硬质合金涂层刀具（共7篇）
硬质合金涂层刀具 篇1
0 引言
刀具是机械制造中用于切削加工的工具, 随着被切削材料的不断改进, 刀具的材料也经历了高碳工具钢、合金工具钢、高速工具钢、硬质合金、金刚石、陶瓷等过程的变迁。随着汽车、航空航天业的发展, 有色金属、各类增强塑料、增强金属、石墨以及陶瓷等材料应用越来越广泛, 这对切削这些材料的刀具也提出了很高的要求, 如果采用目前市场上比较多的高速钢和硬质合金刀具切削这些难加工材料, 刀具将磨损非常严重。金刚石作为一种高硬度、高导热系数、低摩擦系数的材料, 是制作这种难加工材料切削刀具的理想原料。
但是, 自然界中天然金刚石矿产稀少、开采困难、价格昂贵, 制约了天然金刚石刀具的应用, 到了20世纪, 人工合成金刚石技术突破发展, 主要有高温高压合成金刚石技术 (HPHT) 和低压合成金刚石技术, 特别是低压合成金刚石技术能生成连续的金刚石薄膜, 将这层薄膜涂覆在硬质合金刀具上, 既可保证刀具表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小、热导率低等特性, 又能克服纯金刚石刀具价格昂贵的缺点。目前这种金刚石涂层刀具已经逐渐得到应用, 化学气相沉积法 (简称CVD) 是制备金刚石膜的一种最常用方法, 也是产业化前景最好的方法。但当前限制CVD金刚石硬质合金涂层刀具应用的主要问题是金刚石涂层与刀具基体之间的附着性能较差, 切削加工过程中在切削力的作用下, 较低的结合力就能使金刚石膜过早剥落, 会大大降低涂层刀具的切削性能和使用寿命。本文将对HFCVD (热丝CVD) 法制备硬质合金刀具金刚石涂层过程中的关键要素进行总结分析。
1 反应室内部布局
图1为HFCVD法制备刀具金刚石膜的装置结构图。
刀具基体放到工作台上, 反应气体从进气口进入反应室, 气体经过被加热的电丝后, 产生活性离子, 活性离子不断吸附在刀具基体上产生化学反应, 反应物逐渐沉积, 形成金刚石晶核, 晶核生长成微晶, 进而在刀具基体表面生成连续的金刚石膜。
要想在刀具基体的几个工作表面上均生成均匀的金刚石膜, 反应气体就要均匀地流过刀具基体表面, 但从图1可以看出, 反应气体从进气口出来, 要经过电丝, 然后到达基体, 从气体流动分析看, 进气口到基体的距离、电丝之间的距离 (疏密程度) 、电丝到基体的距离, 基体之间的距离 (疏密程度) , 这些因素都会影响到气体的流动, 比如进气口到基体的距离越大, 气体到达刀具基体底部的流速就越慢, 甚至达不到底部;电丝之间的距离越小, 阻挡效应就越大;电丝到基体的距离越小, 阻挡效应也越大;基体之间的距离越小, 基体之间的气体流动越不顺畅。试验研究表明, 基体之间的距离对气体流动影响最大。所以在HFCVD法制备刀具金刚石膜的过程中, 一定要控制好以上几个距离参数。
2 刀具基体预处理
硬质合金刀具金刚石涂层最关键的是膜/基结合强度, 结合强度低, 金刚石膜容易在切削过程中脱落。硬质合金刀具基体的表面如果不经过预处理, 会存在一定的缺陷, 比如孔隙、杂质、残余应力等, 这些缺陷将影响金刚石成核密度, 使粘结相钴对金刚石成核和生长的影响发生改变。基体的表面预处理, 就是在涂层前清除表面的杂质、氧化物以及改变刀具体表面的微观结构, 以此增大反应气体与刀具基体表面的接触面积, 提高金刚石在异质基体上的成核密度, 提高附着力。常用的刀具基体预处理方法有以下几种:一是基体表面的机械处理, 如金刚石微粉研磨、镶嵌、荷能离子轰击等;二是化学酸液清洗法, 目的就是使刀具基体表面的钴元素与酸发生化学反应, 形成稳定的化合物;三是激光表面热处理, 目的是使表面WC颗粒细化, 粘结相钴结构发生改变, 得到强化;四是氧化处理, 利用二氧化碳气体, 使基体表面的WC和钴元素发生氧化反应, 使钴含量下降, WC颗粒裸露, 有利于金刚石的成核;五是添加粘结促进剂, 与金属先行反应, 阻碍进一步扩散, 减少石墨化;六是中间层法, 在刀具基体和金刚石膜中间沉积一层过渡层, 可以阻止钴元素的扩散, 避免两者热膨胀系数不匹配, 提高附着力。
3 工作台结构
图2和图3为两种工作台的平面结构示意图。
