【正文】 rieg T. Coated tools for metal cuttingfeatures and applications [J]. CIRP Annalsmanufacturing Technology, 1999, 48 (2):515525 [9] 陳維喜 刀具涂層技術(shù)的現(xiàn)狀與展望 [J].工程技術(shù) , 2022, 34(3): 35 [10] 閻洪 .金屬表面處理新技術(shù) [M].北京 :冶金工業(yè)出版社 , [11]周彤 .刀 具涂層技術(shù)的應(yīng)用 [J].機(jī)械工人 (冷加工 ), 2022,(9): 2225 [12]廖先富 .最新涂層材料及其涂覆技術(shù) [J].工具技術(shù) , 1996, 30(7): 3638 [13]韋奇 ,王大偉 ,張術(shù)根 .溶膠 凝膠法制備 Al2O3SiO2 復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)分析 [J].硅酸鹽學(xué)報(bào) , 2022, 29(4): 392396 刀具涂層技術(shù)理論研究 11 致謝 本文是在李老師的課程論文基礎(chǔ)上由自己獨(dú)自完成的。 6 結(jié)語 刀具涂層技術(shù)較好解決了刀具強(qiáng)度和韌性之間的矛盾 ,通過優(yōu)化涂層的晶格結(jié)構(gòu)、添加合金元素及多層涂層組合來提高涂層的強(qiáng)韌性 ,以適應(yīng)不同的切削條件 ,大大提高了刀具的耐用度和切削速度。 3）涂層材料與工件材料的摩擦系數(shù)要小 ,且涂層要有較平整的宏觀表面和微觀表面 ,這樣刀具與工件的高壓接觸區(qū)摩擦力就會減小 ,從而減少刀具材料剝落。 5 刀具涂層改性意見 要提高刀具的壽命 ,就要對刀具刀尖及其附近區(qū)域進(jìn)行涂層改性 ,刀具涂層應(yīng)具有以下性 能 : 1）涂層材料與刀具基體材料要有很高的結(jié)合強(qiáng)度和相似的應(yīng)力應(yīng)變特性 ,這樣才能使涂層在切削過程中受到較大應(yīng)力時(shí)與刀具基體不會發(fā)生分離 ,從而發(fā)揮涂層的作用。燒結(jié)方法比傳統(tǒng)方法低約 400600e,反應(yīng)易于控制 ,尤其易于控制涂層的化學(xué)反應(yīng)等。其主要過程首先是將原料分散在溶劑中 ,然后經(jīng)過水解反應(yīng)生成活性單體 ,活性單體進(jìn)行聚合 ,開始成為溶膠 ,進(jìn)而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠 ,經(jīng)過干燥和熱處理制備出納米粒子和所需材料?？傊?,我們應(yīng)該在了解其工藝原理及優(yōu)缺點(diǎn)之后 ,將 CVD 工藝與 PVD 工藝相互比較 ,相互結(jié)合 ,取長補(bǔ)短 ,充分發(fā)揮各自優(yōu)勢 ,互相利用 ,互相補(bǔ)充 ,尋找更為合適的涂層技術(shù) ,使其在刀具應(yīng)用上發(fā)揮最大的能力。因此 2 種涂層技術(shù)各顯其能 ,在刀具涂層市場中占有各自的份額。 CVD 涂層技術(shù)和 PVD 涂層技術(shù)各有優(yōu)勢。 等離子體化學(xué)氣相沉積涂層缺點(diǎn) 刀具涂層技術(shù)理論研究 9 1)設(shè)備投資大 ,成本高 ,對氣體的純度要求高； 2)涂層過程中所產(chǎn)生的劇烈噪音、強(qiáng)光輻射、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對人體產(chǎn)生危害； 3)對小孔徑內(nèi)表面難以涂層等。所涂刀具在加工普通鋼、合金鋼、銑削時(shí)顯示出比采用普通化學(xué)氣相沉積技術(shù)涂層的刀具具有更為優(yōu)異的性能。 等離子體化學(xué)氣相沉積涂層 由于 CVD 涂層技術(shù)與 PVD 涂層技術(shù)均有其不可克服的缺點(diǎn) ,等離子體化學(xué)氣相沉積法(PECVD)應(yīng)運(yùn)而生 ,它是將 CVD 技術(shù)與 PVD 技術(shù)相結(jié)合所開發(fā)研制的一種新型低溫涂層藝 PECVD 技術(shù)的機(jī)理是通過電極放電產(chǎn)生高能電子使氣體電離成為等離子體 ,或者將高頻微波導(dǎo)入含碳化合物氣體產(chǎn)生高頻高能等離子體 ,由其中的活性碳原子基團(tuán)在硬質(zhì)合金的表面沉積涂層 [17]。 