切削刀具涂層應用管理論文

關于切削刀具涂層應用管理論文

　　1引言

　　硬質膜涂層能減少刀具與工件間的摩擦，降低刀具切削過程中的磨損，顯著提高刀具的使用壽命，因此被廣泛地應用于刀具涂層。在傳統涂層的制備中，化學氣相沉積CVD和物理氣相沉積PVD（蒸鍍、濺射、離子鍍）仍是刀具涂層制備的主要技術。采用CVD技術可在硬質合金可轉位刀具表面實現TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復合涂層的沉積；采用PVD涂層技術可在硬質合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等表面制備多種涂層。隨著各類高效、高速、高精度數控機床及加工中心的應用、普及以及綠色制造理念的提出，為了滿足各種高硬度、高韌性的難切削加工材料的加工需要，干切削技術越來越受到人們重視，同時也對刀具涂層技術及涂層材料提出了更高要求。納米薄膜順應了干切削條件下對刀具的新要求，因此納米薄膜及其在干切削刀具中的應用成為目前刀具涂層制備及表面工程技術領域的研究熱點。

　　2納米薄膜技術的研究及發展

　　隨著納米材料的出現，納米薄膜（涂層）技術也得到相應的發展。時至今日，已從單一材料的納米薄膜轉向納米復合薄膜的研究，薄膜的厚度也由數微米發展到數納米的超薄膜。目前已經制備的薄膜有Ti（N，C，CN）、（V，Al，Nb）N、Al2O3、SiC及Cu、Ni、Al、Ag、Au、金剛石等。其中TiN、Al2O3、TiC是較典型的超硬膜，其顯微硬度分別為HV1950、HV3000和HV3200，抗磨順序是TiC>TiCN>TiN>Al2O3。這些薄膜在刀具、微機械、微電子領域作為耐磨、耐腐蝕涂層及其它功能涂層獲得重要應用。自VeprekS等提出超硬納米復合膜的概念以來，對納米復合膜的研究更是引起廣泛的重視。超硬納米復合膜具有表面減摩、耐磨作用，可以改善摩擦副的運動可靠性和壽命，達到與高合金材料相同甚至更佳的使用效果，實現節能、節材及提高效率的目的。納米復合膜是由兩種不同材料組成，這兩種材料可以是納米晶/納米晶，也可以是納米晶/非晶態，每種材料的粒子尺寸在3～10nm。在復合薄膜制備方法中，等離子化學氣相沉積（PACVD）最早應用于制備nc-TiN/Si3N4、nc-TiN-BN和nc-TiAlSiN薄膜。

　　如VeprekS和ShizhiL等人采用PACVD方法，以SiCl4、SiH、TiCl4、H2為反應氣體，在550～600℃的沉積溫度下制備了nc-TiN/α-Si3N4薄膜。但制備過程中反應氣會腐蝕膜和設備，有造成環境污染甚至火災的危險。一般來說，CVD沉積技術需要溫度達500～600℃以促使納米晶粒的生長，而過高的沉積溫度會造成基材軟化、尺寸精度下降等問題，因此嚴重限制了納米復合膜的應用。研究表明，制備納米復合膜的關鍵在于快速形成晶核的同時保證晶粒尺寸的低速增長。因此為保證覆膜后的整體性能不至下降，降低沉積溫度便成為其技術關鍵。

　　目前的實驗表明，磁控濺射技術是低溫沉積最有效的方法。所以，目前的研究主要集中在用磁控濺射法制備納米復合膜。如反應磁控濺射沉積廣泛應用于制備MeC/DLC（類金剛石碳膜），Me為過渡金屬如Ti等。采用這種技術，其沉積溫度可低于150℃。KarvánkováP等人應用不平衡磁控濺射技術制備ZrN-Ni和CrN-Ni納米復合膜，基體溫度分別為300℃和200℃；通過制備試驗還發現，當基體溫度高于400℃時，合成膜的硬度會降低。由此可見沉積溫度對納米復合膜的硬度影響甚大。

　　MusilJ用直徑100mm平面球形不平衡磁控管，在總壓0.5Pa的Ar和Ar+N2混合氣體中對TiAl合金靶進行濺射，N2分壓連續變化導致薄膜結構和顯微硬度明顯變化，獲得的nc-TiAlN/AlN納米復合膜顯微硬度高達47GPa，且具有高的彈性回復（74%）。

　　同時，多種技術的復合在納米復合薄膜制備中也體現出獨特的優勢（如磁控濺射法與脈沖激光技術的結合）。VoevodinAA等人采用脈沖激光沉積技術（PLD）和磁控濺射技術相結合分別制備了TiC/DLC、WC/DLC/WS2納米復合膜。由于采用這種復合技術使得沉積時的基體溫度低于100℃，因而該法成為制備W-C-S系列納米復合膜的主要方法。MengWJ等人采用射頻耦合輔助（ICP）PVD/CVD技術與反應磁控濺射技術相結合制備Ti/α-C:H納米復合膜也取得良好效果。

