涂層設(shè)備
來源： | 發(fā)布時間：2021-10-30 |
刀具涂層介紹：
涂層技術(shù)迅速發(fā)展，涂層刀具和模具得到了廣泛應(yīng)用。1969年德國克虜伯(Krupp)公司和瑞典山特維克(Sandvik)公司研發(fā)成功了化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層技術(shù)，并向市場推出了CVDTiC涂層硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)品。20世紀(jì)70年代初，美國本夏(R.Runshan)和拉格胡南(A.Raghuran)研發(fā)了物理氣相沉積(PVD)工藝，并于1981年將PVDTiN高速鋼刀具產(chǎn)品推向市場。當(dāng)時CVD涂層工藝溫度約1000℃，主要用于硬質(zhì)合金刀具(刀片)的表面涂層；PVD涂層工藝溫度為500℃和500℃以下，主要用于高速鋼刀具的表面涂層。后來，CVD和PVD涂層技術(shù)不斷迅速發(fā)展，在涂層材料、涂層設(shè)備和工藝等方面都有了很大進步，而且發(fā)展了多層材料的涂覆技術(shù)，使涂層刀具(刀片)的使用性能有了很大的提高。PVD涂層技術(shù)過去主要用于高速鋼刀具，而近年來隨著PVD涂層技術(shù)飛躍發(fā)展，也成功用于硬質(zhì)合金刀具(刀片)，占領(lǐng)了硬質(zhì)合金涂層刀具(刀片)的一半陣地。現(xiàn)在，涂層高速鋼刀具和涂層硬質(zhì)合金刀具(刀片)廣泛應(yīng)用，已占全部刀具使用總量的50%以上。
一、涂層刀具的優(yōu)越性
在韌性較好的刀具(刀片)基體上進行表面涂層，涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層(如TiN、TiC等)，使刀具(刀片)具有全面、良好的綜合性能。未涂層高速鋼的硬度僅為62~68HRC(760~960HV)，硬質(zhì)合金的硬度僅為89~93.5HRA(1300~1850HV)；而涂層后的表面硬度可達(dá)2000~3000HV以上。
①由于表面涂層材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高溫。故與未涂層的刀具(刀片)相比，涂層刀具允許采用較高的切削速度，從而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具壽命。
②由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數(shù)較小，故涂層刀具(刀片)的切削力小于未涂層刀具(刀片)。
③用涂層刀具(刀片)加工，零件的已加工表面質(zhì)量較好。
④由于涂層刀具(刀片)的綜合性能良好，故涂層硬質(zhì)合金刀片有較好的通用性，一種涂層硬質(zhì)合金牌號的刀片具有較寬的使用范圍。
刀具涂層技術(shù)的發(fā)展和進步
筆者多次參觀了國際機床工具展覽會，收集到很多資料，并聽取了各大工具公司的技術(shù)報告，從而了解到刀具產(chǎn)品表面涂層技術(shù)的發(fā)展和進步。
CVD涂層技術(shù)的進展過去，硬質(zhì)合金刀具表面涂層采用高溫化學(xué)氣相沉積(HTCVD)工藝。在常壓或負(fù)壓的沉積系統(tǒng)中，將純凈的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等氣體根據(jù)沉積物的成分，按一定配比均勻混和，依次涂到具備一定溫度(一般為1000~1050℃)的硬質(zhì)合金刀片表面，即在刀片表面沉積TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它們的復(fù)合涂層。直到現(xiàn)在，HTCVD仍是使用最多的工藝方法，除HTCVD外，還有等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)工藝，它是在硬質(zhì)合金刀具(刀片)表面涂層的另一種方法，因這種涂層工藝溫度較低(700~800℃)，故刀片的抗彎強度降低。因為TiC與基體材料的線膨脹系數(shù)最接近，通常用TiC薄層先涂在基體表面上，外面再涂TiN、Al2O3，如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN等。
后來，發(fā)展了各種不同組合的多層涂層。筆者在多次展覽會上調(diào)查和統(tǒng)計了瑞典、德國、美國、日本、韓國、以色列和中國各公司的CVD涂層硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)品，涂層材料有以下組合：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作底層，這是因為基體硬質(zhì)合金有了改進，例如采用了梯度結(jié)構(gòu)，才有可能用TiCN或TiN墊底。此外，TiN涂層不宜單獨使用，因為與硬質(zhì)合金相比，TiN的硬度提高不多，TiN必須與TiC、TiCN、Al2O3等組合使用。