根据以上两个工作台的结构, 并结合图1中进气口气体流动的方向, 不难看出实体结构的工作台对气流有阻挡作用, 从而导致反应气体不能顺畅地流过刀具体, 从而影响金刚石膜的均匀附着;如果是网状结构, 气流会从网孔处向下顺利流动, 从而使刀具体可以被均匀的反应气流包围, 金刚石膜的吸附性要明显好于实体结构工作台。当然, 网孔状工作台上网孔的直径大小和间距也需要合理设计, 配置一个最优参数。
4 沉积温度
从金刚石膜的成型过程看, 主要是由成核和生长两个阶段组成。成核阶段, 在刀具基体上会形成一定数量独立的金刚石晶核;生长阶段, 晶核不断长大并逐渐连接在一起, 整体覆盖在刀具基体表面, 然后向上生长, 达到一定厚度。经研究分析, 沉积温度对金刚石薄膜的结构、晶形、质量和生长速率影响很大, 沉积温度过低, 刀具基体上方的原子氢浓度较低, 活性也下降, 不利于原子氢对刀具基体表面结合键的刻蚀, 从而使得非晶碳成分增多, 降低了金刚石膜的附着力;沉积温度逐渐升高, 虽然原子氢的浓度增加, 活性增强, 但如果温度过高, 硬质合金刀具基体内的粘结相钴就会向基体表面扩散, 将碳转化为石墨, 会降低金刚石涂层的质量。所以, 控制沉积温度值和均匀性是金刚石膜质量和厚度一致的必要条件。
5 结语
通过以上分析可以看出, 影响硬质合金刀具HFCVD金刚石涂层的关键要素有很多, 既有反应室内各部分的布局影响, 也有刀具基体预处理、工作台结构、沉积温度等方面的影响, 当然还有其他影响因素在本文里未被提及, 只有在制备金刚石膜的过程中充分考虑到上述影响因素, 试验、分析得出一套合理的制备参数, 才能在硬质合金基体上得到均匀、附着力强的金刚石薄膜。
参考文献
[1]胡如夫, 孙方宏.改善CVD金刚石薄膜涂层刀具性能的工艺研究[J].机械设计与研究, 2007, 23 (1) :74-76.
[2]赵云.硬质合金基体上金刚石涂层沉积条件对其结合性能的影响[D].南京:南京航空航天大学, 2011.
[3]杨仕娥.硬质合金刀具基体上金刚石涂层的制备及其附着性能的研究[D].郑州:郑州大学, 2002.
[4]卢文壮.CVD金刚石涂层刀具的制备及其切削性能研究[D].南京:南京航空航天大学, 2008.
涂层技术及刀具涂层知识 篇2
2, CVD金刚石涂层:表面硬度高达Hv9000的CVD金刚石涂层在刀具上的应用已较为成熟, 与PVD涂层刀具相比, CVD金刚石涂层刀具的寿命提高了10~20倍。金刚石涂层刀具的高硬度, 使得切削速度可比未涂层的刀具提高2~3倍, 使CVD金刚石涂层刀具成为有色金属和非金属材料切削加工的不错选择。
3, 刀具表面的硬质薄膜对材料有如下要求:1硬度高、耐磨性能好;2化学性能稳定, 不与工件材料发生化学反应;3耐热耐氧化, 摩擦系数低, 与基体附着牢固等。单一涂层材料很难全部达到上述技术要求。涂层材料的发展, 已由最初的单一TiN涂层、TiC涂层, 经历了TiC—Al2O3 一TiN复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层的发展阶段, 现在最新发展了TiN/NbN、TiN/CN, 等多元复合薄膜材料, 使刀具涂层的性能有了很大提高。
4, 在涂层刀具制造过程中, 一般根据涂层的硬度, 耐磨性, 高温抗氧化性, 润滑性以及抗粘结性等几个方面来选择, 其中涂层氧化性是与切削温度最直接相关的技术条件。氧化温度是指涂层开始分解时的温度值, 氧化温度值越高, 对在高温条件下的切削加工越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层, 但事实证明它在高温加工中要比TiCN有效得多。TiAlN涂层在高温下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具与切屑之间形成一层氧化铝, 氧化铝层可将热量从刀具传入工件或切屑。与高速钢刀具相比, 硬质合金刀具的切削速度通常更高, 这就使TiAlN成为硬质合金刀具的首选涂层, 硬质合金钻头和立铣刀通常采用这种PVDTiAlN涂层。
涂层刀具,引领未来 篇3
提高加工效率、完善装备功能、采用先进的工艺方案是汽车制造的进步之路。在内燃机领域不断倡导的“绿色、环保、小型化、高效化”的背景下, 发动机零部件的使用寿命和性能一直谋求表现更为优异的表面处理技术。涂层刀具已成为现代切削刀具的标志, 在刀具中的使用比例已超过50%。涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低, 以及与基体附着牢固等要求。显然, 单一的涂层材料很难满足上述各项要求。为使得硬质合金能通用于不同工程材料的加工, 刀具制造商们通过添加不同的添加剂 (如:硬质相或金属添加剂) 来制取不同硬质合金牌号。
