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刀具表面涂层技术进展综述

点击次数:  更新时间:2010-03-16 20:15:10  【打印此页】  【关闭
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刀具表面涂层技术是应市场需求发展起来的一种优化表面改性技术.由于该项技术可使切削刀具获得优良的综合机械性能。从而大幅度提高机械加工效率及刀具使用寿命.因此该项技术已成为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性要求的关键技术之一。世界各国都十分注重涂层技术的发展。

一、刀具涂层技术发展简述

涂层技术对刀具的发展起了巨大的促进作用。刀具经过涂层后可大幅度地延长使用寿命。资料显示,发达国家80%的刀具经过涂层处理。另外,随着涂层装备的逐步改进和涂层工艺的成熟,刀具成本正在逐年下降。涂层刀具是提高切削效率,降低生产成本的有效途径。
一般来说.涂层应具有稳定的化学稳定性能、热硬度和与基体较强的粘结性能。优化的涂层厚度、细的显微结构及残余压应力可以进一步提高涂层性能。涂层材料化学惰性的标准是它的形成标准。自由能的负数很高或在切削温度下它在工件材料的溶解度很低。在切削温度下。只要硬涂层比基体的硬度高,就有助于增强抗磨粒磨损。虽然切削主要由化学磨损所控制,但由于高的涂层硬度会使刀具前面在较高的温度下,其抗月牙洼磨损性能得到增强。涂层方法及过程参数影响硬涂层的显微结构。反之.显微结构(如颗粒尺寸、颗粒结构、颗粒边界和相边界)又影响硬涂层的力学性能和金属切削性能。为了获得满意的切削性能.刀具涂层与基体的粘结必须牢固。为了达到最大的金属切除率,涂层的厚度必须是最优化的:太薄,在切削时保持的时间太短;太厚,它的作用就好像是整体的材料,失去了与基体组合的优越性。
目前.刀具涂层技术主要分为两大类:CVD工艺和PVD工艺。纵观CVD、PVD技术的发展过程,可以发现几个规律:当第一代CVD涂层合金刀片及PVD涂层刀具进入市场后。首先要解决的是制造出稳定可靠的涂层刀具的技术装备。并逐步完善,以满足市场需求。其次是开发新一代涂层成分,进一步提高涂层刀具的切削效率。第三阶段是研制多层涂层及控制技术。使刀具表层具有多种涂层材料的综合物理机械性能.从而满足加工不同金属的需求。
碳化钛是一种高硬度耐磨化合物。有着良好的抗摩擦性能:氮化钛的硬度稍低.但却有较高的化学稳定性.并可大大减少刀具与工件的摩擦系数。从涂层工艺性考虑。两者均为理想的涂层材料,但无论碳化钛还是氮化钛,单一的涂层很难满足高速切削对刀具涂层的综合要求。
自PVD涂层高速钢刀具投人应用以来,人们一直在探索能否用PVD代替CVD工艺对硬质合金刀具进行涂层。由于PVD工艺温度低、不会降低硬质合金的自身强度.刀片刃部可磨得很锋利.从而降低机床的功率消耗。目前CVD和PVD两种工艺技术在刀具涂层中并存和相互补充.并且自身的优点在涂层刀具中具有各自的份额。一般来说,高速钢及锋利的硬质合金精刀片和硬质合金多刃刀具采用PVD工艺涂层比较理想。其余大部分硬质合金刀片均可采用CVD工艺涂层。

二、刀具涂层技术的分类

1. CVD涂层

硬质合金刀具主要采用化学气相沉积(CVD)工艺,其硬涂层可提高刀具寿命和生产率。化学气相法(CVD)沉积金刚石薄膜是国际上正在迅速发展和应用的一项高新技术。在硬质合金(或陶瓷)衬底上涂覆10~30µm厚的金刚石薄膜可制成涂层刀具、涂层拉丝模、涂层喷嘴和其他涂层零部件,涂层的物理和化学性能都能达到或非常接近天然金刚石的水平。CVD金刚石涂层刀具的抗冲击性能优于PCD刀具,适用于非铁材料的粗加工和半精加工.其刀具寿命比硬质合金提高3~10倍,被加工件愈硬,寿命提高的倍数就愈高。涂层拉丝模或喷嘴衬底的孔径应大于3mm,金刚石涂层拉丝模适合各种材料(包括含铁材料)的拉丝加工,涂层喷嘴也适用于各种应用场合,涂层后的工作寿命可提高5倍左右。
化学气相沉积(CVD)技术已从早期的单涂层发展到现在的由TiC、TiN、TiCN和AlO复合多涂层,而且通过选择涂层的顺序及涂层的总厚度来满足特种金属切削的要求,尤其是AlO涂层可提供包括高的抗扩散性磨损、优良的抗氧化性和高的热硬度等极好的高温性能,所以在铸铁及钢等材料高速加工中获得广泛应用。
近年来,刀具制造商已引进中温MT-CVD TiCN涂层,当使用乙晴作为有机的C/N源.TiCN的沉积大约发生在850℃。而高温CVD TiCN涂层要加热高于1000℃。MT-TiCN涂层用于车削和铣削时具有很好的耐磨性能,它具有稳定的C/N比。并可减少涂层与硬质合金基体之间界面形成eta相的倾向。
从目前的发展来看,CVD工艺(包括MT-CVD)主要用于硬质合金车削类刀具的表面涂层.其涂层刀具适合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工,尤其是α-AlO涂层是目前PVD技术所难以实现的,因此在于式切削加工中。CVD涂层技术仍占有极其重要的地位。

