一、刀具涂层

　　通过化学或物理的方法在刀具表面形成某种薄膜，使切削刀具获得优良的综合切削性能，从而满足高速切削加工的要求；自20世纪70年代初硬质涂层刀具问世以来，化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术相继得到发展，为刀具性能的提高开创了历史的新篇章。涂层刀具与未涂层刀具相比，具有显著的优越性：它可大幅度提高切削刀具寿命；有效地提高切削加工效率；提高加工精度并明显提高被加工工件的表面质量；有效地减少刀具材料的消耗，降低加工成本；减少冷却液的使用，降低成本，利于环境保护。

二、刀具涂层的特点

　　1、采用涂层技术可在不降低刀具强度的条件下，大幅度地提高刀具表面硬度，目前所能达到的硬度已接近100GPa；

　　2、随着涂层技术的飞速发展，薄膜的化学稳定性及高温抗氧化性更加突出，从而使高速切削加工成为可能。

　　3、润滑薄膜具有良好的固相润滑性能，可有效地改善加工质量，也适合于干式切削加工；

　　4、涂层技术作为刀具制造的最终工序，对刀具精度几乎没有影响，并可进行重复涂层工艺。

三、常用的涂层

1、氮化钛涂层：氮化钛（TiN）是一种通用型PVD涂层，可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度。该涂层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。

2、氮化铬涂层：CrN涂层良好的抗粘结性使其在容易产生积屑瘤的加工中成为首涂层。涂覆了这种几乎无形的涂层后，高速钢刀具或硬质合金刀具和成形工具的加工性能将会大大改善。

3、金刚石涂层CVD：金刚石涂层可为非铁金属材料加工刀具提供佳性能，是加工石墨、金属基复合材料(MMC)、高硅铝合金及许多其它高磨蚀材料的理想涂层(注意：纯金刚石涂层刀具不能用于加工钢件，因为加工钢件时会产生大量切削热，并导致发生化学反应，使涂层与刀具之间的粘附层遭到破坏)。【金属加工微信，内容不错，值得关注】

4、氮江南体育app下载苹果手机涂层：氮江南体育app下载苹果手机（TiCN）涂层中添加的碳元素可提高刀具硬度并获得更好的表面润滑性，是高速钢刀具的理想涂层。

5、氮铝钛或氮钛铝涂层(TiAlN/AlTiN)：TiAlN/AlTiN涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。主要用于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具可选用该涂层。根据涂层中所含铝和钛的比例不同，AlTiN涂层可提供比TiAlN涂层更高的表面硬度，因此它是高速加工领域又一个可行的涂层选择。

四、涂层技术及刀具涂层知识

1、氮江南体育app下载苹果手机(TiCN)：涂层比氮化钛(TiN)涂层具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提高了33%，其硬度变化范围约为Hv3000——4000(取决于制造商）。

2、CVD金刚石涂层：表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟，与PVD涂层刀具相比，CVD金刚石涂层刀具的寿命提高了10——20倍。金刚石涂层刀具的高硬度，使得切削速度可比未涂层的刀具提高2——3倍，使CVD金刚氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成数控微信号cncdar一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具传入工件或切屑。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种PVDTiAlN涂层石涂层刀具成为有色金属和非金属材料切削加工的不错选择。金属加工微信，内容不错，值得关注。

　　3、刀具表面的硬质薄膜对材料有如下要求：①硬度高、耐磨性能好；②化学性能稳定，不与工件材料发生化学反应；⑧耐热耐氧化，摩擦系数低，与基体附着牢固等。单一涂层材料很难全部达到上述技术要求。涂层材料的发展，已由最初的单一TiN涂层、TiC涂层，经历了 TiC—A12O3一TiN复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层的发展阶段，现在新发展了TiN／NbN、TiN／CN，等多元复合薄膜材料，使刀具涂层的性能有了很大提高。

　　4、在涂层刀具制造过程中，一般根据涂层的硬度，耐磨性，高温抗氧化性，润滑性以及抗粘结性等几个方面来选择，其中涂层氧化性是与切削温度最直接相关的技术条件。氧化温度是指涂层开始分解时的温度值，氧化温度值越高，对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝，氧化铝层可将热量从刀具传入工件或切屑。与高速钢刀具相比，硬质合金刀具的切削速度通常更高，这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首涂层，硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种PVDTiAlN涂层.

