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    刀具涂層技術新亮點
    2018-12-03

    剛石涂層是近幾年研究成功的新型刀具涂層材料,這種涂層刀具特別適用于加工非黑色金屬及纖維材料。金剛石涂層的硬質合金刀片及整體硬質合金多刃刀具在加工印刷線路板和硅鋁合金等材料已取得很大的成功,刀具壽命比未涂層硬質合金刀具提高數十倍。


    美國科學家發明了一種廉價快捷地生產人造金剛石(PCD)的新方法,它有望使金剛石涂層得到更廣泛的工業應用。雖然應用這項新技術生產出的金剛石顆粒尺寸不超過10nm,用它不可能造出寶石級的金剛石,但它卻能降低金剛石涂層的生產成本,易于制造對材料硬度等性能有特殊需求的工件,如金剛石涂層刀具、剎車墊等。


    金剛石的組成成分是純碳。迄今人們已經能夠從碳化硅中去掉硅元素,制成納米級的金剮石。但現有技術需要在極高壓力下進行,或通過高能等離子體噴射法來實現,生產成本高,產量低。美國得克薩斯州德雷克塞爾大學的科學家成功地在一個大氣壓的條件下制取出了納米級金剛石。研究人員將碳化硅放在氯氣和氫氣的混合物中,然后將其加熱到1000℃。氯氣與硅發生反應時,余下的碳原子就會重新自我組合,形成各種納米級的碳材料薄膜.其中有金剛石晶體,也有石墨、碳納米管和六方金剛石等。氫氣使得這種轉換可以穩定地進行。


    制取出的碳薄膜的硬度與金剛石基本相當。而且其特殊結構可以使之具有多種用途的性能,諸如可滲透、可導電等。這不僅能降低傳統金剛石涂層產品的制造成本,還有望擴大金剛石涂層的應用范圍,例如平面顯示器、分子濾網等。


    CVD金剛石涂層采用了許多金剛石合成技術.普通的是熱絲法、微波等離子法和d、c等離子噴射法。通過改進涂層方法和涂層的粘結,已生產出金剛石涂層硬質合金刀具,并在加工非鐵及非金屬材料方面起著重要的作用。


    2. 立方氮化硼(CBN)涂層


    立方氮化硼(CBN)是氮化硼的高溫高壓相,它是第二種硬的材料(僅次于金剛石達60Gpa),其結構類似于金剛石,但CBN對于熱鐵、熱鋼和氧化環境具有化學惰性,在氧化時,形成一薄層氧化硼。此氧化物層給涂層提供了化學穩定性.因此它在加工硬的鐵材(50~65HRC)、灰鑄鐵、高溫合金和燒結的粉末金屬時具有明顯的優越性。


    許多科研人員試圖用CVD和PVD技術沉積立方氮化硼薄膜。試驗結果表明.在合成CBN相、對硬質合金基體的良好粘結和合適的顯微硬度等方面已取得一定的進展。目前沉積在硬質合金基體上的立方氮化硼膜厚******僅為0.2~0.5μm,若想達到商品化,則必須采用可靠的技術來沉積高純的、經濟的CBN薄膜.其膜厚應在3~5μm,并在實際金屬切削加工中證實其效果。


    CVD涂層硬質合金刀具的使用已取得迅速發展.MT-CVD涂層的韌性超過HT-CVD涂層。但是除了沉積TiCN涂層之外,若想擴展這項涂層技術,至今還不能實現。等離子輔助CVD涂層也有類似的優越性,但涂層成分也受到限制。人們期望采用低溫沉積方法能夠生產出新的涂層成分。


    新的PVD涂層材料的發展,包括PVD涂層Al2O3和PVD多涂層將擴大PVD涂層刀具的應用范圍。這對CVD涂層將是一種挑戰。


    CVD和PVD的復合涂層是完全能夠實現的。TiN/NbN.TiN/Ni和TiN/NiCr的超點陣涂層與那些單相氮化物相比,具有較高的硬度,它們有望在金屬切削加工中得到應用。工藝經濟性的改進將增加使用金剛石涂層刀具的可能.然而它們的應用范圍只限于非鐵金屬。突破性的發展潛力寄托于立方氮化硼(CBN)涂層硬質合金刀具.這種材料可用于加工超過當今被加工材料75%的鐵材。


    3. HPPC涂層


    1986年美國威斯康辛大學開發了一種新技術.即將被處理物體置于等離子環境中,外加高電壓脈沖,從而可在三維形狀物體表面注入離子。此項技術的全稱是Plasma Source Ion Implantation,簡稱PSII技術。1993年9月。在日本金澤市召開的SMMID93國際會議上。由J R Conrad博士發表特別講演.將該項技術介紹到日本。從1998~2000年,日本組織產業界、高等院校和研究機構通力合作,經過3年反復試驗研究.終于在PSII基礎上開發出一種全新的涂層技術。即Hybrid Pulse Plasma Coating系統。簡稱HPPC技術。


    PSII技術是在被加工物體處于靜止狀態(無自轉和公轉)時,在其三維復雜形狀的表面注入離子,從而達到改善表面物質性能的效果。PSII技術的原理是:對置于等離子環境中的物體外加負值高電壓,以在物體附近形成無電子包層,通過該包層外加高電壓。使等離子端部的離子被垂直注入于物體表面。新開發的HPPC系統中,其真空容器的內部容積為1m3,負值高電壓脈沖的外加電壓為20kV.脈沖寬度為5~20μs。HPPC系統中,原料氣體的脈沖化、高密度脈沖等離子的形成、外加高電壓脈沖的施加、真空排氣等均由脈沖控制。


    HPPC系統使用甲苯氣體作為原料氣體時,施加由PSII進行混合時的脈沖電壓,便可將類金剛碳(DLC)膜鍍覆在硬質合金基體上。通過試驗可知,加大混合時的電壓。即可獲得結合強度良好的DLC鍍膜。在成膜過程中.條件掌握得當,可獲得100N以上的高結合強度DLC鍍膜。進行復雜形狀模具均勻涂鍍試驗時,D為溝槽深度,d為開口部寬度,D/d為縱橫尺寸比.D/d=4時進行均勻涂鍍試驗。試件尺寸10mm×10mm×5mm,采用傳統的離子涂鍍方法.只有在D/d=1的情況下才能形成有效鍍膜.而采用HPPC系統.則可在深槽底部及側壁均可形成有效鍍膜。另外,還對有機金屬(Si(OC2H6)4)氣化后進行了陶瓷涂層試驗。結果表明.采用的方法不同.膜厚比的差異也很大。如用等離子CVD工藝所獲鍍膜的膜厚比為2.0.而采用HPPC系統所獲鍍膜的膜厚比為1.3,其鍍膜的均勻性明顯優于前者。


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