物理氣相沉積涂層優(yōu)點(diǎn) 1)涂層沉積溫度低 ,一般在 600e 以下 ,對刀具材料的抗彎強(qiáng)度影響很?。? 2)涂層內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)是壓應(yīng)力 ,更適應(yīng)于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層； 3)對環(huán)境不造成污染 ,符合目前綠色工藝、綠色制造的發(fā)展動(dòng)向 ； 4)隨著納米涂層的出現(xiàn) , PVD 涂層刀具質(zhì)量顯著提高 ,不僅具有結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高和抗氧化性能好等優(yōu)點(diǎn) ,還能有效地控制精密刀具刃口形狀及精度。 物理氣相沉積涂層步驟 1)使涂層材料通過蒸發(fā)、升華和分解等成為涂層源材料的汽化過程； 2)涂層材料中的原子、分子或離子遷移到硬質(zhì)合金表面的遷移過程 ,這一過程伴隨 著一系列復(fù)雜的變化過程 ,如原子、分子或離子之間可能發(fā)生碰撞產(chǎn)生離化、復(fù)合、反應(yīng)以及能量和運(yùn)動(dòng)方向的改變； 3)原子、分子或離子在硬質(zhì)合金表面的吸附、堆集、形核和長大以至最終形成涂層。 物理氣相沉積涂層 刀具涂層技術(shù)理論研究 8 物理氣相沉積法 (PVD)是通過氣相反應(yīng)過程使蒸發(fā)或?yàn)R射出來的金屬原子發(fā)生氣相反應(yīng) ,從而在刀具表面沉積出所要求的化合物。目前廣泛應(yīng)用于各類硬質(zhì)合金刀 具。采用 MTCVD技術(shù)獲得的致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)結(jié)構(gòu)的涂層具有極高的耐磨性、抗熱震性及韌性 ,例如用MTCVD技術(shù)沉積 TiCN,可得到較厚的細(xì)晶纖維狀結(jié)構(gòu) ,涂層厚度可達(dá) CVD技術(shù)涂層厚度的 1. 5倍 ,且為半粘結(jié)狀態(tài) ,有效地改善了刀具在連續(xù)切削條件下的抗崩刃性。目前 ,順應(yīng)時(shí)代潮流 ,發(fā)展中低溫的化學(xué)氣相沉積涂層 (MTCVD),其機(jī)理與高溫化學(xué)氣相沉積涂層的機(jī)理相同 ,只是前者的涂層比后者的涂覆溫度低一些 ,僅為 700900e,趨于向低溫、高真空的方向發(fā)展。 高溫化學(xué)氣相沉積涂層的優(yōu)點(diǎn) 1)其所需涂層源的制備相對容易； 2)可實(shí)現(xiàn) TiC、 TiN、 TiCN、 TiB、 Al2O3 等單層及多元復(fù)合涂層； 3)涂層與基體之間具有很高的結(jié)合強(qiáng)度 ,薄膜厚度可達(dá) 79Lm； 4)涂層具有良好的耐磨性能。其基本原理是沉積物以原子、離子、分子等原子尺度的形態(tài)在材料表面沉積 ,形成金屬或化合物的涂層。常用的刀具涂層工藝一般分為化學(xué)氣相沉積 (CVD)、中溫化學(xué)氣相沉積 (MTCVD)、物理氣相沉積 (PVD)、離子輔助沉積技術(shù) ( IBAD)、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù) (PECVD)以及溶膠 凝膠法 (SolGelMethod)。 4 刀具涂層技術(shù)綜述 涂層成分能否在涂層刀具上發(fā)揮應(yīng)有的性能 ,除了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、涂層及界面組織結(jié)構(gòu)、擇優(yōu)取向、各單層厚度及總厚度等決定涂層刀具性能的重要因素外 ,在很大程度上還取決于涂層工藝的技術(shù)水平 ,因?yàn)榈毒卟牧媳砻娴奈锢?、化學(xué)、力學(xué)性能嚴(yán)重影響現(xiàn)代切削加工的順利進(jìn)行。如 :TiCN 兼有 TiC 和 TiN 的綜合性能 ,其硬度高于TiC 和 TiN,可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力 ,提高涂層的韌性 ,增加涂層的厚度 ,阻止裂紋的擴(kuò)散 ,減少刀具崩刃 ,顯著提 高了刀具的使用壽命。