被切削材料种类的分类。国际标准化组织（ISOISO）根据）根据ISO513-1975ISO513-1975（E E）规定，切削用硬质）规定，切削用硬质合金按用途分为合金按用途分为P P、K K、M M三类：三类：P P类主要用于加工类主要用于加工钢件，包括铸钢；钢件，包括铸钢；K K类主要用

5、于加工铸铁、有色金类主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料；属和非金属材料；M M类用于加工钢（包括奥氏体钢、类用于加工钢（包括奥氏体钢、锰钢等）及铸铁、有色金属等。锰钢等）及铸铁、有色金属等。分类与性能根据成分分类。我国常用硬质合金按其化学成分及根据成分分类。我国常用硬质合金按其化学成分及用途可分为三类：用途可分为三类：1 1钨钴类（钨钴类（WC-CoWC-Co）硬质合金；这类硬质合金的硬质相是）硬质合金；这类硬质合金的硬质相是WCWC，粘结相是，粘结相是CoCo，其代号为，其代号为YGYG，相当于，相当于ISOISO标准的标准的K K类。类。2 2钨钛钴类（钨钛钴类（WC-WC-TiCTi

6、C-Co-Co）硬质合金；这类硬质合金的硬质）硬质合金；这类硬质合金的硬质相除相除WCWC外，还加有外，还加有TiCTiC，粘结相也是，粘结相也是CoCo，其代号为，其代号为YTYT，相，相当于当于ISOISO标准的标准的P P类。类。3 3钨钛钽（铌）钴类（钨钛钽（铌）钴类（WC-WC-TiC-TaCTiC-TaC（NbCNbC）-Co-Co）硬质合金；）硬质合金；这类硬质合金是在这类硬质合金是在YTYT合金成分中添加有合金成分中添加有TaCTaC（NbCNbC）而成，）而成，其代号为其代号为YWYW，相当于，相当于ISOISO标准的标准的M M类。类。分类与性能应用 硬质合金的应用主要有三

7、大领域，即切削刀具、矿用刀片和异型材料；各类硬质合金因其成分和性能的不同，有着不同的应用领域。n nWC-CoWC-Co硬质合金硬质合金 WC-CoWC-Co（YGYG）类硬质合金主要用于加工铸铁、有）类硬质合金主要用于加工铸铁、有色金属和非金属材料。色金属和非金属材料。 YGYG类合金有较高的抗弯强度和冲击韧性（与类合金有较高的抗弯强度和冲击韧性（与YTYT类比较），这可减小切削时的崩刃。类比较），这可减小切削时的崩刃。 YGYG类合金的导热性较好，有利于切削热从刀尖类合金的导热性较好，有利于切削热从刀尖散走，降低刀尖温度，避免刀尖过热软化。散走，降低刀尖温度，避免刀尖过热软化。 加工有色金

8、属及其合金时，由于在熔化温度下加工有色金属及其合金时，由于在熔化温度下有色金属及其合金不会与有色金属及其合金不会与WCWC产生熔解或熔解速度非产生熔解或熔解速度非常慢，即使在熔化温度下也不产生化学相互作用，常慢，即使在熔化温度下也不产生化学相互作用，因此，因此，YGYG类合金能成功地加工有色金属及其合金。类合金能成功地加工有色金属及其合金。n nWC-TiC-Co硬质合金 WC-TiC-Co（YT）类硬质合金适于加工塑性材料如钢材。 YT类合金具有较高的硬度，特别是有较高的耐热性，在高温时的硬度和抗压强度比YG类合金高，抗氧化性能好。另外，在加工钢材时，YT类合金有很高的耐磨性。 YT类硬质合

9、金的导热性较差，切削时传入刀具的热量较少，大部分的热量集中在切屑中，切屑受强热后会发生软化，因而有利于切屑过程的顺利进行。n nWC-WC-TaCTaC（NbCNbC）-Co-Co硬质合金硬质合金 在在WC-WC-TiCTiC-Co-Co硬质合金中加入适当的硬质合金中加入适当的TaCTaC，可提，可提高其抗弯强度（显著增加刀刃强度）、疲劳强度和高其抗弯强度（显著增加刀刃强度）、疲劳强度和冲击韧性，提高耐热性、高温硬度、高温强度和抗冲击韧性，提高耐热性、高温硬度、高温强度和抗氧化能力，提高其耐磨性，增加抗月牙洼磨损和抗氧化能力，提高其耐磨性，增加抗月牙洼磨损和抗后刀面磨损能力。后刀面磨损能力。

10、这类合金兼有这类合金兼有WC-WC-TiCTiC-Co-Co及及WC-WC-TaCTaC-Co-Co合金的大合金的大部分最佳性能，它既可用于加工钢料（主要用途），部分最佳性能，它既可用于加工钢料（主要用途），又可用于加工铸铁和有色金属，故常被称为通用合又可用于加工铸铁和有色金属，故常被称为通用合金（代号金（代号YWYW）。）。 这类合金通常用于加工各种高合金钢、耐热合这类合金通常用于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁、特硬铸铁等难加工材料。金和各种合金铸铁、特硬铸铁等难加工材料。 2.表面涂层涂层涂层表面工程技术的重要分枝表面工程技术的重要分枝 用以改变材料表面特性的技术，可以追朔到远古