涂层技术在西方发达国家从20世纪70年代就开始应用于工业生产, 被广泛地应用于切削刀具、成型模具、汽车零部件及工业零部件上, 在提高刀具、模具和零件的耐磨性能, 防腐蚀性能以及降低摩擦 (降低摩擦系数和自润滑) 方面都有着非常广泛和成功的应用。更前沿的压制技术、烧结技术、涂层技术及涂层后处理技术, 更多样的表面处理方式, 能对刀片切削刃进行更优化的处理, 共同使得生产制造的可转位刀片能为现代化金属加工业提供更适合的满足其高效加工需求的解决方案。
涂层刀具的切削性能及发展趋势 篇4
制造业的发展离不开切削刀具, 现代切削刀具已经成为提升制造业技术水平的关键因素之一, 切削加工的要求日趋提高, 如高速、高精度、高效、智能和环保等成为现代切削加工主要追求的目标。而被加工材料的能级不断提高, 如高强和超高强度材料、高韧性、难切削等材料层出不穷。新形势下对切削加工还提出了特殊要求, 如加工硬度50HRC以上的硬加工、微润滑和无润滑的干切削不断涌现, 使切削加工中的个性化特点日见显现。面对这些变化, 若要求在刀具的设计和制造工艺或刀具材料的整体性能上来适应这些要求, 技术上的难度是很大的, 尤其对刀具材料而言, 不仅在资源利用上极不经济, 而且要求材料满足日趋复杂的综合切削性能, 通常难以做到。
采用而涂层刀具是解决上述问题的最佳方案之一, 涂层刀具对改善的刀具性能起着非常重要的作用。经涂层的刀具大大提高了加工效率、加工精度、延长了刀具寿命、降低了加工成本, 由此可以说, 现代制造业的发展推动了刀具业的发展。笔者曾多次参观苏州国际机床及工模具展览会, 收集了许多相关资料, 并听取了各大工具公司对新产品的介绍和技术分析, 从而了解到涂层刀具技术的发展和进步。
1 涂层刀具的性能
刀具涂层技术主要有2大类:化学气相沉积 (CVD) 涂层技术, 物理气相沉积 (PVD) 涂层技术。涂层刀具是在一些韧性较好的硬质合金或高速钢刀具基体上, 涂覆一层耐磨性高的难熔化金属化合物而获得。常用的涂层材料有氮化钛涂层 (Ti N) 、氮碳化钛涂层 (Ti CN) 、氮铝钛或氮钛铝涂层 (Ti Al N/AlTi N) 、氮化铬涂层 (Cr N) 、金刚石涂层 (Diamond) 等。CVD涂层工艺温度约1000℃, 主要用于硬质合金刀具 (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。
1.1 涂层刀具的性能
金属切削刀具中涂层通过延缓各种磨损过程 (前刀面磨损、月牙洼磨损、缺口磨损、粘结磨损等) , 超硬涂层延长了硬质合金刀具的使用寿命, 提高了被加工零件的表面精度, 通过高速、高进给加工显著提高了切削生产率。
1.1.1 延长刀具使用寿命
在相同的切削条件下, 涂层刀具的使用寿命比未涂层刀具提高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%。
例如:涂Ti CN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Ti CN, 亦有显著效果。
1.1.2 减少刀具的切削抗力
在相同的切削条件下, 涂层刀具的切削力小于未涂层者。如:涂覆Ti C硬质合金刀具车削钢材与未涂层刀具对比, 主切削力Fc可减小3%~4%, 涂覆Ti N或Ti CN涂层刀具的Fc约可减小6%, 进给力Ff与切深力Fp的减小尤为显著。
1.1.3 加工范围广, 表面质量高
许多涂层刀具在加工中具有自润滑性和刀具前刀面的抗粘结性。如Ti CN涂层刀具在加工中具有表面自润滑性, 高速切削时表面质量较好。而Cr N涂层刀具具有良好的抗粘结性, 不易产生积屑瘤加工性能大大改善。金刚石涂层刀具, 则可加工非铁金属材料, 如石墨、金属基复合材料、高硅铝合金及其它高磨蚀材料等, 均能获得较好表面质量。
2 涂层刀具的优势
