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刀具涂層技術介紹(二)

刀具涂層技術介紹(二)

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刀具涂層技術介紹(二)5.刀具涂層結構涂層結構一般分為單涂層、多涂層、復合涂層、梯度涂層及納米結構涂層等結構分類。單涂層也叫普通涂層,只由一種成分構成,在薄膜的縱向生長方向上涂層成分穩定。在PVD技術發展初期一直采用單一涂層的技術,典型的單一涂層有TiCN等。多涂層,由多種成分穩定、性能各異的薄膜疊加而成。常見的多層涂層由2種不同膜組成,層數可達十幾層以上。每層薄膜尺寸最小為幾十納米,例如A1N+

刀具涂層技術介紹(二)

5.刀具涂層結構

涂層結構一般分為單涂層、多涂層、復合涂層、梯度涂層及納米結構涂層等結構分類。

單涂層也叫普通涂層,只由一種成分構成,在薄膜的縱向生長方向上涂層成分穩定。在PVD技術發展初期一直采用單一涂層的技術,典型的單一涂層有TiCN等。

多涂層,由多種成分穩定、性能各異的薄膜疊加而成。常見的多層涂層由2種不同膜組成,層數可達十幾層以上。每層薄膜尺寸最小為幾十納米,例如A1N+TiN涂層等。與單層涂層相比,多層涂層可有效地抑制粗大晶粒組織的生長,改善涂層組織狀況。

采用PCD多層涂層結構的CBN材料刀具可應用于連續、斷續切削的廣泛加工領域,耐磨損性、耐破損性大幅提高[8]

對刀片進行TiCN-AL2O3-TIN多層涂層,涂層內層的TiCN與基體有較強的結合力和強度,中間的Al2O3作為一種有效的熱屏障可允許有更高的切削速度,外層的TiCN保證了前刀面和后刀面的抗磨損能力,最外一層金黃色薄層的TiN使得容易辨別刀片的磨損狀態[9]

TiN與A1N可形成一種納米多層涂層,層數可達千余層,其與基體結合強度高,涂層硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剝離性強,而且可顯著改善刀具表面粗糙度,其壽命是TiN、TiAlN涂層的2~3倍[10]

6.刀具涂層的制備技術

涂層成分能否在涂層刀具上發揮應有的性能,除了涂層與基體的結合強度、涂層及界面組織結構、擇優取向、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。

刀具涂層技術有多種,常見的有化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、溶膠—凝膠法(Sol-Gel)、等離子體化學氣相沉積技術(PCVD)、離子輔助沉積(IBAD)、中溫化學氣相沉積(MT-CVD)等方法。

6.1 化學氣相沉積(CVD

CVD涂層是最早出現、也是最常見的涂層方法,已經沿用多年。CVD法是在一個化學反應容器內加熱基體,并將基體暴露于氣流之中。這些氣體在被加熱的基體表面分解,形成一層涂層。一般CVD涂層需要的溫度約為1000℃左右。二十世紀六十年代,CVD技術被廣泛應用于硬質合金可轉位刀具的表面處理,采用TiN、TiC、TiCN、Al2O3等單層及多元多層復合涂層的沉積。到二十世紀八十年代中后期,美國已有85%的硬質合金工具采用了表面涂層處理,其中CVD涂層占到99%。九十年代中期,CVD涂層硬質合金刀片在涂層硬質合金刀具中仍占80%以上。

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度下降;二是薄膜內部呈拉應力狀態,易導致刀具使用時產生微裂紋;三是CVD工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環境污染。而后,發展出中溫化學氣相沉積(MT-CVD)方法,可獲得致密纖維狀結晶形態的涂層,涂層厚度可達8-10μm,涂層結構具有極高的耐磨性、抗熱震性及韌性,MT-CVD涂層刀片適于在高速、高溫、大負荷、干式切削條件下使用,其壽命可比普通涂層刀片提高一倍左右。

Bernex? BPXpro系列CVD涂層系統是愛恩邦德公司提供的技術產品之一,典型的工藝溫度為HT CVD工藝的溫度為900到1050 °C,Bernex? MT CVD工藝的溫度為720到900 °C,具有低應力、擴散結合的形式而帶來較好的涂層粘附性、高承載能力、優異的涂層均勻性,可以在復雜的幾何形狀的零件做涂層,包括某些有內徑的零件[11]

6.2 物理氣相沉積(PVD

PVD 工藝包括電弧蒸發、濺射、離子鍍以及增強濺射等,依據產生等離子體的方法及沉積材料的氣化方法的不同,可分為:陰極電子弧沉積法、非平衡磁控濺射法、三極管高壓電子束蒸發法及動力學離子束混合法等方法。

物理氣相沉積所需的沉積溫度較低,TiA1N、TiN等硬涂層的沉積溫度可以達到500℃以下。涂層和基體間在低溫下不易發生脫碳現象或產生η相,對基體材料限制少。涂層內部具有壓應力,抗裂紋擴展能力強,適合于對硬質合金精密復雜刀具進行涂層。涂層表面摩擦系數低,能更有效地阻止前刀面的橫向裂紋的擴展。對環境無不利影響,符合綠色制造的發展方向。

7.刀具涂層的發展方向

7.1 涂層材料的多元化

單涂層與基材材料的物理特性及晶格類型的不同,導致基體與涂層之間存在較大的殘余應力,結合力不強。在單涂層中加入新的元素(如加入鋯、釩等會提高耐磨損性,加入硅會提高硬度并防止化學擴散,加入鋁、鉻會提高抗氧化性)制備出的多元刀具涂層材料,極大地提高了刀具的綜合性能。涂層材料也已從最開始的TiN、TiA1N、TiCN發展到現在的TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN、AlCrN、A1CrSiN,TiBN、CrN、ZrN、A12O3等幾十種涂層材料。

7.2 涂層結構的創新及切削加工的綠色化

涂層結構的創新及切削加工的綠色化是重要的發展方向。改善涂層結構,可有效提高涂層刀具的膜基結合力,對刀具使用壽命有重要影響。高速干切削可大幅提高加工效率,提高加工精度,降低表面粗糙度。無論從環保角度還是從加工性能以及經濟角度考慮,制造能滿足干式切削條件的涂層刀具是綠色加工的重要發展目標。

參考文獻

[1] 楊曉嬋日本住友電工開發新型淬火鋼加工用CBN材料[J]. 現代材料動態, 2015(5):2-3

[2] 近藤曉裕田中裕介前田浩一在高強度鋼的高速切削加工中硬質被覆層發揮優異的耐磨損性的表面被覆超硬合金制切削工具: CN, CN 1820880 A[P]. 2006.

[3] 佚名. 肯納金屬新推BeyondDrive刀片系列[J]. 制造技術與機床, 2015(9):5-5.

[4] 京瓷. 刀具未來將更好的服務中國市場[J]. 工程機械, 2016.

[5] 李佳, 陳利, 王社權. TiAlSiN多元合金化PVD涂層的研究及其在切削刀具中的應用[C]// 第十次全國硬質合金學術會議. 2010.

[6] 周磊. 硬質合金高溫化學氣相沉積TiN涂層工藝及性能研究[D]. 西華大學, 2011

[8] 佚名. 三菱綜合材料高硬度鋼車削加工用涂層CBN材質“BC81系列”[J]. 工具展望, 2016(6):23-24.

[9] 余東海. 刀具涂層材料研究進展[J].工具技術,2007(4):25-32

[10] 佘建芳. 2000層PVD技術[J]. 硬質合金, 2002(1):24

[11] http://www.ionbond.com/coating-services/cutting-tools/bernextm-cvd/

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