2. PVD涂层

十多年前。PVD已应用于圆柱形硬质合金刀具,包括间断切削和/或一些需要锋利刀刃的金属切削刀片。最初PVD涂层只限于TiN。而现在工业上已有适用的PVD TiCN和TiAlN涂层。采用多种不同的PVD技术,如电子束蒸发、溅射、电弧蒸发等。
PVD涂层技术在改进控制技术、提高等离子体密度、提高磁场强度、改进阴极靶的形状、实现过程的计算机全自动控制等关键技术上取得了全面进展,从而使涂层与基体的结合强度、涂层的性能有显著的提高,涂层的品种也从常规的TiN、TiCN、TiAlN迅速扩展到特殊TiAlN、AlTiN、TiAlCN、CrN、DLC等涂层以及各种复合涂层和纳米涂层,并能对涂层的组分、百分比、结构在很大范围内加以控制和改变,以使用于不同的被加工材料和不同切削条件,从而显著地提高了刀具的切削性能.使涂层技术对刀具材料的“改性”作用达到了新的水平,开拓了更大的空间。成为当前发展高速切削、硬切削、于切削中一项十分关键的技术。
涂层设备为计算机全自动控制和模块化设计.设备柔性好,生产效率高,质量稳定。一台设备可以适应不同的批量、不同的刀具、刀片以及不同的涂层。例如PLAITT和PVT公司采用多弧工艺、多弧设备对电弧产生的“液滴”进行有效控制,使刀具涂层表面的粗糙度得到很大改善。已用于CD光盘的压模涂层。俄罗斯PLAITT公司新开发的µAlTiN涂层表面粗糙度仅为Ra0.02µm。
PLAITT公司新开发的纳米涂层.通过在纳米的数量级范围内改变涂层的成分,获得硬度(韧性)连续变化的梯度涂层:纳米的多层涂层。以AlN作为主层、TiN-CrN为中间层。两者相互交替形成多层结构(试验表明当层距为7nm时涂层的硬度达最高值,约45Gpa):PLAITT公司在最新一代rt80的涂层设备上获得的新涂层——AlTiN/SiN.其结构为3nm的AlTiN晶粒镶嵌在非晶态的SiN基体上,在晶粒之间为1nm厚的SiN。该涂层的硬度达45Gpa,摩擦系数为0.45,最高使用温度可达1100℃。在该设备上开发的LARC工艺,还可以生成由上述结构组成的纳米多层涂层.可进一步提高涂层的韧性。

 

 

 

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三、刀具涂层技术新亮点

1. PCD涂层

 

金刚石涂层是近几年研究成功的新型刀具涂层材料,这种涂层刀具特别适用于加工非黑色金属及纤维材料。金刚石涂层的硬质合金刀片及整体硬质合金多刃刀具在加工印刷线路板和硅铝合金等材料已取得很大的成功,刀具寿命比未涂层硬质合金刀具提高数十倍。
美国科学家发明了一种廉价快捷地生产人造金刚石(PCD)的新方法,它有望使金刚石涂层得到更广泛的工业应用。虽然应用这项新技术生产出的金刚石颗粒尺寸最大不超过10nm,用它不可能造出宝石级的金刚石,但它却能降低金刚石涂层的生产成本,易于制造对材料硬度等性能有特殊需求的工件,如金刚石涂层刀具、刹车垫等。
金刚石的组成成分是纯碳。迄今人们已经能够从碳化硅中去掉硅元素,制成纳米级的金剐石。但现有技术需要在极高压力下进行,或通过高能等离子体喷射法来实现,生产成本高,产量低。美国得克萨斯州德雷克塞尔大学的科学家成功地在一个大气压的条件下制取出了纳米级金刚石。研究人员将碳化硅放在氯气和氢气的混合物中,然后将其加热到1000℃。氯气与硅发生反应时,余下的碳原子就会重新自我组合,形成各种纳米级的碳材料薄膜.其中有金刚石晶体,也有石墨、碳纳米管和六方金刚石等。氢气使得这种转换可以稳定地进行。
制取出的碳薄膜的硬度与金刚石基本相当。而且其特殊结构可以使之具有多种用途的性能,诸如可渗透、可导电等。这不仅能降低传统金刚石涂层产品的制造成本,还有望扩大金刚石涂层的应用范围,例如平面显示器、分子滤网等。
CVD金刚石涂层采用了许多金刚石合成技术.最普通的是热丝法、微波等离子法和d、c等离子喷射法。通过改进涂层方法和涂层的粘结,已生产出金刚石涂层硬质合金刀具,并在加工非铁及非金属材料方面起着重要的作用。