11、，三千多年前中国的用以改变材料表面特性的技术，可以追朔到远古，三千多年前中国的大漆、二千多年前秦始皇墓中的青铜剑表面改性层大漆、二千多年前秦始皇墓中的青铜剑表面改性层( (秦始皇墓二号坑秦始皇墓二号坑出土的出土的1919把青铜剑光亮如新、锋利如初，经分析，表面有一层厚约为把青铜剑光亮如新、锋利如初，经分析，表面有一层厚约为l0uml0um的含铬的氧化层的含铬的氧化层) )就是明证。油漆、电镀、涂层这些古典防护技就是明证。油漆、电镀、涂层这些古典防护技术，随着科学技术的进步都在逐步的发展之中，而当电子束、离子束、术，随着科学技术的进步都在逐步的发展之中，而当电子束、离子束、激光束这些近代技术于激

12、光束这些近代技术于60607070年代进入表面技术领域，并发挥其特年代进入表面技术领域，并发挥其特有的功能，则使表面技术发生了飞跃的进步，既推动了许多工业部门有的功能，则使表面技术发生了飞跃的进步，既推动了许多工业部门的飞速发展，又形成了自己的体系，的飞速发展，又形成了自己的体系，8080年代初出现了表面工程的新概年代初出现了表面工程的新概念，当时的英国热处理学会，念，当时的英国热处理学会，l 984l 984年更名为热处理与表面工程学会，年更名为热处理与表面工程学会，出版了第一本国际性的表面工程杂志，有关表面改性、薄膜、涂层、出版了第一本国际性的表面工程杂志，有关表面改性、薄膜、涂层、表面工

13、程的学术会议、像雨后春笋，蓬勃发展，国际上出现了表面工表面工程的学术会议、像雨后春笋，蓬勃发展，国际上出现了表面工程研究热潮，表面工程技术成为程研究热潮，表面工程技术成为8080年代世界上年代世界上1010项关键技术之一，项关键技术之一，进入进入9090年代，其发展势头渐进，各国竞相把表面工程列入研究发展规年代，其发展势头渐进，各国竞相把表面工程列入研究发展规划。划。涂层定义 涂层可定义为用物理的、化学的、或者其他方法，在金属或非金属基体表面形成的具有一定厚度、不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层。 上述涂层定义涉及下列应搞清楚的问题。 (1）涂层应有“一定厚度”，这个厚度是

14、多少? (2)涂层是“不同于基体材料”的一个覆盖层，应是一种什么材料? (3)涂层是怎样形成的?即涂层形成机制如何? (4)涂层是如何“附着”在基体上，即涂层与基体的结合机制如何? (5)涂层要有的“一定功能”是什么功能? (6)涂层与表面改性是什么关系?涂层生长涂层的结构从晶体学角度观察，涂层结构可以分为无定形结构、多晶结构和单晶结构。无定形结构原子排列近程有序，最小结构单元无规则排列在一起。多晶结构薄膜由无规则取向的微晶粒组成。一般工艺条件下形成薄膜为多晶结构。单晶结构薄膜通常采用外延技术或在较高温度下在单晶衬底上形成。 由于膜生长初期和生长过程中受衬底表面状态、衬底温度及工艺参数影响，使

15、晶体结构包括晶粒取向、晶粒尺寸很不相同。甚至可形成亚结构及超结构。尤其是衬底温度以及镀膜后回火温度对结晶状态、晶粒尺寸影响最为显著。温度高、膜厚、晶粒尺寸大，无定型结构膜可以转变为结晶形。晶粒尺寸小，晶粒堆积密度高，结晶缺陷密度高，一般表现出硬度高，薄膜与衬底表面间的附着力好，化学性能稳定。 表面涂层涂层隔热耐磨原理Q tot2Q S2材料材料刀具刀具切屑切屑Q tot1Q S1Q W1v c1材料材料刀具刀具切屑切屑Q W2v c2涂层涂层Q tot1左：无涂层刀片右：涂层刀片QS2QS1, QW2QW1，热量传入切屑部分多对于非涂层合金，由于硬质合金有良好的导热性，更多的热能从接触区流入对

16、温度敏感的合金中，刀片的温度高，硬度下降，耐磨性差。较少的热残留于切屑中减小了它的变形能力，并使切屑较厚，温度低，硬度高，更难加工。涂层后，流入基体的热流受阻，更多的热残留于切屑中，温度高，硬度下降，切屑更易变形易于切除。流入合金中的热量少，刀片的温度低，硬度高，耐磨性好，因此寿命长。表面涂层涂层的作用涂层的作用 1)由于表层的涂层材料具有极高的硬度和耐磨性，故与末涂层硬质合金相比，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

17、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。表面涂层材料：材料：40CrMoMn40CrMoMnHB : 354HB : 354VcVc ：100 m/min100 m/minVfVf : 955 mm/min : 955 mm/min涂层效果举例涂层效果举例工具磨损对比工具磨损对比生产成本对比生产成本对比物理涂层n n物理涂层技术 PVD是利用某种物理过程，如物质的热蒸发或在受到粒子轰击时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到薄膜的可控转移的过程。 PVD涂层的沉积温度大约在300-500。PVD已经成功应用在整体旋转

