硬質合金刀具表面涂層技術的研究
發布時間：2021-04-12
隨著現代機械加工業朝著高精度、高速切削、硬加工代研磨、干加工(無冷卻液)保護環境以及降低成本等方向發展，對刀具性能提出了相當高的要求。開發各種耐磨性能優越，能長時間進行穩定加工的切削材料是必然的發展趨勢。
在切削加工中，刀具性能對切削加工的效率、精度、表面質量有著決定的影響。刀具性能的兩個關鍵指標—硬度和強度，它們之間總存在著矛盾，硬度高的材料強度低，而提高強度往往是以硬度的降低為代價。為了進一步提高硬質合金刀具的耐磨性，發展了硬質合金涂層。硬質合金的涂層作為一個化學屏障和熱屏障，減少了硬質合金刀具月牙的磨損，涂層具有很高的摩擦系數，因而可以顯著地提高其使用壽命。
所謂硬質合金涂層是指在硬質合金表面上涂覆一層硬度和耐磨性很高的物質。在刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜(如TiC，TiN，Al2O3等)組成的涂層刀具，能較好的解決刀具存在的強度和硬度之間的矛盾，這是切削刀具發展的一次革命。
(2)涂層薄膜對基體的韌性影響不大;
(3)降低刀具與工件的摩擦系數;
硬質合金的涂層方法有高溫化學氣相沉積涂層(CVD)、物理氣相沉積涂層(PVD)、等離子化學氣相沉積涂層(IBVD)、中溫化學氣相沉積涂層(MTCH)和離子輔助物理氣相沉積涂層(IBVD)等，最常用的方法是高溫化學氣相沉積涂層和物理氣相沉積涂層，并且不同的涂層方法有不同的涂層機理、優點和缺點。
2.1 高溫化學氣相沉積涂層
2.1.1 高溫化學氣相沉積涂層的機理
(2)該沉積反應必須在一定的能量激活條件下進行。
2.1.2 高溫化學氣相沉積涂層的優點
高溫化學氣相沉積涂層具有以下優點:
(1)高溫化學氣相沉積所需要涂層源的制備相對容易;
(2)可以實現TiC，TiN，TiCN，TiB，Al2O3等單層及多元層復合涂層;
(3)涂層與基體之間的結合強度高;
(4)涂層具有良好的耐磨性能。
2.1.3 高溫化學氣相沉積涂層的缺陷
雖然高溫化學氣相沉積涂層具有以上優點，但是，它還存在先天性的缺陷。其缺陷:
(2)涂層內部為拉應力狀態，使用時容易導致微裂紋的產生;
(3)在涂層過程中排放的廢氣、廢液會造成工業污染，對環境的影響較大，與目前提倡的綠色工業相抵觸，因此，在90年代中后期這種方法的發展受到了一定的制約。
物理氣相沉積涂層出現于20世紀70年代末期，其技術在高速鋼刀具領域的成功應用，引起了世界各國的高度重視，人們在競相開發高性能、高可靠性涂層設備的同時，也對其應用領域的擴大進行了更加深入的研究，尤其是在硬質合金、陶瓷類刀具領域的應用。
物理氣相沉積涂層是指真空條件下，用物理的方法將涂層材料汽化為原子、分子或電離成離子，再通過氣相過程在硬質合金的表面沉積成涂層。此方法的過程可以分為三步:第一步是將涂層材料汽化，即使涂層材料蒸發、升華和分解等，成為涂層源;第二步是涂層材料的原子、分子或離子遷移到硬質合金表面的過程，在這一過程中，原子、分子或離子之間可能發生碰撞，產生離化、復合、反應、能量的變化和運行方向的改變等一系列復雜的過程;第三步是涂層的原子、分子或離子在硬質合金表面的吸附、堆集、形核和長大到最終形成涂層。
(3)對環境不產生污染，符合目前綠色工業的發展方向;
(3)涂層的刀具幾何形狀單一，限制其優越性的發揮;
(4)涂層與基體在冷卻時由于收縮率不同而產生內應力和微裂紋。
2.3 等離子化學氣相沉積涂層
2.3.1 等離子化學氣相沉積涂層的機理