例如 ,碳化鈦 (TiC)是一種高硬度耐磨化合物 ,有著良好的抗摩擦磨損性能；氮化鈦 (TiN)的硬度稍低 ,但卻有較高的化學(xué)穩(wěn)定性 ,且能大大減少刀具與被加工工件之間的摩擦因數(shù)。 涂層材料的要求 刀具表面的硬質(zhì)薄膜要求 : 1)硬度高 ,耐磨性能好； 2)化學(xué)性能穩(wěn)定 ,不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)； 3)耐熱耐氧化 ,摩擦因數(shù)低 ,與基體附著牢固等。而刀具涂層所起的作用表現(xiàn)為 : 1)在刀具與被切削材料之間形成隔離層； 2)通過抑制從切削區(qū)到刀片的熱傳導(dǎo)來降低熱沖擊； 3)有效減少摩擦力及摩擦熱。此外 ,由于涂層自身的熱傳導(dǎo)系數(shù)比刀具基體和加工材料低得多 ,可以有效減少摩擦所產(chǎn)生的熱量 ,形成熱屏蔽 ,改變熱量的散失途經(jīng) ,從而降低刀具與工件、刀具與切屑之間的熱沖擊和力沖擊 ,有效地改善了刀具的使用性能。目前國外刀具 PVD 涂層技術(shù)已發(fā)展到第四代 ,而國內(nèi)尚處于第二代水平 ,且仍以單層 TiN 涂 層為主。技術(shù)及設(shè)備的引進(jìn)調(diào)動(dòng)了國內(nèi) PVD 技術(shù)的開發(fā)熱潮 ,許多科研單位和各大真空設(shè)備廠紛紛展開了大型離子鍍膜機(jī)的研制工作 ,并于九十年代初開發(fā)出多種 PVD 涂層設(shè)備。 我國 PVD 技術(shù)的發(fā)展 我國 PVD 涂層技術(shù)的研發(fā)工作始于八十年代初期 ,至八十年代中期研制成功中小型空心陰極離子鍍膜機(jī) ,并開發(fā)了高速鋼刀具 TiN 涂層工藝技術(shù)。八十年代中期 ,我國 CVD 刀具涂層技術(shù)的開發(fā)達(dá)到實(shí)用化水平 ,工藝技水平與當(dāng)時(shí)的國際水平相當(dāng) ,但在隨后的十多年里發(fā)展較為緩慢 (與國外研究狀況類似 )；九十年代末期 ,我國開始 MTCVD技術(shù)的研發(fā)工作 ,MTCVD工藝及裝備的研究開發(fā)預(yù)計(jì)可在 2022年內(nèi)基本完成 ,根據(jù)研 究目標(biāo) ,工藝技術(shù)及設(shè)備將達(dá)到當(dāng)前國際先進(jìn)水平；我國 PCVD 技術(shù)研究始于九十年代初 ,PCVD 工藝技術(shù)主要用于模具涂層 ,目前在切削刀具領(lǐng)域的應(yīng)用還十分限。隨著高速切削加工時(shí)代的到來 ,高速鋼刀具應(yīng)用比例 逐漸下降、硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具應(yīng)用比例上升已成必然趨勢 ,因此 ,工業(yè)發(fā)達(dá)國家自九十年代初就開始致力于硬質(zhì)合金刀具 PVD 涂層技術(shù)的研究 ,至九十年代中期取得了突破性進(jìn)展 ,PVD 涂層技術(shù)已普遍應(yīng)用于硬質(zhì)合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉(zhuǎn)位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理目前 PVD 技術(shù)不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結(jié)合強(qiáng)度 ,涂層成分也由第一代的 TiN 發(fā)展為 TiC、 TiCN、 ZrN、 CrN、 MoS TiAlN、 TiAlCN、TiNAlN、 CNx 等多元復(fù)合涂層。 PVD 技術(shù)在高速鋼刀具領(lǐng)域的成功應(yīng)用引起了世界各國制造業(yè)的高度重視 ,人們在競相開發(fā)高性能、高可靠性涂層設(shè)備的同時(shí) ,也對其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展尤其是在硬質(zhì)合金、陶瓷類刀具中的應(yīng)用進(jìn)行了更加深入的研究。 國外 PVD 技術(shù)的發(fā)展 PVD 技術(shù)出現(xiàn)于二十世紀(jì)七十年代末 ,由于其工藝處理溫度可控制在 500e 以下 ,因此可作為最終處理工藝用于高速鋼類刀具的涂層。