18、刀具和精密可转位刀片物理涂层n nPVDPVD常用涂层物质常用涂层物质涂涂涂涂 层层层层颜色颜色颜色颜色硬度硬度硬度硬度GPaGPa摩擦系数摩擦系数摩擦系数摩擦系数( (对钢对钢对钢对钢) )最高使用最高使用最高使用最高使用温度温度温度温度主要应用领域主要应用领域主要应用领域主要应用领域TiNTiN金黄金黄金黄金黄23230.40.4600600低切速下的通用涂层低切速下的通用涂层低切速下的通用涂层低切速下的通用涂层TiCNTiCN蓝灰蓝灰蓝灰蓝灰30300.40.4400400中低切速下的通用涂层中低切速下的通用涂层中低切速下的通用涂层中低切速下的通用涂层TiAlNTiAlN紫黑紫黑紫黑紫黑

19、35350.40.60.40.6800800可用于加工难加工材料、干切削硬切削。可用于加工难加工材料、干切削硬切削。可用于加工难加工材料、干切削硬切削。可用于加工难加工材料、干切削硬切削。AlTiNAlTiN黑黑黑黑38380.70.7900900比比比比TiAlNTiAlN有更好的性能有更好的性能有更好的性能有更好的性能TiAlCNTiAlCN红紫红紫红紫红紫28280.250.25500500低切速下优于低切速下优于低切速下优于低切速下优于TiAlNTiAlN，高切速下优于，高切速下优于，高切速下优于，高切速下优于TiCNTiCN。AlCrNAlCrN蓝灰蓝灰蓝灰蓝灰32320.30.40

20、.30.410001000用于软材料用于软材料用于软材料用于软材料(HRC48(HRC48以下以下以下以下) )的铣削、滚齿。的铣削、滚齿。的铣削、滚齿。的铣削、滚齿。ZrNZrN白金白金白金白金26260.50.5550550适用于加工铝合金、铜合金及钛合金。适用于加工铝合金、铜合金及钛合金。适用于加工铝合金、铜合金及钛合金。适用于加工铝合金、铜合金及钛合金。CrNCrN银亮银亮银亮银亮18180.30.50.30.5700700适用加工铜合金及钛合金适用加工铜合金及钛合金适用加工铜合金及钛合金适用加工铜合金及钛合金AlTiN/SiNAlTiN/SiN紫蓝紫蓝紫蓝紫蓝45450.450.45

21、11001100纳米结构涂层，适用干切削、硬切削。纳米结构涂层，适用干切削、硬切削。纳米结构涂层，适用干切削、硬切削。纳米结构涂层，适用干切削、硬切削。WC/CWC/C黑灰黑灰黑灰黑灰10100.10.20.10.2300300做复合涂层的表层，降低摩擦系数。做复合涂层的表层，降低摩擦系数。做复合涂层的表层，降低摩擦系数。做复合涂层的表层，降低摩擦系数。物理涂层物理涂层物理涂层物理涂层物理涂层应用： 主要适用于整体刀具（铣削和钻头），铣削，螺纹加工，孔加工，切断、切槽加工，不锈钢和耐热合金的车削加工。物理涂层常用PVD涂层方法a:溅射镀膜b:电弧镀膜物理涂层刀片n nPVDPVD常用物质常用物

22、质PVD PVD TiNTiNMicrohardnessMicrohardness2200kg/mm2200kg/mm2 2适用于钢、不锈钢、高温合金及有色金属的车、铣、钻削、螺适用于钢、不锈钢、高温合金及有色金属的车、铣、钻削、螺纹加工。纹加工。PVD PVD TiCNTiCNMicrohardnessMicrohardness2600kg/mm2600kg/mm2 2适用于合金钢、奥氏体不锈钢的铣削；同时也适用于碳钢、合适用于合金钢、奥氏体不锈钢的铣削；同时也适用于碳钢、合金钢、不锈钢的精加工和半精加工。金钢、不锈钢的精加工和半精加工。PVD PVD TiAlNTiAlNMicrohard

23、nessMicrohardness2650kg/mm2650kg/mm2 2适用于钢、不锈钢、铸铁、高温合金、有色金属、淬硬材料的适用于钢、不锈钢、铸铁、高温合金、有色金属、淬硬材料的铣削，以及不锈钢、高温合金和有色金属的车削和镗削加工。铣削，以及不锈钢、高温合金和有色金属的车削和镗削加工。PVD PVD TiB2TiB2MicrohardnessMicrohardness2750kg/mm2750kg/mm2 2适用于有色金属的高速加工。适用于有色金属的高速加工。物理涂层刀片耐磨性耐磨性韧性韧性加工状况良好：加工状况良好：连续切削，高速切连续切削，高速切削，装夹稳固削，装夹稳固加工状况一般：

24、加工状况一般：各方向进给的成形车各方向进给的成形车削，锻造或铸造毛坯削，锻造或铸造毛坯件，工件装夹稳固件，工件装夹稳固加工状况恶劣：加工状况恶劣：断续车削，低速切削，断续车削，低速切削，重负荷，工件表面有重负荷，工件表面有硬皮，不稳固的装夹。硬皮，不稳固的装夹。3.化学涂层刀片CVD发展简史化学涂层刀片n nCVDCVD涂层技术涂层技术 利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物、单质气体，在衬底表面利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物、单质气体，在衬底表面上令其进行化学反应生成固体薄膜，称为化学气相沉积上令其进行化学反应生成固体薄膜，称为化学气相沉积(CVD)(CVD)薄膜。薄膜。 CVDCV