2.3.2 等離子化學氣相沉積涂層的優點
等離子化學氣相沉積涂層的優點:
(1)它利用等離子體促進化學反應，可以把涂層溫度降至600℃以下;
2.3.3 等離子化學氣相沉積涂層的缺點
等離子化學氣相沉積涂層的缺點:
(1)設備投資大，成本高，對氣體的純度要求高;
(2)涂層過程中產生的劇烈噪音、強光輻射、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對人體有害;
(3)對小孔孔徑內表面難以涂層等。
2.4 中溫化學氣相沉積涂層
2.4.1 中溫化學氣相沉積涂層的機理
2.4.2 中溫化學氣相沉積涂層的優點
中溫化學氣相沉積涂層的優點:
(1)沉積速度快;
(2)涂層厚;
(3)對于形體復雜的工件涂層均勻;
(4)涂層附著力高;
(5)涂層內部殘余應力小。
2.4.3 中溫化學氣相沉積涂層的缺點
中溫化學氣相沉積涂層的缺點:
(1)涂層層內部為拉應力狀態，使用時容易導致微裂紋的產生;
(2)在涂層過程中排放的廢氣、廢液會造成工業污染，對環境的影響較大，與目前提倡的綠色工業相抵觸，因此，這種方法的發展受到了一定的制約。
TiC顏色為灰色，表面硬度為HV3000，開始氧化溫度為400℃，密著強度一般。它表面硬度雖然高，但是附著力和耐熱性比較低。
用TiC涂層的硬質合金最早出現是涂層刀具。它涂層的厚度5～7μm，硬度達HV2300～3250。用TiC涂層硬質合金的主要特點:涂層硬度高，且易于擴散到基體內，因而涂層與基體結合強度高，抗粘、耐用度較高和抗氧化性能好。這種涂層的硬質合金刀具對鋼的摩擦系數小，適用于加工鋼材，切削時刀具磨損小。但是，在涂層與基體之間會產生脫碳層(脆性相)，此脫碳層會隨著涂層厚度的增大而增厚，導致刀片抗彎強度降低，脆性增加，切削時易崩刀。
TiN顏色為金黃色，表面硬度為HV2000，開始氧化溫度為600℃，密著強度很好。它的熱膨脹系數與高速鋼相近，與高速鋼的附著力好。
用TiN涂層的硬質合金涂層厚度為8～12μm，其主要特點:涂層硬度比TiC低，與基體的結合強度比TiC差。但是，TiN涂層導熱性好，與鐵基體材料的摩擦系數比TiC涂層小，所以，抗月牙磨損性能較好。此外，TiN涂層與基體之間不易產生脆性相，因此，涂層允許厚度比TiC涂層大。
TiCN顏色為紫紅色，表面硬度為HV2700，開始氧化溫度為450℃，密著強度好。它具有TiN的密著強度好和TiC的耐磨性好的優點，硬度比TiN高，且摩擦系數小，對粘結性有一定的抑制作用。
用TiCN涂層硬質合金，可以降低涂層的內應力，提高涂層的韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴散，減少刀具崩刃。將TiCN作為涂層刀具的主涂層，兼有TiC的良好韌性和TiN的良好硬度，可以顯著地提高刀具的使用壽命。
氧化鋁(Al2O3)的特點是在高溫下具有良好的熱穩定性和化學性質，機械強度最高。
在抗氧化磨損和抗擴散磨損性能上，沒有任何材料能與氧化鋁(Al2O3)相比，但是由于氧化鋁(Al2O3)與硬質合金基體的物理、化學性能相差太大，單一的氧化鋁(Al2O3)涂層無法制成理想的涂層硬質合金刀具。多層涂層及相關技術的出現，使得涂層既可以提高與硬質合金基體的結合強度，同時又能具有多種材料的綜合性能，用它涂層的硬質合金刀具適合于切削時產生大熱量的場合。
TiAlN顏色為紫黑色，表面硬度為HV2800，開始氧化溫度為800℃，密著強度很好。它的附著力比TiN涂層大，耐熱性能優越，開始氧化溫度高，所以適合于高速加工及高硬度鋼加工。