　　由于PVD、CVD等方法工藝復雜，成本昂貴，不宜用于大面積制備納米復合薄膜，因此近十多年來，國外對電沉積法制備納米晶體材料進行了較多研究，國內近幾年也開始了這方面的研究。電沉積法因設備簡單、工藝成熟、低溫且參數可控等突出優點而逐漸受到重視。電沉積方法經歷了直流、脈沖及選擇性噴射電沉積的發展，目前已能制備出各種厚度的薄膜。已研究的電沉積納米材料有鎳、銅、鈷等，其中鎳及鎳基合金的復合沉積是最受關注的，已沉積的材料有Ni-P、Ni-Fe、Ni-Cu、Ni-Mo、Ni-SiC、Ni-Al2O3、Ni-ZrO2等。在基體上電沉積薄金屬層（厚度100μm以下）以改善表面性能是電沉積技術最廣泛的應用。電沉積的納米結構薄層，具有高耐磨、耐蝕性的同時，又具有高的硬度及與基體極好的結合力，可作為理想的保護性鍍層；所具有的低磨損率和較低的摩擦系數，可用于要求高耐磨性的同時又要求低摩擦系數的場合，如刀具材料、汽車發動機和液壓活塞的表面涂層等。

　　有報道表明，近年來許多研究者用溶膠－凝膠法制備了納米薄膜。由于溶膠的先驅體可以提純且其溶膠－凝膠過程在常溫下可液相成膜，所用的設備簡單，操作方便，具有化學計量比易控、成份均勻、成膜面積大等優點而被廣泛用于薄膜制備。目前已采用該法制備的納米復合薄膜主要有Co（Fe，Ni，Mn）/SiO2，CdS（ZnS，PbS）/SiO2等。陳元春等就溶膠－凝膠法制備氧化鋁涂層硬質合金刀具進行了研究，可獲得單層凝膠膜的厚度在幾百納米以內。試驗結果說明在干切削狀態下溶膠－凝膠法制得的涂層刀具壽命比未涂層刀具提高一倍左右。

　　3納米薄膜在干式切削刀具中的應用

　　涂層技術的發展是干式切削加工得以推廣應用的重要條件之一。在干式切削過程中，具有納米薄膜的刀具涂層可起到明顯作用：①在刀具與被切削材料之間形成隔離層；②通過抑制從切削區到刀片的熱傳導來降低熱沖擊；③減少摩擦力及摩擦熱。刀具通過涂層處理，可實現固體潤滑，減少摩擦和粘結，使刀具吸收熱量減少，可承受更高的切削溫度。

　　目前，采用封閉場非平衡磁控濺射（CFUMS）技術，可在硬質合金刀具和HSS鉆頭上涂覆上B4C/W多層納米涂層。涂層總層數100層，每層由厚度為13埃的B4C涂層材料及18埃的W涂層材料組成。在105m/min的切削速度下，分別用B4C/W多層納米涂層刀具與未涂層刀具、普通單涂層（TiAlN）刀具、三涂層（TiC/TiCN/TiN及TiC/Al2O3/TiN）刀具對中碳鋼進行了干切削對比試驗。試驗結果表明，納米涂層刀具的后刀面磨損量比未涂層刀具和常用的TiC/Al2O3/TiN三涂層刀具大大減小。此外，隨著切削時間的延長，納米涂層刀具的切削力與未涂層刀具、TiC/TiCN/TiN三涂層刀具和TiAlN涂層刀具相比也顯著減小。試驗進一步說明了采用封閉場非平衡磁控濺射技術生產的刀具涂層具有重復性好、涂層與基體粘結強度更高、摩擦系數小等特點，因而在干切削中具有更長的使用壽命。

　　層狀結晶的二硫化鉬具有較小的摩擦系數，是常用的固體潤滑劑。將MoS2與耐熱金屬Mo組合成復合涂層MoS2/Mo，具有優異的減摩耐熱的效果。研究者采用MoS2/Mo雙材料涂層結構在HSS鉆頭表面制備了層厚80埃、總厚度為3.2μm（共400層）的納米涂層。用該涂層鉆頭與未涂層HSS鉆頭進行了TI6Al4V合金工件干切削對比試驗。試驗用鉆頭直徑為φ9.5mm，名義鉆削速度2200rpm。試驗結果表明，未涂層鉆頭鉆進時，由于鉆削力急劇增大，導致鉆頭卡入工件中；測得多層納米涂層鉆頭鉆進時的鉆削力減小約33%，在相同的鉆削時間內能保證正常鉆削，鉆削性能顯著優于未涂層鉆頭。說明采用MoS2/Mo雙材料涂層結構的納米涂層刀具是適用于干切削的理想刀具。

　　此外，刀具表面涂覆納米（Ti50Al45Si5）N、（Ti50Al45Si5）N+（Ti80Al15Si5）N和Ti-B-N四種納米復合涂層后，對ASTM1043標準鋼工件進行的切削試驗（切削速度為150～310m/min，切深為2mm，進給量為0.219mm/rev）也表明這幾種納米復合涂層在高速切削測試中具有極其優異的耐磨性，可用作干切削刀具的涂層材料。

　　4展望

　　目前薄膜技術發展迅速，所制備的薄膜越來越薄，晶粒尺寸1納米的薄膜是制備納米超薄膜的研究目標；由于單一涂層材料難以滿足提高刀具綜合機械性能的要求，因此為滿足干式切削加工對涂層的要求，出現了多樣化的制備工藝，且朝著多種技術的復合、化學組分的多組元化等方向發展；涂層工藝溫度將越來越低，刀具涂層工藝將向更合理的方向發展。無疑，這些薄膜新技術的研究和開發，在刀具涂層制備中具有極為廣泛的應用前景，但PVD、MTCVD工藝仍為刀具涂層制備的主流技術。

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