25、D的基本组成包括初始气源、加热反应室和废气处理排放系统。初的基本组成包括初始气源、加热反应室和废气处理排放系统。初始气体包括情性气体始气体包括情性气体( (如氩气和氖气如氩气和氖气) )、还原气体、还原气体( (如氢气如氢气) )以及各种反应气体以及各种反应气体( (如甲烷、二氧化碳、水蒸气、氨、氯气如甲烷、二氧化碳、水蒸气、氨、氯气) )。某些初始气体来源于在高温具有。某些初始气体来源于在高温具有高蒸气压的液体，如四氯化钛。这些液体被加热到合适的温度，再用载体高蒸气压的液体，如四氯化钛。这些液体被加热到合适的温度，再用载体( (如如氢气氢气) ) 把蒸气带入反应室。把蒸气带入反应室。 通常通

26、常CVDCVD的反应温度范围为大约的反应温度范围为大约90090020002000，它取决于沉积物的特，它取决于沉积物的特性。所谓中温性。所谓中温CVD(MTCVD)CVD(MTCVD)的典型反应温度大约的典型反应温度大约500500到到800800。它通常是。它通常是通过金属有机化合物在较低温度的分解来实现的。通过金属有机化合物在较低温度的分解来实现的。 通过气相反应的能量激活，也可以把反应温度降低；这类技术包括等通过气相反应的能量激活，也可以把反应温度降低；这类技术包括等离子体辅助离子体辅助CVD(PACVD)CVD(PACVD)或等离子体强化或等离子体强化CVD(PECVD)CVD(PE

27、CVD)以及激光以及激光CVD(LCVD)CVD(LCVD)。这些名称已经表明，气相中的化学反应由于等离子体的产生。这些名称已经表明，气相中的化学反应由于等离子体的产生成者由于激光的照射而得以激活。成者由于激光的照射而得以激活。化学涂层刀片n n化学涂层炉化学涂层刀片n nCVDCVD常用涂层物质常用涂层物质 碳化钛碳化钛碳化钛碳化钛 是一种高硬度耐磨化合物，有着良好的抗摩擦磨损性能；是一种高硬度耐磨化合物，有着良好的抗摩擦磨损性能； 氮化钛氮化钛氮化钛氮化钛 硬度稍低，但却有较高的化学稳定性，并可大大减少刀具与被加硬度稍低，但却有较高的化学稳定性，并可大大减少刀具与被加工工件之间的摩擦系数。

28、从涂层工艺性考虑，两者均为理想的涂层材料，但工工件之间的摩擦系数。从涂层工艺性考虑，两者均为理想的涂层材料，但无论碳化钛或氮化钛，单一的涂层均很难满足高速切削对刀具涂层的综合要无论碳化钛或氮化钛，单一的涂层均很难满足高速切削对刀具涂层的综合要求。求。 碳氮化钛碳氮化钛碳氮化钛碳氮化钛( (TiCNTiCN) ) 在单一的在单一的TiCTiC晶格中，氮原子晶格中，氮原子(N)(N)占据原来碳原子占据原来碳原子(C)(C)在在点阵中的位置而形成的复合化合物，点阵中的位置而形成的复合化合物，TiCxNyTiCxNy中碳氮原子的比例有两种比较理中碳氮原子的比例有两种比较理想的模式，即想的模式，即TiC

29、0.5N0.5TiC0.5N0.5和和TiC0.3N0.7TiC0.3N0.7。由于。由于TiCNTiCN具有具有 TiCTiC和和TiNTiN的综合的综合性能，其硬度性能，其硬度( (特别是高温硬度特别是高温硬度) )高于高于 TiCTiC和和TiNTiN，因此是一种较理想的刀具涂，因此是一种较理想的刀具涂层材料。层材料。 氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝(Al2O3) (Al2O3) 在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上，没有任何材料能与在抗氧化磨损和抗扩散磨损性能上，没有任何材料能与之相比。但由于氧化铝与基体材料的物理、化学性能相差太大，单一的氧化之相比。但由于氧化铝与基体材料的物理、化学性能相差太大

30、，单一的氧化铝涂层无法制成理想的涂层刀具。铝涂层无法制成理想的涂层刀具。化学涂层刀片 几种涂层材料的物理机械性能几种涂层材料的物理机械性能材料 熔点(C) 密度(g/cm) 硬度(HV) 弹性模量(kN/mm) 线胀系数(10-6/K) 抗高温氧化性能 TiC 3067 4.93 2800 470 8.0 一般 TiN 2950 5.40 2100 590 9.4 一般 TiB2 3225 4.50 3000 560 7.8 一般 ZrN 2982 7.32 1600 510 7.2 较好 CrN 1650 6.12 1100 400 一般 Al2O3 2047 3.98 2100 400 8

31、.4 很好 硬质合金 17001800 4.55.6 差 高速钢 1500 7.8 900 12 很差 涂层组织结构涂层组织结构MT-TiCN抛光后的形貌左为表面，右为断面。无论是OM低倍下，还是SEM和TEM高倍下均末发现MT-TiCN中存在孔隙，表明它是完全致密的。图中的裂纹为涂层后冷却时形成的热裂纹，与致密性无关。涂层组织结构涂层组织和结构Al2O3的晶粒形貌的晶粒形貌涂层产品表面形貌 a. b. TiNc. d. Al2O3abcdCVD涂层与PVD涂层比较 由于由于PVDPVD工艺温度低，不会降低硬质合金刀片自身工艺温度低，不会降低硬质合金刀片自身的强度，刀片刃部可磨得十分锋利，从而