用TiAlN涂層的硬質合金刀具的抗氧化性極好，高溫硬度好，涂層材料開始分解的溫度比其它涂層要高，這種特性可以使涂層硬質合金刀具避免受高溫的危害，從而保護切削刃。TiAlN涂層硬質合金刀具適合模具的精加工，在無切削液的情況下，它可以高速切削淬火鋼，而不受所產生的切削熱影響。TiAlN涂層硬質合金刀具雖然有很高的熱穩定性，在傳統的切削參數下工作，切削性能優于TiN涂層，但是其壽命不比TiN涂層刀具長，只有在高速切削條件下，才能使其使用壽命大幅度提高。
由于單一涂層材料無法滿足對刀具綜合機械性能的要求，涂層成分向多元化發展已成為必然趨勢。其目的是為了綜合利用各種涂層成分的優點，使其獲得更好的綜合性能。為滿足不同的切削加工的要求，涂層成分會更為復雜、更具有針對性;每單層成分也會越來越薄，并且逐步趨于納米化;涂層溫度會愈來愈低;刀具涂層工藝則會向更合理的方向發展。常用的多滲層涂層硬質合金為TiC-TiN，TiC-TiCN-TiN，TiC-Al2O3，TiC-Al2O3-TiN4大類。前兩類適用于普通半精及精切削加工，后兩類適用于高速及重負荷切削。
用TiC-TiN涂層硬質合金刀具基體表面第一層為TiC，其厚度約為1μm，外層是TiN。其主要特點:基體表面先涂一層TiC，目的是獲得良好的結合強度。接著是相互滲透的碳、氮化物復合涂層，最外層為TiN。這種復合涂層與單純的TiC涂層相比較，其優點是導熱系數大，抗粘附磨損性能較高，并且涂層與基體結合強度較高。即此復合涂層兼TiN涂層和TiC涂層的優點。
TiC-TiCN-TiN涂層硬質合金的第一層為TiC，第二層為TiCN，第三層為TiN。第一層的TiC與硬質合金基體結合緊密，使得涂層不易脫落;第二層的TiCN為過渡層，它兼有TiC和TiN的特性，在第一層與第三層之間起到緩沖作用;第三層的TiN是利用TiN的硬度提高硬質合金刀具的耐磨性，延長刀具的使用壽命。
由于TiC與硬質合金基體結合緊密，使得涂層不易脫落，而TiC相與氧化鋁(Al2O3)相的密排原子面相接觸，因此，氧化鋁(Al2O3)與TiC的面間粘結力被最大化，這樣能獲得致密而滿意的氧化鋁(Al2O3)涂層，并且這種涂層中的裂紋也很少，在切削過程中與硬質合金基體剝離的傾向也很小，可用于高速切削。
TiC-Al2O3-TiN涂層硬質合金刀具，在基體上涂覆的TiC涂層可以保證涂層與基體的牢固粘結，并使刀具在中、低速切削條件下具有高的抗機械磨損性能;在其上涂覆Al2O3涂層，則可獲得在高溫下良好的化學穩定性和絕熱性，使刀具基體不會因溫度太高而產生塑性變形，因而在高速切削時有高的耐用度;在Al2O3涂層上再涂覆一層TiN，則可使刀具的摩擦系數小，切屑能順利排除，可降低切削溫度和防止粘刀現象，減少刀具的月牙洼磨損，而且還可以減少積屑瘤的產生。
CrC涂層的硬質合金刀具摩擦系數小(0.1～0.15)，抗氧化溫度高。由于材料的親和性，以上涂層硬質合金刀具不適合加工鈦和鈦合金類材料，而CrC和CrN涂層硬質合金是一種無鈦涂層，可有限的切削鈦、鈦合金和鋁，以及其它軟材料。
4、結論
以上內容摘自互聯網
丹普隨時準備滿足您的特殊要求！
北京丹普表面技術有限公司
聲明：本站部分圖片、文章來源于網絡，版權歸原作者所有，如有侵權，請點擊這里聯系本站刪除。
| 返回列表 | 分享給朋友： |
- 上一篇：金屬材料硬度計的單位選擇
- 下一篇：氧化銦錫薄膜內應力和其附著性質之研究…
京公網安備 11010502053715號