涂层刀具的优势主要表现在具有良好的综合切削性能。如果将未涂层高速钢刀具与涂层高速钢刀具进行切削加工性对比, 可以发现未涂层高速钢的硬度仅为62~68HRC, 硬质合金的硬度仅为89~93.5HRA, 而涂层后的表面硬度可达2000~3000HV以上。
2.1 高耐磨性和红硬性
由于表面涂层材料具有很高的硬度和耐磨性, 且耐高温。故与未涂层的刀具相比, 涂层刀具适合于较高的切削速度, 从而提高了加工效率, 或能在相同的切削速度下, 提高刀具寿命。
2.2 摩擦系数低
由于涂层材料与被加工材料之间的摩擦系数较小, 故涂层刀具的切削力小于未涂层刀具, 加工的表面质量较高。
2.3 涂层刀具具有良好的通用性
涂层刀具具有良好的综合切削性能, 故具有较好的通用性, 一种涂层刀具具有较宽的使用范围。
2.4 涂层刀具具有环保性
从环境保护的角度来看, 迫切需要干加工技术的快速发展。N涂层刀具由于具有良好的红硬性、抗氧化性及比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数, 成为干切削加工中最好的涂层刀具。
3 目前涂层刀具主要存在的问题
尽管近年来我国刀具涂层技术有了多元性发展, 但与工业发达国家相比尚有很大差距, 涂层技术还不够成熟, 高端设备几乎完全依赖由国外引进, 缺乏自主创新, 因此在涂层工艺上很难有突破。目前涂层刀具存在的问题主要有以下几个方面:
3.1 涂层容易剥落
刀具寿命与膜厚有一定的关系, 随膜厚增加刀具寿命也会增加, 但膜层太厚时易引起剥离。加上目前我国涂层工艺尚不成熟, 以现有涂层工艺进行涂层后, 因基体材料涂层材料性质差别较大, 涂层残留内应力大, 涂层基体之间界面结合强度低, 涂层易剥落。
3.2 涂层质量不稳定
目前Ti Al N涂层在成分、薄膜结构、致密性、结合强度以及均匀性等方面尚不成熟, 由于涂层的不均匀性, 影响了刀具整体的寿命和综合切削加工性能。
3.2 涂层刀具的不可重磨性
涂层刀具在切削加工中, 当涂层被磨穿时, 刀具的损坏会急剧下降。由于涂层刀具的不可重磨性, 无法保证连续切削中加工精度要求。
3.2 涂层刀具价格昂贵
由于我国涂层设备多数依赖进口, 涂层设备复杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升。
4 涂层刀具的发展趋势
涂层刀具的发展主要体现在涂层材料的发展, 涂层材料须具有硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、不与工件材料发生化学反应、耐热耐氧化、摩擦因数低, 以及与基体附着牢固等要求。显然, 单一的涂层材料很难满足上述各项要求。所以硬质涂层材料已由最初单一涂层Ti C、Al2O3、Ti N, 进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段。
新开发的Ti CN、Ti Al N、Ti Al N多元、超薄、超多层涂层与Ti C-Al2O3-Ti N等涂层的复合, 在复合涂层中, 各单一成分涂层的厚度将越来越薄, 并逐步趋于纳米化。加上新型的抗塑性变形基体, 在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展。目前, 又突破了在硬质合金基体上涂覆金刚石薄膜技术, 全面提高了刀具的性能。
近年来, 高硬度涂层开始出现。如立方氮化硼 (CBN) 涂层、氮化碳 (CNX) 、多晶氮化物超点阵涂层等, CBN涂层硬度达5200kgf/mm2, 仅次于金刚石, 可有效切削淬火钢其它难加工合金。
结束语
近10年来, 涂层技术在切削刀具上的应用得到了快速普及, 涂层刀具已成为切削加工不可缺少的主流刀具。涂层刀具较好解决了刀具强度和韧性之间的矛盾, 通过优化涂层的晶格结构、添加合金元素及多层涂层组合来提高涂层的强韧性, 以适应不同的切削条件, 大大提高了刀具的耐用度和切削速度。为适应涂层工艺的发展, 涂层的工艺装备也正向着集成化、模块化和智能化方向发展, 并使涂层技术日趋个性化。随着汽车、航空航天、电子、军工等部门对特殊材料需求的增加, 涂层刀具的应用也更显其优越性。目前涂层刀具攻坚难题是对具有纳米多层结构和纳米复合涂层新型刀具涂层材料以及具有特殊性能的刀具软涂层的研究、开发和应用。
参考文献
[1]王启仲.金属切削原理与刀具[M].北京:机械工业出版社, 2008 (04) .