32、可降低机床的功的强度，刀片刃部可磨得十分锋利，从而可降低机床的功率消耗。率消耗。 尽管尽管PVDPVD有有CVDCVD难以比拟的优点，也可进行除难以比拟的优点，也可进行除a-a-Al2O3Al2O3以外的多种硬质涂层，但实践表明，一般车削以外的多种硬质涂层，但实践表明，一般车削( (部部分铣削分铣削) )刀片刀片CVDCVD涂层性能仍优于涂层性能仍优于PVDPVD涂层，这里除涂层，这里除CVDCVD可进行可进行a-Al2O3a-Al2O3涂层外，涂层与基体的结合强度比涂层外，涂层与基体的结合强度比PVD PVD 涂层高也是其性能优于涂层高也是其性能优于PVDPVD涂层的一个重要因素。涂层的一个

33、重要因素。 涂层硬质合金刀片的划痕试验表明，涂层硬质合金刀片的划痕试验表明，PVDPVD涂层的临涂层的临界载荷一般为界载荷一般为30-40N30-40N，而，而CVDCVD涂层的临界载荷可大于涂层的临界载荷可大于90N90N；CVDCVD涂层的厚度可达涂层的厚度可达7-20m7-20m，而，而PVDPVD涂层厚度必涂层厚度必须控制在须控制在3-5m3-5m，否则涂层易产生剥落现象。，否则涂层易产生剥落现象。CVD涂层与PVD涂层比较 一般说来，高速钢等钢制工具、锋利的硬质合金精一般说来，高速钢等钢制工具、锋利的硬质合金精切刀片和硬质合金整体多刃刀具切刀片和硬质合金整体多刃刀具( (如立铣刀、麻

34、花钻等如立铣刀、麻花钻等) )采采用用PVDPVD工艺涂层比较理想；其余大部分硬质合金刀片均可工艺涂层比较理想；其余大部分硬质合金刀片均可采用采用CVDCVD工艺涂层。工艺涂层。 CVDCVD涂层技术也在不断发展，目前，除采用中温涂层技术也在不断发展，目前，除采用中温CVD(CVD(降低涂层温度降低涂层温度) )以减小硬质合金强度的降低幅度外，以减小硬质合金强度的降低幅度外，还可采用计算机精确控制单层涂层厚度，以满足精切硬质还可采用计算机精确控制单层涂层厚度，以满足精切硬质合金刀片的涂层要求。合金刀片的涂层要求。 今后，今后，CVDCVD和和PVDPVD两种工艺技术在刀具涂层中仍两种工艺技术在

35、刀具涂层中仍将并存和相互补充，并因其自身的优点而在刀具涂层比例将并存和相互补充，并因其自身的优点而在刀具涂层比例中占有各自的份额。中占有各自的份额。 CVDCVD、 PVDPVD两种技术也可相互结合，取长补短，两种技术也可相互结合，取长补短，如目前已开发成功的如目前已开发成功的PCVDPCVD涂层技术在进行金刚石涂层中涂层技术在进行金刚石涂层中已取得了较好效果。已取得了较好效果。 多层涂层 多层涂层及相关技术的出现，使涂层既可提多层涂层及相关技术的出现，使涂层既可提高与基体材料的结合强度，同时又能具有多种材高与基体材料的结合强度，同时又能具有多种材料的综合性能。料的综合性能。 到目前为止，硬质

36、合金刀片的到目前为止，硬质合金刀片的CVDCVD涂层大致可涂层大致可分为四大系列：分为四大系列：TiN/TiC/TiNTiN/TiC/TiN、 TiN/TiCN/TiNTiN/TiCN/TiN、 TiN/TiCN/Al2O3TiN/TiCN/Al2O3和和TiN/TiCN/Al2O3/TiN TiN/TiCN/Al2O3/TiN 。前两类。前两类适用于普通半精及精切加工，后两类适用于高速适用于普通半精及精切加工，后两类适用于高速及重负荷切削。及重负荷切削。多层涂层的优点 a. a. 某些涂层材料对基体有良好的粘着性，它们常用来作基体和实用某些涂层材料对基体有良好的粘着性，它们常用来作基体和实用

37、硬涂层之间的界面层，例如通常硬涂层之间的界面层，例如通常CVD CVD TiCTiCA12O3A12O3TiNTiN涂层中的涂层中的TiCTiC 层。层。 b. b. 可提高整体涂层的力学性能，如硬度和韧性。由于某些钛基涂层可提高整体涂层的力学性能，如硬度和韧性。由于某些钛基涂层具有较大的残余应力、纳米层组织、甚至超点阵组织，常被用来提高具有较大的残余应力、纳米层组织、甚至超点阵组织，常被用来提高韧性。因此多涂层在保证粘着性好的情况下，可得到较大的涂层厚度。韧性。因此多涂层在保证粘着性好的情况下，可得到较大的涂层厚度。各层之间的大量界面，也可阻止裂纹的发展。各层之间的大量界面，也可阻止裂纹的发

