中國(guó)刀具涂層材料之超硬材料涂層研究

1、.中國(guó)刀具涂層材料之超硬材料涂層研究1.金剛石、類金剛石DLC涂層金剛石涂層是新型刀具涂層材料之一。它利用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上生長(zhǎng)出一層由多晶組成的金剛石膜，用其加工硅鋁合金和銅合金等有色金屬、玻璃纖維等工程材料及硬質(zhì)合金等材料，刀具壽命是普通硬質(zhì)合金刀具的50100倍。金剛石涂層采用了許多金剛石合成技術(shù)，最普通的是熱絲法、微波等離子法和DC等離子噴射法。通過(guò)改進(jìn)涂層方法和涂層的粘結(jié)，已消費(fèi)出金剛石涂層刀具，并在工業(yè)上得到了應(yīng)用。近年來(lái)，美國(guó)、日本和瑞典等國(guó)家都已相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉸刀、銑刀以及用于加工印刷線路板上的小孔金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭及各種可轉(zhuǎn)位刀片，如瑞典S

2、andvik公司的CD1810和美國(guó)Kennametal公司的KCD25等牌號(hào)產(chǎn)品。美國(guó)Turchan公司開(kāi)發(fā)的一種激光等離子體沉積金剛石的新工藝，用此法沉積金剛石，由于等離子場(chǎng)包圍整個(gè)刀具，刀具上的涂層均勻，其沉積速度比常規(guī)CVD法快1000倍。此法所成的金剛石涂層與基體之間產(chǎn)生真正的冶金結(jié)合，涂層強(qiáng)度高，可防止涂層脫落、龜裂和裂紋等缺陷。CemeCon公司具有特色的CVD金剛石涂層技術(shù)，2019年建立消費(fèi)線，使金剛石涂層技術(shù)到達(dá)工業(yè)化消費(fèi)程度，其技術(shù)含量高，可以批量消費(fèi)金剛石涂層。類金剛石涂層在對(duì)某些材料Al、Ti及其復(fù)合材料的機(jī)械加工方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)低壓氣相沉積的類金剛石涂層，其微

3、觀構(gòu)造與天然金剛石相比仍有較大差異。九十年代，常采用激活氫存在下的低壓氣相沉積DLC，涂層中含有大量氫。含氫過(guò)多將降低涂層的結(jié)合力和硬度，增大內(nèi)應(yīng)力。DLC中的氫在較高的溫度下會(huì)漸漸釋放出來(lái)，引起涂層工作不穩(wěn)定。不含氫的DLC硬度比含氫的DLC高，具有組織均勻、可大面積沉積、本錢低、外表平整等優(yōu)點(diǎn)，已成為近年來(lái)DLC涂層研究的熱點(diǎn)。美國(guó)科學(xué)家A.A.Voevodin提出沉積超硬DLC涂層的構(gòu)造設(shè)計(jì)為Ti-TiC-DLC梯度轉(zhuǎn)變涂層，使硬度由較軟的鋼基體逐漸進(jìn)步到表層超硬的DLC涂層。這類復(fù)合涂層既保持了高硬度和低摩擦系數(shù)，又降低了脆性，進(jìn)步了承載力、結(jié)合力及磨損抗力。日本住友公司推出了在硬質(zhì)合

4、金刀片上涂覆金剛石DLC的DL1000涂層，用于切削鋁合金和非鐵金屬，抗粘結(jié)，能有效降低已加工外表的粗糙度。經(jīng)過(guò)多年的研究說(shuō)明：由于類金剛石涂層的內(nèi)應(yīng)力高、熱穩(wěn)定性差及與黑色金屬間的觸媒效應(yīng)使SP3構(gòu)造向SP2轉(zhuǎn)變等缺點(diǎn)，決定了它目前只能應(yīng)用于加工有色金屬，因此限制了它在機(jī)加工方面的進(jìn)一步應(yīng)用。但是近年來(lái)的研究說(shuō)明，以SP2構(gòu)造為主的類金剛石涂層也稱為類石墨涂層硬度也可到達(dá)2040GPa，卻不存在與黑色金屬起觸媒效應(yīng)的問(wèn)題，其摩擦系數(shù)很低又有很好的抗?jié)裥?，切削時(shí)可以用冷卻劑也可用于干切削，其壽命比無(wú)涂層刀有成倍的進(jìn)步，可以加工鋼鐵材料，因此引起了涂層公司、刀具廠家的極大興趣。假以時(shí)日，這種新型

5、的類金剛石涂層將會(huì)在切削領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2立方氮化硼CBN涂層CBN是繼人工合成金剛石之后出現(xiàn)的另一種超硬材料，它除了具有許多與金剛石類似的優(yōu)異物理、化學(xué)特性如超高硬度，僅次于金剛石，高耐磨性，低摩擦系數(shù)，低熱膨脹系數(shù)等外，同時(shí)還具有一些優(yōu)于金剛石的特性。CBN對(duì)于鐵、鋼和氧化環(huán)境具有化學(xué)惰性，在氧化時(shí)形成一薄層氧化硼，此氧化物為涂層提供了化學(xué)穩(wěn)定性，因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時(shí)耐熱性也極為優(yōu)良，在相當(dāng)高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、淬火鋼、鈦合金等,并能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對(duì)刀具磨損非常嚴(yán)重的硅鋁合金等難加工材料。自1987年Inagawa等成功地制備了出純的CBN涂層

6、以來(lái)，在國(guó)際上掀起了CBN硬質(zhì)涂層的研究熱潮。低壓氣相合成CBN涂層的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化學(xué)輸運(yùn)PCVD，熱絲輔助加熱PCVD，ECRCVD等；PVD那么有反響離子束鍍、活性反響蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。研究結(jié)果說(shuō)明：在合成CBN相、對(duì)硬質(zhì)合金基體的良好粘結(jié)和適宜的硬度等方面已獲得了進(jìn)展，目前沉積在硬質(zhì)合金上的立方氮化硼最大僅為0.20.5m，假設(shè)想到達(dá)商品化，那么必須采用可靠的技術(shù)來(lái)沉積高純的經(jīng)濟(jì)的CBN涂層，其厚度應(yīng)在35m，并在實(shí)際金屬切削加工中證實(shí)其效果。3x涂層二十世代八十年代，美國(guó)科學(xué)家Liu和Cohen設(shè)計(jì)了類似-Si3N4新型化合物-C3N4，采用固體物理和量子化學(xué)理論，計(jì)算出它的硬度可能到達(dá)金剛石，這引起了世界各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注。合成氮化碳成為世界材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門課題。日本Okayama大學(xué)的FFujimoto采用電子束蒸發(fā)離子束輔助沉積法獲得的氮化碳涂層到達(dá)63.7Gpa。武漢大