2. 立方氮化硼(CBN)涂层

立方氮化硼(CBN)是氮化硼的高温高压相,它是第二种最硬的材料(仅次于金刚石达60Gpa),其结构类似于金刚石,但CBN对于热铁、热钢和氧化环境具有化学惰性,在氧化时,形成一薄层氧化硼。此氧化物层给涂层提供了化学稳定性.因此它在加工硬的铁材(50~65HRC)、灰铸铁、高温合金和烧结的粉末金属时具有明显的优越性。
许多科研人员试图用CVD和PVD技术沉积立方氮化硼薄膜。试验结果表明.在合成CBN相、对硬质合金基体的良好粘结和合适的显微硬度等方面已取得一定的进展。目前沉积在硬质合金基体上的立方氮化硼膜厚最大仅为0.2~0.5µm,若想达到商品化,则必须采用可靠的技术来沉积高纯的、经济的CBN薄膜.其膜厚应在3~5µm,并在实际金属切削加工中证实其效果。
CVD涂层硬质合金刀具的使用已取得迅速发展.MT-CVD涂层的韧性超过HT-CVD涂层。但是除了沉积TiCN涂层之外,若想扩展这项涂层技术,至今还不能实现。等离子辅助CVD涂层也有类似的优越性,但涂层成分也受到限制。人们期望采用低温沉积方法能够生产出新的涂层成分。
新的PVD涂层材料的发展,包括PVD涂层Al2O3和PVD多涂层将扩大PVD涂层刀具的应用范围。这对CVD涂层将是一种挑战。
CVD和PVD的复合涂层是完全能够实现的。TiN/NbN.TiN/Ni和TiN/NiCr的超点阵涂层与那些单相氮化物相比,具有较高的硬度,它们有望在金属切削加工中得到应用。工艺经济性的改进将增加使用金刚石涂层刀具的可能.然而它们的应用范围只限于非铁金属。突破性的发展潜力寄托于立方氮化硼(CBN)涂层硬质合金刀具.这种材料可用于加工超过当今被加工材料75%的铁材。

3. HPPC涂层

1986年美国威斯康辛大学开发了一种新技术.即将被处理物体置于等离子环境中,外加高电压脉冲,从而可在三维形状物体表面注入离子。此项技术的全称是Plasma Source Ion Implantation,简称PSII技术。1993年9月。在日本金泽市召开的SMMID93国际会议上。由J R Conrad博士发表特别讲演.首次将该项技术介绍到日本。从1998~2000年,日本组织产业界、高等院校和研究机构通力合作,经过3年反复试验研究.终于在PSII基础上开发出一种全新的涂层技术。即Hybrid Pulse Plasma Coating系统。简称HPPC技术。
PSII技术是在被加工物体处于静止状态(无自转和公转)时,在其三维复杂形状的表面注入离子,从而达到改善表面物质性能的效果。PSII技术的原理是:对置于等离子环境中的物体外加负值高电压,以在物体附近形成无电子包层,通过该包层外加高电压。使等离子端部的离子被垂直注入于物体表面。新开发的HPPC系统中,其真空容器的内部容积为1m3,负值高电压脉冲的外加电压为20kV.脉冲宽度为5~20µs。HPPC系统中,原料气体的脉冲化、高密度脉冲等离子的形成、外加高电压脉冲的施加、真空排气等均由脉冲控制。
HPPC系统使用甲苯气体作为原料气体时,施加由PSII进行混合时的脉冲电压,便可将类金刚碳(DLC)膜镀覆在硬质合金基体上。通过试验可知,加大混合时的电压。即可获得结合强度良好的DLC镀膜。在成膜过程中.条件掌握得当,可获得100N以上的高结合强度DLC镀膜。进行复杂形状模具均匀涂镀试验时,D为沟槽深度,d为开口部宽度,D/d为纵横尺寸比.D/d=4时进行均匀涂镀试验。试件尺寸10mm×10mm×5mm,采用传统的离子涂镀方法.只有在D/d=1的情况下才能形成有效镀膜.而采用HPPC系统.则可在深槽底部及侧壁均可形成有效镀膜。另外,还对有机金属(Si(OC2H6)4)气化后进行了陶瓷涂层试验。结果表明.采用的方法不同.膜厚比的差异也很大。如用等离子CVD工艺所获镀膜的膜厚比最大为2.0.而采用HPPC系统所获镀膜的膜厚比最大为1.3,其镀膜的均匀性明显优于前者。