硬质合金涂层刀具 篇5
近代金属切削刀具材料从碳素工具钢、高速钢发展到今日的硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、立方氮化硼等超硬刀具材料, 使切削速度从每分钟几米飚升到千米乃至万米。随着数控机床和难加工材料的不断发展, 刀具实有难以招架之势。要实现高速切削、干切削、硬切削必须有好的刀具材料。在影响金属切削发展的诸多因素中, 刀具材料起着决定性作用。
2006年美国刀具消耗中刀片的材料消耗分别是:硬质合金占76.7%, 陶瓷刀片6.7%, 金属陶瓷刀片4.7%, cBN和PCD等超硬刀片8.8%, 其它刀片占3.1%;硬质合金刀具材料和涂层技术持续不断地发展, 使得其在现代切削中占有的市场份额越来越重, 不断地侵蚀着高速刀具的市场份额。高速钢材料也有长足的进步。对于某些刀具和加工状态而言, 高速钢刀具因具有良好的强韧性仍然占有一定份额。2003年全世界金属切削刀具 (不包括锯削刀具) 消费总额达到约110亿美元, 其中刀片和刀杆占48% (52.8亿美元) , 高速钢刀具占36% (39.6亿美元) , 整体或焊接硬质合金刀具占16% (17.6亿美元) 。
硬质合金涂层刀具 篇6
金刚石涂层刀具的涂层表面光滑度和涂层粘结力的提高是涂层刀具质量改善的两大课题[1]。作为新型刀具涂层材料, 金刚石涂层材料在切削时与刀具基体材料——硬质合金之间的粘结力大小是影响刀具表面涂层材料使用寿命的关键因素。热丝CVD沉积工艺制备金刚石涂层刀具时, 涂层与刀体之间的粘结力的提高、涂层厚度均匀性的改善是目前进行工艺改善的主要方向, 因为这两项指标直接关系着涂层刀具的切削性能及可靠性, 也是金刚石涂层刀具实现产业化必须面对的重要课题。
国内外学者对热丝CVD法金刚石涂层工艺进行了大量研究, 对金刚石涂层各项性能的测定进行了多方面的探索, 为金刚石涂层刀具的研究进展积累了丰富经验, 并取得了许多可贵的技术成果。但是对有关CVD法制备金刚石涂层的耐磨性能和失效机理方面的研究, 目前还处于起步阶段, 且CVD法制备金刚石涂层的评价体系尚未形成, 因而这方面的研究是值得进一步深入的。
以硬质合金作为刀具涂层的基底材料时, 硬质合金材料中钴元素的存在会对金刚石的沉积产生抑制效应, 具体表现在影响金刚石的形核以及促进金刚石相向石墨相转化。进行预处理工艺时, 应以提高基体材料表面激活能、增强金刚石涂膜与基体材料的粘结强度、缩小基体材料与金刚石涂膜之间的热膨胀系数、增大基体材料与碳源气体之间的有效接触为考量。因此, 对硬质合金刀体表面进行预处理首先就要去除其表面的钴元素。
2 酸碱两步预处理法原理
采用酸碱法对硬质合金基体表面的钴元素进行腐蚀处理。首先采用Murakami法 (氢氧化钾与铁氰化钾混合溶液) 移除硬质合金基体表面的WC, 然后利用浓硫酸与双氧水的混合溶液去除基体表面的 元素。元素作为硬质合金材料中的粘结剂, 在热丝CVD法制备金刚石涂层工艺中对石墨的生长有促进作用, 却不利于金刚石的沉积, 影响涂层材料与刀具基体之间的粘结力[2]。图1所示为Co的催石墨作用示意图。