38、展。 c. c. 多层设计也可实现不同涂层材料的功能组合。使用具有不同功能多层设计也可实现不同涂层材料的功能组合。使用具有不同功能中间层的多层涂层，能够由中间层提供高温稳定性，由外层提供高硬中间层的多层涂层，能够由中间层提供高温稳定性，由外层提供高硬度，加上软外层或固体润滑层的作用，从而使摩擦因数减小。度，加上软外层或固体润滑层的作用，从而使摩擦因数减小。涂层基体设计 基体采用独特的基体采用独特的刃口刃口“ “骨架骨架” ”设计，设计，实现了韧性与抗塑性实现了韧性与抗塑性变形的完美统一变形的完美统一 刃口经特别处理刃口经特别处理后，刃口两边为较厚后，刃口两边为较厚的脱的脱 层韧性区，而中层韧性

39、区，而中间扇形部分则含有高间扇形部分则含有高温性能良好的固溶体，温性能良好的固溶体，形成骨架支撑，这样形成骨架支撑，这样既保证刀片有足够的既保证刀片有足够的韧性又能有好的抗塑韧性又能有好的抗塑性变形能力。性变形能力。涂层基体设计 -Al2O3Ti(C,N)基体4.金属陶瓷金属陶瓷定义定义：金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的结构材料。从金属陶瓷英文单词相组成的结构材料。从金属陶瓷英文单词CermetsCermets来，是由来，是由CeramicCeramic（陶瓷）和（陶瓷）和MetalMetal（金属）结合构成的。金属陶瓷既保持了陶瓷的（金属）

40、结合构成的。金属陶瓷既保持了陶瓷的高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性。性。 金属陶瓷分类与特性 金属陶瓷硬质相的主要成分是金属陶瓷硬质相的主要成分是TiCTiC、 Ti(CN)Ti(CN)。这种硬质相这种硬质相与硬质合金相与硬质合金相WCWC相比，高温性能和抗氧化性能更优越，相比，高温性能和抗氧化性能更优越，并难与被切削材料发生反应。并难与被切削材料发生反应。 特点：密度小硬度高，耐磨性好高温性能稳定抗氧化性能好金属陶瓷分类与特性 Ti(CN)基金属陶瓷是在T

41、iC基金属陶瓷的基础上引入TiN而改进的一种新型工具材料。它具有密度低、硬度和红硬性高于硬质合金、化学稳定性和抗氧化性能好、对钢的摩擦系数小、热膨胀系数高于硬质合金等特点。在加工中表现出优良的耐磨性、较高的韧性和良好的抗塑性变形能力。金属陶瓷 金属陶瓷的应用金属陶瓷是一种适用于精加工的刀具材料，可金属陶瓷是一种适用于精加工的刀具材料，可保证较好的尺寸精度与表面粗糙度。保证较好的尺寸精度与表面粗糙度。金属陶瓷主要应用于钢材料等长切屑材料的加金属陶瓷主要应用于钢材料等长切屑材料的加工，目前已用来加工铸铁与不锈钢等材料。工，目前已用来加工铸铁与不锈钢等材料。为获得最佳的生产率与安全性，进给率应尽可为

42、获得最佳的生产率与安全性，进给率应尽可能加大，切削深度应尽可能最小。能加大，切削深度应尽可能最小。 选择适当刀片形状、刀尖半径与糟形（材质与选择适当刀片形状、刀尖半径与糟形（材质与几何形状的优化组合）。几何形状的优化组合）。 5.非金属陶瓷非金属陶瓷分类通常用于切削材料的非金属陶瓷主要有三类： SIALON陶瓷(Si-Al-O-N) 氧化铝基陶瓷氮化硅基陶瓷非金属陶瓷应用SialonSialon陶瓷：可归于氮化硅基陶瓷。陶瓷：可归于氮化硅基陶瓷。一般的制造方法为：一般的制造方法为： SiOSiO2 2+Al+Al2 2O O3 3+Si+Si3 3N N4 4+Y+Y2 2O O3 3 （粉末

43、混合）（粉末混合） 冷压、烧结后制得。冷压、烧结后制得。 少量少量Y Y2 2O O3 3作为烧结助剂。作为烧结助剂。烧结过程中，烧结过程中， SiOSiO2 2+Al+Al2 2O O3 3 +Y+Y2 2O O3 3 反应形成液相，然后氮化硅反应形成液相，然后氮化硅与液相反应形成与液相反应形成SialonSialon。SialonSialon陶瓷的显微结构为晶态氮化物玻璃相。其密度为陶瓷的显微结构为晶态氮化物玻璃相。其密度为3.3g/cm3.3g/cm3 3，硬度为，硬度为HV1700HV1700。SialonSialon陶瓷的热膨胀系数较低，陶瓷的热膨胀系数较低，用于切削刀片能有效缓解热

44、应力，具有很好的抗热冲击性用于切削刀片能有效缓解热应力，具有很好的抗热冲击性能。能。SialonSialon陶瓷的高温硬度较好，但其韧性低于同硬度的陶瓷的高温硬度较好，但其韧性低于同硬度的硬质合金。硬质合金。SialonSialon陶瓷适于加工耐热合金、铸铁和淬火模具钢。陶瓷适于加工耐热合金、铸铁和淬火模具钢。非金属陶瓷应用氧化铝基陶瓷：具有优良的高温加工性能。在具有优良的高温加工性能。在800800左右，氧化铝基陶瓷的加工性能明显优于硬左右，氧化铝基陶瓷的加工性能明显优于硬质合金，但在质合金，但在800800以下，氧化铝基陶瓷的韧性要以下，氧化铝基陶瓷的韧性要低于硬质合金。低于硬质合金。 氧