　　5、从应用技术角度讲：除了切削温度外，切削深度、切削速度和冷却液都可能对刀具涂层的应用效果产生影响。

五、常用涂层材料进展及超硬涂层技术

　　硬质涂层材料中，工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。目前，工业发达国家TiN涂层高速钢刀具的使用率已占高速钢刀具的50％一70％，有的不可重磨的复 杂刀具的使用率已超过90％。由于现代金属切削对刀具有很高的技术要求，TiN涂层日益不能适应。TiN涂层的耐氧化性较差，使用温度达500℃时，膜层 明显氧化而被烧蚀，而且它的硬度也满足不了需要。TiC有较高的显微硬度，因而该材料的耐磨性能较好。同时它与基体的附着牢固，在制备多层耐磨涂层时，常将TiC作为与基体接触的底层膜，在涂层刀具中它是十分常用的涂层材料。

　　TiCN和TiAlN的开发，又使涂层刀具的性能上了一个台阶。 TiCN可降低涂层的内应力，提高涂层的韧性，增加涂层的厚度，阻止裂纹的扩散，减少刀具 崩刃。将TiCN设置为涂层刀具的主耐磨层，可显著提高刀具的寿命。TiAlN化学稳定性好，抗氧化磨损，加工高合金钢、不锈钢、钦合金、镍合金时，比 TiN涂层刀具提高寿命3—4倍。在TiAlN涂层中如果有较高的Al浓度，在切削时涂层表面会生成一层很薄的非品态A12O3，形成一层硬 质惰性保护膜，该涂层刀具可更有效地用于高速切削加工。掺氧的氮江南体育app下载苹果手机TiCNO具有很高的显微硬度和化学稳定性，可以产生相当于TiC十A12O3复合 涂层的作用。金属加工微信，内容不错，值得关注。

　　在上述硬质薄膜材料中，显微硬度HV能够超过50GPa的有3种：金刚石薄膜、立方氮化硼CBN、氮化碳。

　　许多沉积金刚石薄膜的温度要求为600℃一900℃，因此该技术常用于硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜。金刚石硬质合金刀具的商品化，是近几年涂层技术的重大成就。

　　CBN在硬度和导热率方面仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至1000℃也不发生氧化。 CBN对于铁族金属具有极为稳定的化学性能，与金刚石不宜加工钢材不同，它可以广泛用于钢铁制品的精加工、研磨等。CBN涂层除具有优良的耐磨损性能外，还可以在相当高的切削速度下加工耐热钢、钛合金、淬火钢，能切削高硬度的冷硬轧辊、掺碳淬火材料和对刀具磨损非常严重的Si—Al合金等。低压气相合成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。 CVD包括化学输运PCVD，热丝辅助加热PCVD、ECR—CVD等；PVD则有反应离子束镀、活性反应蒸镀、激光蒸镀离子束辅助沉积法等。CBN的合成技术，在基础研究和应用技术方面都还有不少工作要做，包括反应机制和成膜过程、等离子体诊断和质谱分析、佳工艺条件的确定、高效率设备的开发等。

　　氮化碳有可能具有达到或超过金刚石的硬度。合成氮化碳的成功，是分子工程学十分杰出的范例。作为超硬材料的氮化碳，预期还有其它许多宝贵的物理化学性质，研究氯化碳成为世界材料科学领域的热门课题。

钒

钒(vanadium)

元素周期表第四周期VB族元素，为稀有高熔点金属。元素符号V，原子序数23，相对原子质量50.9415，常温下为固体，粉末状为灰色，致密状为钢灰色。

简史1801年墨西哥矿物学家里奥(A．M．DelRio)在研究褐铅矿时发现了一种新元素，其化学性质与铬、铀相似，它的盐类在酸中加热呈红色，因而命名为“erythronium”，意即“红元素”，但后来又误认为是碱性铬酸铅。1831年瑞典化学家西弗斯特姆(N．G．Sefstrom)在冶炼生铁时发现了一种新元素，其化合物美丽多彩，于是以瑞典女神“维纳斯”(Vanadius)命名为(Vanadium)。1860年钒用作着色剂。1867年英国化学家罗斯科(H．E．Roscoe)用氢还原VCl：首次获得较纯的银灰色金属钒粉。1869年法国研究用钒作合金剂用于生产装甲钢板。1896年欧洲用钒作特殊钢添加剂。1870年钒用作催化剂。1905年前后含钒合金钢用作汽车工业的原料。1927年美国马登(J．W．：Marden)和李奇(M．N．Rich)用电炉钙热还原法制得工业金属钒。

中国钒工业起步于20世纪50年代，1958年恢复并扩建锦州铁合金厂提钒车间，以承德大庙含钒铁精矿为提钒原料。1960年以后中国的其他提钒厂相继建成投产，70年代攀枝花钢铁公司建成投产，从此中国的钒工业便进入一个新的历史时期。至80年代中国已成为世界主要产钒国之一，能生产各种钒制品。钒的推广应用也得到较快发展。