3 实验方法
首先是碱洗, 氢氧化钾和铁氰化钾是用来腐蚀硬质合金表面碳化钨的碱性溶质, 配取不同浓度两种溶质的溶液三组, 编号为J1、J2、J3。然后是酸洗, 浓硫酸和双氧水是用来腐蚀硬质合金表面粘结剂Co的强酸, 配取两者不同组分的溶液三组, 编号为S1、S2、S3。表1所示为酸碱法实验中所需溶液的配比对照表。最后是酸洗, 将三组刀具D1～D3、D4～D6、D7～D9分别浸入强酸溶液中浸泡15s。酸洗过程中刀具浸泡部位产生大量气泡, 并释放大量热量。在碱洗完成后和酸洗完成后, 需要各穿插一步超声波清洗的工艺, 以完全清除硬质合金表面的溶液残留。
碱处理的目的是对硬质合金表面的WC进行腐蚀, Co不会参加与碱溶液的反应, 具体化学反应方程式如下:
酸溶液中, 硬质合金中的粘结剂Co会发生反应, 具体反应方程式如下:
Co+H2SO4→CoSO4+H2↑。 (4)
对9把刀的表面进行扫描电镜SEM拍摄, 分析酸碱两步法后刀具表面形貌的差异。9个样品的反应结束后表面形貌的SEM对比图见图2。
对D3、D6、D9号样品进行热丝CVD法沉积金刚石薄膜。反应过程中, 控制通入沉积室内的丙酮/氢气体积分数为1%～3%, 控制反应室内压强为6kPa, 加热热丝温度升至2 000℃, 沉积工艺进行5h。利用SEM扫描电子显微镜观察9份样品表面的金刚石成核密度。图3所示为9个样品在不同预处理工艺条件下金刚石沉积效果的SEM照片。
4 实验结果分析
由图3中可以发现:D1、D2、D3号样品的碱处理时间较短 (低于45min) , 随着样品碱处理时间的延长, D4、D5、D6号样品表面的腐蚀程度提高, 表面粗糙度上升。进行沉积金刚石后, 金刚石的成核密度也在逐步增加 (由106cm-2逐次增加到107cm-2、108cm-2和109cm-2) 。其中尤其以D5、D6号样品成核密度的提高最为明显, 金刚石晶体几乎遍布样品表面, 这说明当控制酸碱两步法的处理时间在35min左右时, 是较为适合金刚石沉积的预处理时间。随着预处理时间的进一步延长, 样品表面粗糙度进一步提高, 而在其表面进行沉积金刚石涂膜后发现, 这一提高反而引起了成核密度的下降 (下降至105cm-2左右) , 图中可以看到金刚石晶体的积聚。这就说明酸碱两步法的反应时间过长对金刚石形核也有消极影响。
5 结语
(1) 通过对硬质合金涂层刀具的磨损及失效形貌做出了初步分析, 并提出了一种适合对硬质合金YG6进行表面预处理的工艺安排, 可以确定碱溶液中氢氧化钾、铁氰化钾与水的最佳配比为1∶1∶10, 硫酸与双氧水的最佳配比为3∶7。
(2) 根据对涂层后SEM照片的分析, 得出了适合于YG6表面去Co预处理方案的最佳工艺参数安排, 即利用酸碱两步法对硬质合金YG6表面进行处理的最佳工艺安排为碱处理时间45min左右, 酸洗时间为15s左右。
参考文献
[1]戴达煌, 周克崧.金刚石薄膜沉积制备工艺与应用[M].北京:冶金工业出版社, 2001.