45、化铝基陶瓷主要用于加工灰口铸铁，特别氧化铝基陶瓷主要用于加工灰口铸铁，特别是在汽车工业上，氧化铝基陶瓷常用于加工刹车是在汽车工业上，氧化铝基陶瓷常用于加工刹车盘、刹车故、飞轮等灰口铸铁零件。盘、刹车故、飞轮等灰口铸铁零件。非金属陶瓷应用常见氧化铝基陶瓷：常见氧化铝基陶瓷：1.Al1.Al2 2O O3 3+(2%-5%)ZrO+(2%-5%)ZrO2 2，白色，白色， ZrOZrO2 2可提高陶瓷的断裂韧性。可提高陶瓷的断裂韧性。 这种氧化铝陶瓷，密度为这种氧化铝陶瓷，密度为4g/cm4g/cm3 3左右，其热导率低，耐左右，其热导率低，耐热冲击性能好，适于铸铁和铸钢的干式切削。热冲击性能好，

46、适于铸铁和铸钢的干式切削。2. Al2. Al2 2O O3 3+(30%-40%)TiC(+(30%-40%)TiC(或或TiNTiN) )，黑色或深棕色。，黑色或深棕色。TiCTiC的加入的加入使其室温硬度比白色氧化铝增加使其室温硬度比白色氧化铝增加HV200HV200左右，但韧性有所左右，但韧性有所降低。这类氧化铝适于硬态钢的精加工。降低。这类氧化铝适于硬态钢的精加工。3. Al3. Al2 2O O3 3+ZrO+ZrO2 2+SiC+SiC晶须晶须(25(25以上以上) )，晶须的结构一般为直径，晶须的结构一般为直径0.50.5微米，长度微米，长度10105050微米。晶须可增强陶瓷

47、的结构和韧微米。晶须可增强陶瓷的结构和韧性。性。 这种晶须增强陶瓷的硬度也较高，可达这种晶须增强陶瓷的硬度也较高，可达HV2000HV2000，适于在，适于在高速下精加工或半精加工镍基超合金。高速下精加工或半精加工镍基超合金。非金属陶瓷应用氮化硅陶瓷：氮化硅陶瓷： 通过热压方法制造，其硬度约通过热压方法制造，其硬度约HV1800HV1800，密度为，密度为3.2g/cm3.2g/cm3 3左右，晶粒尺寸约左右，晶粒尺寸约2 23 3微米。微米。 氮化硅陶瓷具有很好的耐磨性、刃口强度和氮化硅陶瓷具有很好的耐磨性、刃口强度和抗热冲击性能，适于铸铁的车削和铣削，但不适抗热冲击性能，适于铸铁的车削和铣

48、削，但不适于加工钢材。于加工钢材。精密陶瓷刀片性能特点n n高硬度和高耐磨性，硬度Hv高达21G。n n良好的高温性能，在1000-1200的高温下仍能正常工作。n n良好的抗粘接性能。n n化学稳定性好。n n摩擦系数低，比硬质合金低20-30，故加工表面粗糙度较小，加工钢件时Ra0.8-0.4，加工铸铁时Ra1.6-0.8。非金属陶瓷 陶瓷刀片加工特点n n干式加工n n高速加工n n以车代磨6.超硬材料刀片超硬材料-PCD 金刚石/硬质合金复合片（Polycrystalline Diamond Composite PCD）是将金刚石聚晶是将金刚石聚晶复合到硬质合金上的一种超硬材料，它集金

49、刚石复合到硬质合金上的一种超硬材料，它集金刚石的高硬度与硬质合金的高强度于一体，同时具有的高硬度与硬质合金的高强度于一体，同时具有易焊接及聚晶金刚石的特点。易焊接及聚晶金刚石的特点。 人造金刚石聚晶及复合片一出现就显示出强人造金刚石聚晶及复合片一出现就显示出强大的生命力，这是由它的下列特点所决定的。大的生命力，这是由它的下列特点所决定的。超硬材料-PCD性能： 金刚石晶粒呈无序排列状态，因而其性能，特别金刚石晶粒呈无序排列状态，因而其性能，特别是硬度及解理面各向同性。是硬度及解理面各向同性。 具有较高的强度，特别是抗冲击强度及耐磨性。具有较高的强度，特别是抗冲击强度及耐磨性。 可以制成特定的形

50、状。可以设计或预测产品的性可以制成特定的形状。可以设计或预测产品的性能，赋予产品必要的特点，从而适应它的特殊用能，赋予产品必要的特点，从而适应它的特殊用途。途。超硬材料-PCDPCDPCD刀具材料性能指标：刀具材料性能指标： PCDPCD的硬度可达的硬度可达8000HV8000HV，为硬质合金的，为硬质合金的8080120120倍；倍； PCDPCD的导热系数为的导热系数为700W/mK700W/mK，为硬质合金的，为硬质合金的1.51.59 9倍，甚至高于倍，甚至高于PCBNPCBN和铜，因此和铜，因此PCDPCD刀具热量传递迅速；刀具热量传递迅速； PCDPCD的摩擦系数一般仅为的摩擦系数

