涂层刀具技术发展-东莞市线上真人博彩公司有限公司
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        概述:OTF-1200X-4- Ⅲ9HV化学气相沉积系统;OTF-1200X-4- Ⅲ9HV化学气相沉积系统:刀具涂层技术迅速发展,涂层刀具得到了广泛应用。1969年德国克虏伯(Krupp)公司和瑞典山特维克(Sandvik)公司研发成功了化学气相沉积(CVD)涂层技术,并向市场推出了CVDTiC涂层硬质合金刀片产品。20世纪70年代初,美国本夏(R.Runshan)和拉格胡南 (A.Raghuran)研发了物理气相沉积(PVD)工艺,并于1981年将PVDTiN高速钢刀具产品推向市场。当时CVD涂层工艺温度约 1000℃,主要用于硬质合金刀具(刀片)的表面涂层;PVD涂层工艺温度为500℃和500℃以下,主要用于高速钢刀具的表面涂层。后来,CVD和 PVD涂层技术不断迅速发展,在涂层材料、涂层设备和工艺等方面都有了很大进步,而且发展了多层材料的涂覆技术,使涂层刀具(刀片)的使用性能有了很大的 提高。PVD涂层技术过去主要用于高速钢刀具,而近年来随着PVD涂层技术飞跃发展,也成功用于硬质合金刀具(刀片),占领了硬质合金涂层刀具(刀片)的 一半阵地。涂层高速钢刀具和涂层硬质合金刀具(刀片)广泛应用,已占全部刀具使用总量的50%以上。

        优越性:在韧性较好的刀具(刀片)基体上进行表面涂层,涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高温材料的薄层(如 TiN、TiC等),使刀具(刀片)具有全面、良好的综合性能。未涂层高速钢的硬度仅为62~68HRC(760~960HV),硬质合金的硬度仅为 89~93.5HRA(1300~1850HV);而涂层后的表面硬度可达2000~3000HV以上。

        ①由于表面涂层材料具有很 高的硬度和耐磨性,且耐高温。故与未涂层的刀具(刀片)相比,涂层刀具允许采用较高的切削速度,从而提高了切削加工效率;或能在相同的切削速度下,提高刀 具寿命。

        ②由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小,故涂层刀具(刀片)的切削力小于未涂层刀具(刀片)。

        ③ 用涂层刀具(刀片)加工,零件的已加工表面质量较好。

        ④由于涂层刀具(刀片)的综合性能良好,故涂层硬质合金刀片有较好的通用性, 一种涂层硬质合金牌号的刀片具有较宽的使用范围。

        应用情况:涂层刀具在切削刀具中占的比例已达到80%。由于国外企业在高端刀具领域占据垄断地位,在我国数控机床专项中,刀具及其核心涂层技术的地位日益受到重视,对涂层技术的突破被列入多项课题研究中。

        技术进步:笔者多次参观了国际机床工具展览会,收集到很多资料,并听取了各大工具公司的技术报告,从而了解到刀具产品表面涂层技术的发展和进步。

        CVD 进展:等离子体化学气相沉积装置;等离子体化学气相沉积装置。

        过去,硬质合金刀具表面涂层采用高温化学气相沉积(HTCVD)工艺。在常压或负压的沉积系统 中,将纯净的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等气体根据沉积物的成分,按一定配比均匀混和,依次涂到具备一定温度(一般为 1000~1050℃)的硬质合金刀片表面,即在刀片表面沉积TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它们的复合涂层。HTCVD仍是使用最 多的工艺方法,除HTCVD外,还有等离子体化学气相沉积(PCVD)工艺,它是在硬质合金刀具(刀片)表面涂层的另一种方法,因这种涂层工艺温度较低 (700~800℃),故刀片的抗弯强度降低。因为TiC与基体材料的线膨胀系数最接近,通常用TiC薄层先涂在基体表面上,外面再涂TiN、 Al2O3,如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN等。

        后来,发展了各种不同组合的多层涂层。笔者在多次展览会上调查和统计了瑞典、德国、美国、日本、韩国、以色列和中国各公司的CVD涂层硬质合金刀片 产品,涂层材料有以下组合:TiCN/Al2O3、TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/Al2O3、TiCN/Al2O3/TiN、TiCN /TiC/Al2O3/TiN、TiCN/Al2O3/TiCN、TiN、TiC/TiCN/TiN、TiN/TiCN/TiN等。可以看出,近年多用 TiCN或TiN作底层,这是因为基体硬质合金有了改进,例如采用了梯度结构,才有可能用TiCN或TiN垫底。此外,TiN涂层不宜单独使用,因为与硬 质合金相比,TiN的硬度提高不多,TiN必须与TiC、TiCN、Al2O3等组合使用。