性质钒具有良好的可塑性和可锻性，常温下可制成片，拉成丝和加工成箔。但少量的杂质，特别是间隙元素(如碳、氢、氧、氮)会明显影响钒的物理性质。如钒含氢0．01％即引起脆变，可塑性降低；含碳2.7％时其熔点升高到2458K。钒的熔点高，硬度大，电阻率高，呈弱顺磁性，线胀系数小，钒的弹性模量、密度与钢相近，可用作结构材料。钒的主要物理性质如表1。

钒是一种过渡元素，其原子的外电子层构型为[Ar]3d34s2，5个电子都可参加成键，因此钒是变价元素，有-3和-1到+5共8种价态，其中以+5价的钒化合物最为稳定。正五价钒的化合物具有氧化性，低价钒的化合物具有还原性，价态愈低的钒化合物的还原性愈强，所以V3+、V2+是强还原剂。钒容易同很多配位体形成配合物。

钒有9个同位素，其质量数从46到54，51V是稳定的天然同位素。钒的耐腐蚀性能仅次于铌和钽，室温下钒不与空气、水和碱发生作用，但在高温下能与碳、硅、氮、氧、硫、氯、溴等大部分非金属元素生成化合物。钒耐海水腐蚀，亦耐盐酸、稀硫酸和碱溶液的腐蚀。钒在室温下除与氢氟酸缓慢反应外，不与其他卤氢酸起反应。钒与含氧酸(热浓硫酸、次氯酸、硝酸和王水)作用生成钒酸盐。

化合物常见的钒化合物有氧化物、卤化物、铵盐、钠盐和含氧酸盐等。这些化合物的性质往往会受到钒价态变化的影响。

氧化物钒的氧化物主要有V205、V02、V203和V0，它们的性质列举于表2。

卤化物钒卤化物的化学稳定性随钒原子价增加而减弱；相同价态的钒的卤化物，其化学稳定性从氟化物到碘化物逐渐减弱。V3+和V5+卤化物的主要性质列于表3和表4。

铵盐 主要有偏钒酸铵(NH4VO3)、钒酸铵[(NH4)3VO4或2(NH4)20•3V205•nH20]、多钒酸铵等，其中以偏钒酸铵最为重要。偏钒酸铵为白色或浅黄色晶体，加热到473K开始分解，密度为2304kg/m3。偏钒酸铵在富氧空气中于523K温度下分解成NH3和V205；在空气中于523～613K温度下分解成(NH4)2O•3V205及V204•5V205，于693～713K温度下分解成NH3和V205；在583～598K温度的纯氧气氛中氧化得V205。偏钒酸铵在氢气中加热至473K生成(NH4)2O•3V205，在593K温度下生成(NH4)2O•V204•5V205，在673K温度下生成V2013和V203，在1273K温度下则生成V204。偏钒酸铵在CO2、N2与Ar气氛中于623K温度下生成(NH4)2O•V204•5V205，于673～773K温度下生成V6013。通水蒸气并达到498K温度时偏钒酸铵生成(NH4)2O•3V205。

钠盐 钒钠盐中如V205-Na20二元系相图中的化合物有NaV6015、Na8V24063、NaV03，Na4V207、Na3V04。NaV03-V205系相图中较为常见的有偏钒酸钠(NaV03)、焦钒酸钠(Na4V2O7)、正钒酸钠(Na3V04)以及多钒酸钠等盐类。

含氧酸盐 钒的含氧酸盐，除碱金属和碱土金属钒酸盐易溶于水外，其他盐类溶解度小。钒的含氧酸盐常见的有钠盐、铵盐、钙盐、铁盐等。从钒的聚集状态分类，可分为正钒酸盐(V043-)、焦钒酸盐(V2074-)、偏钒酸盐(V03-，V40124-)及多钒酸盐(V40124-，V60162-，V100182-，V120312-)等。

钒合金及添加剂 较常用的钒合金有钒铁、钒铝以及钼钒铝合金、硅锰钒铁合金、碳化钒、氮化钒等专用合金添加剂。各国的钒铁合金标准不完全一样。通常有含钒40％～80％等六种牌号。有含钒55％、65％、75％、85％四种钒铝合金。钼钒铝合金一般含钒23％～25％，含钼24％～26％，含铝48％～53％。硅锰钒铁一般含钒>42％，含硅<7％，含锰<4.5％。碳化钒一般含钒82％～86％，含碳10.5％～14.5％。氮化钒含钒78％～82％，含碳10％～12％，含氮6％以上。