51、一般仅为0.10.10.30.3（硬质合金的摩擦（硬质合金的摩擦系数为系数为0.40.41 1），因此），因此PCDPCD刀具可显著减小切削力；刀具可显著减小切削力； PCDPCD的热膨胀系数仅为的热膨胀系数仅为0.910 -60.910 -61.1810 -61.1810 -6，仅相当于硬质合金的仅相当于硬质合金的1/51/5，因此，因此PCDPCD刀具热变形小，加工刀具热变形小，加工精度高；精度高； PCDPCD刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。在加工过程中切屑不易粘结在刀尖上形成积屑瘤。 超硬材

52、料-PCD应用：主要用于加工有色金属和非金属。对于铝、主要用于加工有色金属和非金属。对于铝、高硅铝合金、铜、锰、镁、铅、钛等有色金属都高硅铝合金、铜、锰、镁、铅、钛等有色金属都有很好的切削能力。广泛用于汽车、摩托车发动有很好的切削能力。广泛用于汽车、摩托车发动机的活塞、轮毂、轴瓦、连杆、光学仪器、电动机的活塞、轮毂、轴瓦、连杆、光学仪器、电动机行业。是加工耐磨非金属材料如：硬纸板、木机行业。是加工耐磨非金属材料如：硬纸板、木材、陶瓷、玻璃、玻璃纤维花岗岩、石墨、尼纶、材、陶瓷、玻璃、玻璃纤维花岗岩、石墨、尼纶、强化塑料的理想刀具。强化塑料的理想刀具。超硬材料-PCBNPCBN 聚晶立方氮化硼(

53、Polycrystalline Cubic Boron Nitride)是继人造金刚石之后，是继人造金刚石之后，人工合成的一种新型超硬刀具切削材料，其硬度人工合成的一种新型超硬刀具切削材料，其硬度仅次于金刚石，因其仅次于金刚石，因其具有一系列的优异性能，首具有一系列的优异性能，首先受到机加工界的极大关注。先受到机加工界的极大关注。超硬材料-PCBN性能与加工特点：性能与加工特点： CBNCBN的重要用途包括用作刀具和磨具材料。的重要用途包括用作刀具和磨具材料。CBNCBN刀具机加工刀具机加工难加工的材料效果良好，用于高精度加工难加工的材料效果良好，用于高精度加工硬度高硬度高（如淬火（如淬火钢钢

54、HRC60) HRC60) 、粘性大粘性大（如镍基高温合金）、（如镍基高温合金）、高温强度高高温强度高、热传导率低热传导率低的的铁族铁族金属及合金时具有如下特点：金属及合金时具有如下特点： 1.1.高的金属切削去除率；高的金属切削去除率； 2.2.单位消耗量小，有利于实现加工自动化；单位消耗量小，有利于实现加工自动化； 3.3.加工表面质量高，无烧伤和裂纹，光洁度高，从而使工件耐用度加工表面质量高，无烧伤和裂纹，光洁度高，从而使工件耐用度 提高提高30-50%30-50%； 4.4.与普通刀具比较，切削速度大大提高，提高了生产效率；与普通刀具比较，切削速度大大提高，提高了生产效率； 5.5.加

55、工时可不用冷却液；加工时可不用冷却液； 6.6.实际的加工成本大大降低。实际的加工成本大大降低。PCBN应用主要用于加工黑色金属 最适合于各种硬度最适合于各种硬度HRC45HRC45以上的淬硬钢以上的淬硬钢( (碳素钢、轴承钢、碳素钢、轴承钢、模具钢、高速钢等）；珠光体灰口铸铁（钒钛铸铁）；冷模具钢、高速钢等）；珠光体灰口铸铁（钒钛铸铁）；冷硬铸铁；高温合金（镍、钴基合金）；表面喷涂及堆焊的硬铸铁；高温合金（镍、钴基合金）；表面喷涂及堆焊的加工。加工。 精车淬硬钢、加工硬铸铁和灰口铸铁、高速镗削铸件孔、精车淬硬钢、加工硬铸铁和灰口铸铁、高速镗削铸件孔、铰削淬硬钢或硬铸件小孔、难加工材料的切削加

56、工铰削淬硬钢或硬铸件小孔、难加工材料的切削加工PCBN应用以车代磨以车代磨 CBNCBN材料除用来制作刀具外，其最大的应用领域还是制成材料除用来制作刀具外，其最大的应用领域还是制成CBNCBN磨具，磨具，用于高速高效磨削和珩磨加工，可使磨削效率大大提高，其磨削精度用于高速高效磨削和珩磨加工，可使磨削效率大大提高，其磨削精度和质量提高一个等级。和质量提高一个等级。 磨削汽车零件磨削汽车零件凸轮轴和曲轴、凸轮轴和曲轴、CBNCBN砂轮在内孔磨削中的应用、砂轮在内孔磨削中的应用、采用采用CBNCBN砂轮磨削齿轮、应用砂轮磨削齿轮、应用CBNCBN磨具加工难加工材料及难加工面磨具加工难加工材料及难加工面 干式切削，利于环境保护。干式切削，利于环境保护。超硬材料