盡管 CVD 涂層具有很好的耐磨性 ,但 CVD 工藝亦有其先天缺陷 :一是工藝處理溫度高 ,易造成刀具材料抗彎強(qiáng)度下降；二是薄膜內(nèi)部呈拉應(yīng)力狀態(tài) ,易導(dǎo)致刀具使用時(shí)產(chǎn)生微裂紋；三是 CVD 工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環(huán)境污染 ,與目前大力提倡的綠色制造觀念相抵觸 ,因此自九十年代中期以來 ,高溫 CVD 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到一定制約。 國外 CVD 技術(shù)的發(fā)展 二十世紀(jì)六十年代以來 ,CVD 技術(shù)被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具的表面處理。研究解決這些磨損機(jī)理 ,歸根到底就是要研究切削過程中刀具的應(yīng)力分布和溫度分布情況 ,找出發(fā)生磨損的薄弱環(huán)節(jié) ,通過先進(jìn)的表面工程技術(shù)阻止或減緩以上 磨損現(xiàn)象的發(fā)生 ,從而達(dá)到延長刀具壽命的目的。例如在很高的切削溫度下 ,硬質(zhì)合金材料同被切削材料欽合金的接觸硬度比很大 ,這樣導(dǎo)致切削力顯著減刀具涂層技術(shù)理論研究 5 小；但是在高的接觸溫度下 ,大的塑性變形使兩金屬接觸十分緊密 ,促進(jìn)了刀具和被切削金屬間的固體互相溶解。特別是在重型切削或有沖擊 (如斷續(xù)切削 )的情況時(shí) ,崩刃和破碎更為常見。剝落與崩刃等實(shí)際上都是屬于刀具的脆性 磨損 ,是一種非正常的磨損。 剝落與崩刃 剝落和崩刃是指在刀具的前刀面上或后刀面上剝落一塊貝殼狀碎片 ,經(jīng)常是連切削刃一起剝落。這樣就建立了一個(gè)氧化膜不斷破壞又不斷重新生成的穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡過程。 氧化磨損 在高速切削過程中 ,當(dāng)切削區(qū)的溫度比較高時(shí) ,氣體介質(zhì) 靠相互間的化學(xué)作用力滲入刀具和工件材料的摩擦表面 ,于是摩擦表面形成的氧化膜也可能在接觸區(qū)形成裂紋和縮孔。粘結(jié)磨損在兩材料的接觸面上 ,不論在軟材料一邊還是硬材料一邊 ,都可能發(fā)生。它是在足夠大的壓力和溫度作用下 ,產(chǎn)生塑性變形而發(fā)生所謂的冷焊現(xiàn)象 ,是摩擦面塑性變形所形成的表面原子間吸附力所造成的結(jié)果。刀具磨損可概括為以下幾個(gè)方面 [5][6]。為了獲得滿意的切削能 ,刀具涂層與基體的粘結(jié)必須牢固；為了達(dá)到最大的金屬切除率 ,涂層的厚度必須是最優(yōu)化的 :太薄 ,在切削時(shí)保持的時(shí)間太短；太厚 ,它的作用就好象是整體的材料 ,失去了與基體組合的優(yōu)越性[4]。雖然切削主要由化學(xué)磨損所控制 ,但由于高的涂層硬度會使刀具前面在較高的溫度下 ,其抗月牙洼磨損性能得到增強(qiáng)。涂層材料化學(xué)惰性的標(biāo)準(zhǔn)是它的形成標(biāo)準(zhǔn) ,即自由能的負(fù)數(shù)很高或在一定切削溫度下 ,它在工件材料的溶解度很低。世界各國都十分注重涂層技術(shù)的發(fā)展 【 2】【 3】 。 刀具涂層技術(shù)理論研究 4 1 研究意義 刀具表面涂層技術(shù)是應(yīng)市場需求發(fā)展起來的一種優(yōu)質(zhì)表面改性技術(shù)。以 WCCO 硬質(zhì) 合金為基體的金剛石涂層刀具是當(dāng)前研究和發(fā)展的主要方向。目前 ,金剛石涂層刀具多選用鎢鉆類硬質(zhì)合金 (wcco)或氮化硅 (SiN)等陶瓷材料作基體。因此 ,探討這些難加工材料的切削加工性能選擇合適的刀具材料十分必要。 隨著制造業(yè)的發(fā)展 ,采用高強(qiáng)度 !高硬度 !高耐磨性 !高耐熱性和高化學(xué)穩(wěn)定性等材料越來越多 ,它們的加工難度較大 ,雖然可以使用硬質(zhì)合金涂層 !金剛石 !立方氮化硼和陶瓷等刀具加工 ,但這些刀具價(jià)格昂貴 ,又不抗沖擊 ,所以一般工廠采用不多。工業(yè)發(fā)達(dá)國家的涂層刀具占使用刀具的 80%以上 ,而我國不及 20%,因此涂層刀具在我國廣泛使用具有重大意義 .目前 ,國內(nèi)鍍膜工藝尚不完善、也不太穩(wěn)定 ,因而極大地限制了它的實(shí)際應(yīng)用。