硬质合金涂层的效能 篇7
涂层硬质合金刀具已经使用许多年了, 它们在金属加工业中的比重正在稳步增长, 在美国, 目前约有65%的硬质合金刀具是涂层的。
在过去的10年中, 涂层刀具在质量上和性能上都已有显著的改善。其中一部分是由于涂层本身质量有所提高, 即可以控制较好的疏松度和厚度;另一方面, 在控制涂层和基体界面间的冶金技术方面也有所进展, 从而改善了涂层的粘合力, 遏制了降低强度的界面反应。此外, 由于使用了具有耐断裂性和耐热变形的硬质合金基体, 使涂层刀具得到进一步的改善。
除了1970-1972年推广的初期Ti C (碳化钛) 涂层外, 现在还出现了一些其他涂层材料;例如:Ti N (氮化钛) , Hf N (氮化铪) , Al2O3 (氧化铝) 等。诸如Ti N+Ti C, Al2O3+Ti C等复合涂层也已普遍使用了。涂层刀具的普及是由于其优良的耐磨性和耐破裂性带来的[1]。
采用涂层刀具最重要的原因是它在不降低刀具寿命的前提下, 能显著地增加切削速度。图1表示了未经涂层的、具有Ti C涂层的和具有Al2O3涂层的硬质合金刀具的寿命与切削速度的关系曲线。在刀具寿命为10 min时。Ti C涂层刀具允许切削速度增加50%, 而Al2O3涂层刀具可以增加切削速度90%以上。增加切削速度可以显著地提高生产率, 使用涂层刀具是降低成本的最有效方法。
尽管涂层刀具已经使用多年了, 但对在工业加工生产中比磨损量几乎小两个数量级的薄薄涂层为什么竟能如此显著地增加耐磨性的问题, 还没有得到十分满意的解释。初看起来, 大多数说法似乎是有道理的, 但是随着人们对涂层影响磨损过程的更多了解, 其中一些说法已变得不能令人信服了[1]。
1月牙洼磨损
图2表示了具有不同涂层厚度的Al2O3涂层刀具加工40Cr Ni Mo钢时, 月牙洼磨损与时间的一系列关系曲线。用这些数据绘制成图3所示关系曲线。图3表示在涂层被突破以后, 涂层厚度对月牙磨损速度的影响。图4表示涂层厚度对月牙洼耐磨性的影响。分析这些数据可以得出下面三点主要结论。
(1) 在涂层被突破以后月牙洼的磨损速度显著增加。当月牙洼的深度小于5μm (即小于涂层厚度) 时, 磨损速度较低。但在以后磨损速度便增加了。
(2) 涂层被磨透以后, 由于切屑与基体接触, 使磨损速度增加了, 但月牙洼深度发展的速度仍然受留在月牙洼边缘上涂层的强烈影响。图3表示了在这个时期 (月牙洼磨损深度为25~50μm时) 磨损速度随着涂层厚度的增加而减少。当涂层为9μm厚时, 月牙洼的磨损速度是未涂层的1/10。涂层在磨损窝中逐渐变少, 这表明正在发生的是与发生在未涂层硬质合金上的断裂和剥落磨损状态是不同的。由此可见, 涂层对于月牙洼的磨损速度有很大影响, 即使在涂层被磨透之后也同样如此。
(3) 月牙洼的耐磨性直接与涂层的厚度成正比, 如图4所示。Ti C和Ti N涂层具有类似的性能, 只是关系曲线的陡坡有所不同。不管代表月牙洼耐磨性的月牙洼深度标准如何, 这种线性关系都是正确的。
涂层成分对于月牙洼耐磨性的影响如图5所示, 图中绘出了月牙洼耐磨性与Al2O3、Ti C和Ti N涂层厚度的关系曲线。每种涂层成分为所固有的月牙洼耐磨性与Ti C的相等。Al2O3涂层是Ti C涂层和Ti N涂层固有的月牙洼耐磨性的两倍以上[2]。
此外, Al2O3的化学稳定性明显比Ti C和Ti N高。当刀刃温度严重影响月牙洼的磨损时, 涂层之所以能提高月牙洼的耐磨性, 主要是因为涂层对化学破坏和扩散反应起了屏障的作用。
涂层刀片的月牙洼磨损过程有两个主要阶段。切屑突破涂层以前为第一阶段:涂层的高化学稳定性显著地延迟了月牙洼的发展。在这个阶段磨损的持续时间与涂层的厚度成正比, 单位厚度Al2O3涂层的耐用时间是单位厚度Ti C和Ti N涂层的两倍。第二阶段:一旦月牙洼的磨损突破了涂层, 由于增加了切屑和基体材料之间的接触, 月牙洼就以其固有的磨损速度迅速增长。在这个阶段, 月牙洼周边的涂层对减缓月牙洼磨损速度起很大作用。这种减缓作用随着涂层厚度的增加而增加, 一直到涂层厚度约10μm为止[3]。