二、PVD涂層技術(shù)的進展
早期，PVD涂層均采用“真空蒸鍍法”，膜層往往不均勻，與基體的結(jié)合不夠牢固，后發(fā)展了“真空磁控濺射法”和“真空等離子鍍工藝”，效果很好。現(xiàn)在刀具表面涂層主要用后兩種方法。
早年，PVD涂層只用于高速鋼刀具，涂層材料幾乎只用TiN一種。后來，改進了涂層工藝，發(fā)展了多種涂層材料和多層涂層，在硬質(zhì)合金刀具上也得到了大量的應(yīng)用。涂層效果比以往大有進步。TiN涂層材料仍在使用，新興的涂層材料是TiAlN和AlTiN，其使用效果優(yōu)于TiN。
歐洲的PVD涂層技術(shù)水平最高，領(lǐng)先于其他國家和地區(qū)。知名的廠商有歐瑞康巴爾查斯(OerlkonBalzers)公司、德國PVT等離子真空技術(shù)公司和丹麥尤尼莫克(Unimerco)公司等。他們的PVD涂層設(shè)備和工藝先進，涂層材料品種多，涂層刀具和其他產(chǎn)品使用性能好。 國外一些知名的高速鋼和硬質(zhì)合金工具廠，都有涂層刀具(刀片)產(chǎn)品，但涂層設(shè)備和工藝多購自涂層技術(shù)的專業(yè)公司，或與之合作，而不是自行研制。據(jù)悉，瑞典山特維克公司和以色列伊斯卡公司的PVD涂層設(shè)備都是從歐瑞康巴爾查斯公司購進的。中國也應(yīng)當(dāng)這樣做，這是一條既好又快的道路。例如，中國哈爾濱第一工具廠和德國PVT公司合作，成立了哈一工普威特鍍膜合資股份公司。歐瑞康巴爾查斯公司在全球設(shè)有77個涂層中心，在中國蘇州、天津和漢江各設(shè)有一個中心，中國鄰近城市和地區(qū)的工具廠家，其涂層產(chǎn)品多在上述中心進行涂層。湖南株洲硬質(zhì)合金廠和四川自貢長城硬質(zhì)合金廠的涂層設(shè)備都是從國外引進的。 CVD涂層新技術(shù)在三、超硬材料涂層方面的應(yīng)用
利用“熱絲CVD法”、“等離子體噴射CVD法”、“火焰燃燒法”等工藝能在硬質(zhì)合金或高速鋼刀具表面沉積金剛石薄膜(10μm)。CVD金剛石膜的力學(xué)、物理性能介于天然金剛石和熱壓聚晶PCD金剛石之間，能夠有效地加工有色金屬。
如增加沉積時間，可在基體或襯底(一般用硅片)上沉積出厚度大于0.5mm的厚膜。將厚膜從基體上剝離，并切割成一定形狀的小塊，再將小塊釬焊在基體刀片(一般為硬質(zhì)合金刀具)上使用。CVD厚膜金剛石刀具應(yīng)用范圍大于薄膜涂層刀具。在CIMT2007上，很多國內(nèi)外刀具公司都有CVD薄膜金剛石涂層刀具產(chǎn)品，但只有少數(shù)廠家有厚膜產(chǎn)品。北京東方天地超硬材料工具公司能生產(chǎn)金剛石厚膜刀具產(chǎn)品，并且已有多年的經(jīng)驗。厚膜刀具應(yīng)用范圍較廣，能加工各種有色金屬、非金屬硬材料及顆粒增強的復(fù)合材料等。
PVD涂層新技術(shù)在超硬材料涂層方面的應(yīng)用
武漢大學(xué)物理系用直流反應(yīng)磁控濺射法在刀具表面沉積出氮化碳(CxNy)超硬涂層薄膜，厚度只有幾個微米，硬度可達(dá)40~50GPa。CxNy涂層刀具能切削黑色和有色金屬。 實驗數(shù)據(jù)筆者對涂層高速鋼和硬質(zhì)合金刀具(刀片)的切削性能進行了長期的研究，進行了很多科學(xué)實驗。茲介紹部分實驗數(shù)據(jù)如下：
①在相同的切削條件下，涂層刀具刀片的使用壽命比未涂層刀具(刀片)提高3~5倍。在相同的切削條件下，相同刀具壽命時，涂層刀具的切削速度比未涂層刀具提高20~30%。 ②在相同的切削條件下，涂層刀具(刀片)的切削力小于未涂層者。筆者用涂覆TiC硬質(zhì)合金刀片車削鋼材與未涂層刀片對比，主切削力Fc可減小3%~4%，TiN或TiC/TiN涂層刀片的Fc約可減小6%，進給力Ff與切深力Fp的減小尤為顯著。Al2O3涂層刀片與切削力的減小效果與TiN涂層刀片接近。
③筆者曾用CVD涂層金剛石厚膜刀具，加工過硅鋁合金、各種硬鋁、鉛黃銅、無氧銅、碘化鈦以及纖維增強和顆粒增強的復(fù)合材料等，均取得較好效果。但用作超精密切削的刀具，其效果不如天然金剛石刀具。
④筆者曾用CxNy涂層高速鋼鉆頭在高強度鋼上鉆孔，與未涂層鉆頭相比，涂層鉆頭的使用壽命提高7~9倍。在其他高速鋼刀具上涂覆CxNy，亦有顯著效果。又曾在硬質(zhì)合金刀片上涂覆CxNy，用以車削鋼料，效果尚不夠理想，其使用壽命不超過普通TiC涂層硬質(zhì)合金刀片。
中國的刀具涂層技術(shù)與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比尚有很大差距，涂層刀具的數(shù)量也差得很遠(yuǎn)，大致只占全部刀具的20%。其中數(shù)控機床和加工中心上使用得多一些，在普通的非數(shù)控機床上則少得可憐，原因是認(rèn)識問題和價格等因素。我們應(yīng)該努力提高刀具涂層技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的水平，大力推廣應(yīng)用涂層刀具，促進切削加工和機械制造水平的提高。