        早期,PVD涂层均采用“真空蒸镀法”,膜层往往不均匀,与基体的结合不够牢固,后发展了“真空磁控溅射法”和“真空等离子镀工艺”,效果很好。刀具表 面涂层主要用后两种方法。
        早年,PVD涂层只用于高速钢刀具,涂层材料几乎只用TiN一种。后来,改进了涂层工艺,发展了多种涂层 材料和多层涂层,在硬质合金刀具上也得到了大量的应用。涂层效果比以往大有进步。TiN涂层材料仍在使用,新兴的涂层材料是TiAlN和AlTiN,其使 用效果优于TiN。

        欧洲的PVD涂层技术水平最高,领先于其他国家和地区。知名的厂商有德国赛利(CemeCon)涂层技术有限公司、欧瑞康巴尔查斯 (OerlkonBalzers)公司、德国PVT等离子真空技术公司和丹麦尤尼莫克(Unimerco)公司等。他们的PVD涂层设备和工艺先进,涂层 材料品种多,涂层刀具和其他产品使用性能好。

        国外一些知名的高速钢和硬质合金工具厂,都有涂层刀具(刀片)产品,但涂层设备和工艺多购自涂层技术的专业 公司,或与之合作,而不是自行研制。据悉,瑞典山特维克公司和以色列伊斯卡公司的PVD涂层设备都是从欧瑞康巴尔查斯公司购进的。中国也应当这样做,这是 一条既好又快的道路。例如,中国哈尔滨第一工具厂和德国PVT公司合作,成立了哈一工普威特镀膜合资股份公司。欧瑞康巴尔查斯公司在全球设有77个涂层中 心,在中国苏州、天津和汉江各设有一个中心,中国邻近城市和地区的工具厂家,其涂层产品多在上述中心进行涂层。湖南株洲硬质合金厂和四川自贡长城硬质合金 厂的涂层设备都是从国外引进的。

        CVD应用:利 用“热丝CVD法”、“等离子体喷射CVD法”、“火焰燃烧法”等工艺能在硬质合金或高速钢刀具表面沉积金刚石薄膜(10μm)。CVD金刚石膜的力学、 物理性能介于天然金刚石和热压聚晶PCD金刚石之间,能够有效地加工有色金属。

        如增加沉积时间,可在基体或衬底(一般用硅片)上沉 积出厚度大于0.5mm的厚膜。将厚膜从基体上剥离,并切割成一定形状的小块,再将小块钎焊在基体刀片(一般为硬质合金刀具)上使用。CVD厚膜金刚石刀 具应用范围大于薄膜涂层刀具。在CIMT2007上,很多国内外刀具公司都有CVD薄膜金刚石涂层刀具产品,但只有少数厂家有厚膜产品。北京东方天地超硬 材料工具公司能生产金刚石厚膜刀具产品,并且已有多年的经验。厚膜刀具应用范围较广,能加工各种有色金属、非金属硬材料及颗粒增强的复合材料等。

        PVD应用:武汉大学物理系用直流反应磁控溅射法在刀具表 面沉积出氮化碳(CxNy)超硬涂层薄膜,厚度只有几个微米,硬度可达40~50GPa。CxNy涂层刀具能切削黑色和有色金属。
        对涂层高速钢和硬质合金刀具(刀片)的切削性能进行了长期的研究,进行了很多科学实验。兹介绍部分实验数据如下:① 在相同的切削条件下,涂层刀具刀片的使用寿命比未涂层刀具(刀片)提高3~5倍。在相同的切削条件下,相同刀具寿命时,涂层刀具的切削速度比未涂层刀具提 高20~30%。②在相同的切削条件下,涂层刀具(刀片)的切削力小于未涂层者。笔者用涂覆TiC硬质合金刀片车削钢材与未涂层刀 片对比,主切削力Fc可减小3%~4%,TiN或TiC/TiN涂层刀片的Fc约可减小6%,进给力Ff与切深力Fp的减小尤为显著。Al2O3涂层刀片 与切削力的减小效果与TiN涂层刀片接近。③笔者曾用CVD涂层金刚石厚膜刀具,加工过硅铝合金、各种硬铝、铅黄铜、无氧铜、碘化 钛以及纤维增强和颗粒增强的复合材料等,均取得较好效果。但用作超精密切削的刀具,其效果不如天然金刚石刀具。④笔者曾用CxNy 涂层高速钢钻头在高强度钢上钻孔,与未涂层钻头相比,涂层钻头的使用寿命提高7~9 倍。在其他高速钢刀具上涂覆CxNy,亦有显著效果。又曾在硬质合金刀片上涂覆CxNy,用以车削钢料,效果尚不够理想,其使用寿命不超过普通TiC涂层 硬质合金刀片。

        中国的刀具涂层技术与工业发达国家相比尚有很大差距,涂层刀具的数量也差得很远,大致只占全部刀具的20%。其中数 控机床和加工中心上使用得多一些,在普通的非数控机床上则少得可怜,原因是认识问题和价格等因素。我们应该努力提高刀具涂层技术和应用技术的水平,大力推 广应用涂层刀具,促进切削加工和机械制造水平的提高。

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