2后面磨损
图6中表示的后面磨损数据, 是使用5μm厚的Al2O3涂层刀片加工40Cr Ni Mo钢时取得的。曲线上的“C”表示后面上的涂层开始被磨透的点。显然, 这和月牙洼的情况不同。当涂层被突破以后, 后面的磨损速度没有增加。Ti C涂层的后面磨损曲线也是这种情况。看来, 涂层在后面磨损中所起的作用与在月牙洼磨损中所起的作用是很不同的。
为了确定涂层对于后面磨损的相对重要性, 用Ti C涂层刀片做了切削试验, 在试验的刀片中除去一部分涂层。在需要试验的面上磨去涂层, 然后再把刃口倒成r=50μm的圆角, 得到图示7所示各种刀片形状。然后把这些刀片以76.2 m/min的速度加工45钢, 把后面磨损作为切削时间的函数。
图8表示试验得出的磨损曲线。曲线A表示未涂层刀片的高速磨损, 曲线B表示全涂层刀片的低速磨损。只把刀尖涂层磨掉的刀片 (曲线C) 和全涂层的刀片具有同样低的磨损速度。当把刀片前面的涂层磨去时, 其磨损速度 (曲线D) 与全部涂层刀片相同;当把刀片后面的涂层磨去时 (曲线E) , 其磨损速度基本上与未涂层的刀片相同。这些结果表明, 为了得到与全涂层刀片类似的磨损速度, 只需要对后面磨损的部位进行涂层。
涂层厚度对于后面耐磨性的影响是这样的:开始时后面的耐磨性随着涂层厚度的增加而增加, 而当涂层厚度大于4~6μm时达到平衡, 即耐磨性便不增加了。这与月牙洼磨损的情况完全不同, 月牙洼的耐磨性在涂层厚度到达10~12μm以前, 是没有平衡迹象的[4]。
通过这些观察, 可以对涂层减少后面磨损的机理进行假设。刀具后面和工件之间的临界接触区是磨损的部位。当这个区域涂以高耐磨性和高化学稳定的化合物涂层, 而且涂层厚度至少是5μm时, 则工件和刀刃之间的临界接触完全为涂层所承受。涂层还起有效地支承表面的作用, 以承受进给量, 并大大地延缓磨损的扩大。如果涂层的厚度小于5μm, 则在临界磨损区域中, 工件和基体发生部分接触, 从而出现较快的磨损, 也许其磨损速度与接触的基体量成正比。
这种接触的情况例如用Al2O3涂层刀具加工40Cr Ni Mo钢时, 刀具后面的磨损情况, 工件的金属瘤积聚在大多数磨痕中, 但是, 在底部临界接触区并没有积瘤, 只有均匀的磨损和抛光的涂层。
在切削速度较低时, 临界支承表面的磨损主要是机械磨损, 因而, 高硬度和高耐磨性的涂层是最有效的。在切削速度较高时 (温度也较高) , 磨损越来越受工件和接触区之间化学反应的影响, 因而, 具有高化学稳定性的涂层就更为有效, 因此, 可以从图1中观察到Al2O3和Ti C涂层间的相交线[5,6]。
3结论
月牙洼的耐磨性与涂层的厚度成正比, 而且与涂层的成分有很大的关系。Al2O3涂层月牙洼的耐磨性是Ti C和Ti N涂层的两倍以上。当月牙洼的深度超过涂层的厚度时, 月牙洼磨损的速度显著增加, 但是, 即使涂层被突破之后, 根据涂层硬度的大小, 月牙洼周边的涂层也能不同程度地延缓月牙洼的发展。在切屑接触区, 涂层起了防止化学反应和扩散的屏障作用, 所以它能改善月牙洼的耐磨性。
当涂层的厚度超过最低值5~9μm时, 后面的耐磨性就不再受涂层厚度的影响。当涂层被突破以后, 后面的磨损速度并不增加。后面磨损的临界区看来只是在后面磨痕底部的一个狭窄的范围内。为了提高后面的耐磨性, 只需用涂层把这个范围覆盖上即可。在刀刃和工件之间, 涂层提供了一个接触支承表面, 这个表面减少了机械磨损和化学反应, 从而使磨损速度降低, 因而, 涂层提高了后面的耐磨性。随着切削速度的增加, 化学磨损越来越起主要作用。因此, 如Ti C等耐磨性好的涂层, 适用于低速切削;而如Al2O3等高化学稳定性的涂层, 则适用于高速切削[7]。
参考文献
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