欢迎您来到:北京沃尔德金刚石工具股份有限公司

友情链接: 廊坊西波尔    西波尔旗舰店

版权所有: 北京沃尔德金刚石工具股份有限公司

网站支持:中企动力 北二分

>
>
>
刀具涂层技术介绍(二)

刀具涂层技术介绍(二)

浏览量
【摘要】:
刀具涂层技术介绍(二)5.刀具涂层结构涂层结构一般分为单涂层、多涂层、复合涂层、梯度涂层及纳米结构涂层等结构分类。单涂层也叫普通涂层,只由一种成分构成,在薄膜的纵向生长方向上涂层成分稳定。在PVD技术发展初期一直采用单一涂层的技术,典型的单一涂层有TiCN等。多涂层,由多种成分稳定、性能各异的薄膜叠加而成。常见的多层涂层由2种不同膜组成,层数可达十几层以上。每层薄膜尺寸最小为几十纳米,例如A1N+

刀具涂层技术介绍(二)

5.刀具涂层结构

涂层结构一般分为单涂层、多涂层、复合涂层、梯度涂层及纳米结构涂层等结构分类。

单涂层也叫普通涂层,只由一种成分构成,在薄膜的纵向生长方向上涂层成分稳定。在PVD技术发展初期一直采用单一涂层的技术,典型的单一涂层有TiCN等。

多涂层,由多种成分稳定、性能各异的薄膜叠加而成。常见的多层涂层由2种不同膜组成,层数可达十几层以上。每层薄膜尺寸最小为几十纳米,例如A1N+TiN涂层等。与单层涂层相比,多层涂层可有效地抑制粗大晶粒组织的生长,改善涂层组织状况。

采用PCD多层涂层结构的CBN材料刀具可应用于连续、断续切削的广泛加工领域,耐磨损性、耐破损性大幅提高[8]

对刀片进行TiCN-AL2O3-TIN多层涂层,涂层内层的TiCN与基体有较强的结合力和强度,中间的Al2O3作为一种有效的热屏障可允许有更高的切削速度,外层的TiCN保证了前刀面和后刀面的抗磨损能力,最外一层金黄色薄层的TiN使得容易辨别刀片的磨损状态[9]

TiN与A1N可形成一种纳米多层涂层,层数可达千余层,其与基体结合强度高,涂层硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剥离性强,而且可显著改善刀具表面粗糙度,其寿命是TiN、TiAlN涂层的2~3倍[10]

6.刀具涂层的制备技术

涂层成分能否在涂层刀具上发挥应有的性能,除了涂层与基体的结合强度、涂层及界面组织结构、择优取向、各单层厚度及总厚度等决定涂层刀具性能的重要因素外,在很大程度上还取决于涂层工艺的技术。

刀具涂层技术有多种,常见的有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、溶胶—凝胶法(Sol-Gel)、等离子体化学气相沉积技术(PCVD)、离子辅助沉积(IBAD)、中温化学气相沉积(MT-CVD)等方法。

6.1 化学气相沉积(CVD

CVD涂层是最早出现、也是最常见的涂层方法,已经沿用多年。CVD法是在一个化学反应容器内加热基体,并将基体暴露于气流之中。这些气体在被加热的基体表面分解,形成一层涂层。一般CVD涂层需要的温度约为1000℃左右。二十世纪六十年代,CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理,采用TiN、TiC、TiCN、Al2O3等单层及多元多层复合涂层的沉积。到二十世纪八十年代中后期,美国已有85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理,其中CVD涂层占到99%。九十年代中期,CVD涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占80%以上。

CVD工艺亦有其先天缺陷:一是工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度下降;二是薄膜内部呈拉应力状态,易导致刀具使用时产生微裂纹;三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染。而后,发展出中温化学气相沉积(MT-CVD)方法,可获得致密纤维状结晶形态的涂层,涂层厚度可达8-10μm,涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性,MT-CVD涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用,其寿命可比普通涂层刀片提高一倍左右。

Bernex™ BPXpro系列CVD涂层系统是爱恩邦德公司提供的技术产品之一,典型的工艺温度为HT CVD工艺的温度为900到1050 °C,Bernex™ MT CVD工艺的温度为720到900 °C,具有低应力、扩散结合的形式而带来较好的涂层粘附性、高承载能力、优异的涂层均匀性,可以在复杂的几何形状的零件做涂层,包括某些有内径的零件[11]

6.2 物理气相沉积(PVD

PVD 工艺包括电弧蒸发、溅射、离子镀以及增强溅射等,依据产生等离子体的方法及沉积材料的气化方法的不同,可分为:阴极电子弧沉积法、非平衡磁控溅射法、三极管高压电子束蒸发法及动力学离子束混合法等方法。

物理气相沉积所需的沉积温度较低,TiA1N、TiN等硬涂层的沉积温度可以达到500℃以下。涂层和基体间在低温下不易发生脱碳现象或产生η相,对基体材料限制少。涂层内部具有压应力,抗裂纹扩展能力强,适合于对硬质合金精密复杂刀具进行涂层。涂层表面摩擦系数低,能更有效地阻止前刀面的横向裂纹的扩展。对环境无不利影响,符合绿色制造的发展方向。

7.刀具涂层的发展方向

7.1 涂层材料的多元化

单涂层与基材材料的物理特性及晶格类型的不同,导致基体与涂层之间存在较大的残余应力,结合力不强。在单涂层中加入新的元素(如加入锆、钒等会提高耐磨损性,加入硅会提高硬度并防止化学扩散,加入铝、铬会提高抗氧化性)制备出的多元刀具涂层材料,极大地提高了刀具的综合性能。涂层材料也已从最开始的TiN、TiA1N、TiCN发展到现在的TiSiN、TiSiCN、TiAlSiN、AlCrN、A1CrSiN,TiBN、CrN、ZrN、A12O3等几十种涂层材料。

7.2 涂层结构的创新及切削加工的绿色化

涂层结构的创新及切削加工的绿色化是重要的发展方向。改善涂层结构,可有效提高涂层刀具的膜基结合力,对刀具使用寿命有重要影响。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。无论从环保角度还是从加工性能以及经济角度考虑,制造能满足干式切削条件的涂层刀具是绿色加工的重要发展目标。

参考文献

[1] 杨晓婵日本住友电工开发新型淬火钢加工用CBN材料[J]. 现代材料动态, 2015(5):2-3

[2] 近藤晓裕田中裕介前田浩一在高强度钢的高速切削加工中硬质被覆层发挥优异的耐磨损性的表面被覆超硬合金制切削工具: CN, CN 1820880 A[P]. 2006.

[3] 佚名. 肯纳金属新推BeyondDrive刀片系列[J]. 制造技术与机床, 2015(9):5-5.

[4] 京瓷. 刀具未来将更好的服务中国市场[J]. 工程机械, 2016.

[5] 李佳, 陈利, 王社权. TiAlSiN多元合金化PVD涂层的研究及其在切削刀具中的应用[C]// 第十次全国硬质合金学术会议. 2010.

[6] 周磊. 硬质合金高温化学气相沉积TiN涂层工艺及性能研究[D]. 西华大学, 2011

[8] 佚名. 三菱综合材料高硬度钢车削加工用涂层CBN材质“BC81系列”[J]. 工具展望, 2016(6):23-24.

[9] 余东海. 刀具涂层材料研究进展[J].工具技术,2007(4):25-32

[10] 佘建芳. 2000层PVD技术[J]. 硬质合金, 2002(1):24

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

服务热线

010-5841 1388

我们将竭诚为您服务