毒性钒及其化合物具有一定的毒性，毒性一般随钒的价态升高而增大。皮肤遇钒易发生过敏反应。工业接触易引起呼吸道疾患，出现阵发性干咳伴咯血和眼鼻喉的刺激症状，血红蛋白和红细胞先暂时增加而随后下降，发生贫血，有时出现眼结膜炎，严重喉部刺激，顽固的干咳，弥漫的双肺罗音和支气管痉挛，有时出现皮肤搔痒等症状。可溶性钒进入循环血液中，70kg体重的健康人致死剂量仅为30mgV205(即1妇体重为O.43mg)，部分钒化合物的阈限值为：V205粉尘O.5mg/m3，烟尘或超细粉末为O.1mg/m3。钒对动物神经生理的影响(包括中枢神经系统功能失调和心血管病变)也是不能忽视的。钒对动物的代谢作用无明显影响，口眼少量某些钒盐时产生的毒性不大，还可降低青年人和动物的胆固醇；静脉注射则毒性很大。钒的急性接触和吸收高浓度钒会引起血管收缩，导致身体某些部位充血、出血而损伤肝、肾、心和脑。钒在医药方面曾用作贫血症、萎黄病、肺结核以及糖尿病的治疗药物。生活饮用水中容许大含钒量在o.1mg/L以下。

应用钒具有优良的合金性能和催化性能，广泛用于钢铁工业和化学工业。世界上90％的钒用于钢铁工业，5％用于化学工业，其余用于有色金属合金和其他方面。钒加入钢中，形成碳化钒、氮化钒质点，使钢弥散强化，抑制奥氏体晶粒长大，起到提高钢性能作用。钢中加入钒O.05％～O.1％，强度可提高10％～20％，并使钢的铸造性能和焊接性能变得更好，减轻机件重量。含钒1％～5％的高速工具钢除具有较高的耐磨性外，还具有较好的塑性和韧性。钒在化学工业中主要用作制造各种催化剂及陶瓷颜料。钒在有色金属合金中的应用主要用来生产钒铝合金。钒铝合金具有较高的屈服强度和冲击强度，用作飞机和宇航飞行器的材料。钒在这方面的用量正逐年增长，美国目前已上升到钒总耗量的7％～10％。此外，单晶钒可用作电子工业的材料。

资源钒矿床根据其成矿原因可分为岩浆分泌矿床、含钒热液矿床、风化堆积残留矿床和沉积矿床等。钒的地壳丰度为136×10-4％，海水含钒1×10-7％。在钒矿中钒主要与铁、钛、铀、钼、铜、铅、锌、铝等或与碳质岩矿、磷矿等伴生。近来也发现有含钒量较高的石油矿，常见的钒矿物列举于表5。

钒钒钛磁铁矿是生产钒的主要资源，可以综合利用其中的钒、铁和钛。世界主要的钒矿床有南非德兰士瓦中部布什维尔德的钒钛磁铁矿，储量约20亿t；前苏联乌拉尔和卡契卡纳尔；芬兰奥坦梅基和木斯塔瓦拉；美国怀俄明铁山；中国四川攀枝花地区和河北承德等地的钒钛磁铁矿。世界一些重要的钒钛磁铁矿原矿和含钒铁精矿的成分列举于表6。

其他钒资源有钒铀矿、钒酸盐矿、磷岩、沥青石、石油、石墨矿含钒云母以及中国长江中下游的川、鄂、湘、赣、浙、黔、桂等省储量极为丰富的石煤矿。目前世界已探明的钒资源量为436万t，远景储量为1662万t。主要产钒国家的资源储量如表7。

提取冶金从含钒原料制取金属钒主要包括钒提取和金属钒制取两大环节。有时为了制取高纯金属钒还需增加金属钒精炼环节。钒再生也属钒提取冶金的范畴。钒提取冶金原则流程如图。在钒提取冶金过程中，以钒提取环节为最重要。钒提取是从含钒原料制取钒化合物的过程。由于钒精矿较少，钒的主要原料为钒钛磁铁矿，因此从钒钛磁铁矿炼铁制得的含钒铁水中提取钒的工艺，在钒提取冶金中占有重要地位。这种工艺是钒钛磁铁矿先进入炼铁高炉，钒被还原进入铁水，含钒铁水再经吹炼制得钒渣；然后从钒渣中提钒。钒渣和各种含钒物料一般都经过焙烧、浸出和溶液净化处理，获得较纯的含钒溶液。再从较纯的含钒溶液中制取V205、V203。、偏钒酸铵、钒酸钙、钒酸铁等钒化合物。钒提取获得的钒化合物除部分V205作为生产金属钒原料外，大多作为产品出售。用钙、铝或碳还原V205制取粗金属钒，粗金属钒再经精炼便可获得纯金属钒。V205大量用作生产钒铁的原料，钒铁是合金钢生产的重要合金添加剂。