四、我国刀具涂层技术发展现状

我国CVD涂层技术的研究起源于上世纪70年代初,但直到80年代中期国内CVD刀具涂层技术才达到实用化,其工艺技术与国际水平相当;在随后十多年里与国际上的发展类似。较为缓慢:90年代末期,国内开始MT-CVD的研究工作。现在。大多数涂层硬质合金刀片是采用CVD方法(涂层温度在1000℃)将碳化物、氮化物或氧化物的单涂层或复合涂层涂覆在硬质合金刀片上。这些涂层在钢、铸铁中速或高速的加工中提高了刀具的切削性能.如使用由TiC和TiN组成的涂层可大大减少后刀面的磨损和前刀面的月牙洼磨损。
我国PCVD(等离子体辅助化学)技术的研究始于上世纪90年代初。该项工艺技术主要应用于模具涂层,在刀具领域内的应用,目前也还不十分广泛。2003年7月。西安交通大学和北京航天航空大学完成了“工模具表面陶瓷化PCVD技术开发与工业应用”项目。该成果对推动我国制造业技术进步。提高工模具产品质量和核心竞争能力具有重要意义。PCVD小型实验室设备国内已有研制,但仅为直流等离子体电源。模具要求大型工业设备,须配备脉冲直流电源,而国内迄今尚未研制。国外仅日本和奥地利等国拥有此类工业设备。西安交大等单位完成的这一项目。解决了脉冲直流PCVD制备硬质薄膜的若干理论和应用技术。突破了工业设备制造的电源瓶颈和工艺稳定性结构设计,打破了国外技术垄断,降低了设备成本。可应用于现代制造业,主要是机械零部件的成型和加工,如数控机床刀具、电路板高速钻头、航空发动机叶片等,同时也可应用于各类机械配件的加工。如气缸活塞、摩擦盘销、传动件和联结件等。
国内CVD技术与国际水平相差不大。新开发的中温化学气相沉积(MT-CVD)涂层硬质合金是具有一定C/N比的整体TiCN涂层,它具有抗后面磨损和抗月牙洼磨损的综合性能。新涂层是在700℃~900℃温度范围内沉积的,在沉积过程采用一种有机化合物如乙晴作为碳、氮源而不是普通的CVD涂层方法采用CH4和N2,用MT-CVD生产的涂层比由普通CVD生产的TiCN涂层具有以下优点: (1)由于较低的涂层温度和较高的沉积速率,所以减少了对基体的热负荷;(2)由于涂层温度较低,从而降低了在涂层和基体界面形成脆性eta相的危险: (3)由于较低的涂层温度,导致涂层和基体的热匹配.故减少了两者的界面应力; (4)涂层与基体粘结性能良好; (5)涂层具有稳定的C/N比。所以,新的中温TiCN刀具在铣削(湿铣和干铣)加工中具有较广泛的应用前景。
我国还研制成功用于大批量生产的大、中、小型系列新型表面涂层(HT-MT-CVD)技术及装备。采用HT-MT-CVD表面涂层技术。可在各种硬质合金工具、模具及各种钢制工模具、耐磨损、耐腐蚀零件表面,牢固地涂覆上一层碳化物、氮化物、氧化物、硼化物等超硬材料。从而使制品使用寿命提高2~6倍,有的可达十几倍.同时可提高生产效率50%以上。目前此项技术已广泛用于工业生产,是现代工业中硬质合金工具、模具进行表面处理。提高使用寿命的重要手段之一。
我国PVD涂层技术的研发工作始于上世纪80年代初。80年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具TiN涂层工艺技术。与此同时.国内大型工具厂有7家引进了大型PVD涂层设备.并均以高速钢TIN涂层工艺为主。进口技术及设备的引迸:调动了国内PVD技术的开发热潮,国内各大真空获得设备厂及众多的科研单位纷纷展开了大型离子镀膜机的研制工作,并于90年代初开发出多种PVD设备。但由于大多数的设备性能指标差,刀具涂层工艺无法保证,再加上预期的市场效益也未能实现,致使大多数单位放弃了PVD刀具涂层技术进一步的研究工作,因此导致近十年里国内刀具PVD涂层技术处于徘徊不前的局面。尽管90年代末国内成功开发出了硬质合金TiN-TiCN-TiN多元复合涂层工艺技术.CNx涂层技术也有了重大突破,但与国际水平相比。我国刀具PVD涂层技术大概落后了十年左右。目前国外刀具PVD技术已发展到了第四代。而国内尚处于第二代的水平,且仍以单层TiN涂层为主。

 

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