| 刀具涂层技术的新进展 |
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| 日期：2007-8-26 11:40:53 人气：105 [大 中 小] |
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法主要有CVD和PVD法。 CVD包括化学输运PCVD，热丝辅助加热PCVD、ECR-CVD等；PVD则有反应离子束镀、活性反应蒸镀、激光蒸镀离子束辅助沉积法等。
CBN的合成技术，在基础研究和应用技术方面都还有不少工作要做，包括反应机制和成膜过程、等离子体诊断和质谱分析、最佳工艺条件的确定、高效率设备的开发等。
2．4有可能超过金刚石硬度的氮化碳
20世纪80年代末，美国科学家I'IU和Co-henE4'设计了类似p-Si3N4的新型化合物p-C3N4，采用固体物理和量子化学理论，计算了它的体模量、能带和品格常数，发现氮化碳的体模量达到金刚石的数值范围。由于物质的硬度与体模量成正比，这样序C3N4的硬度有可能达到金刚石的硬度，这引起世界各国科学家的关注。1994年，I'IU公布了他的研究新成果E53，他采用了可变品格模型分子动力学(VCS—MD)从头计算法，扩展了低能量C3N4固体的理论研究，指出C3N4可能具有3种结构：六角品系的p相、立方品系的闪锌矿结构和三角品系的类石墨结构。1996年，美国的Jeter和Hemley仍然采用第一性原理从头计算法，但改变了计算过程。使用初始条件时，采用共扼梯度法使电子自由度达到最小；使用边界条件时采用周期函数，将电子的波函数以平面波展开；使用了扩展标准守恒和强度守恒(ENHC)阳势。得到了5种结构的C3N4，它们分别是n相、p相、立方相缺陷闪锌矿结构、立方相硅锌矿E结构和类石墨相。除类石墨相以外，其它4种都是超硬材料。其中立方相硅锌矿E结构c—C3N4的体模量超过了金刚石。因此，氮化碳有可能具有达到或超过金刚石的硬度。
合成氮化碳的成功，是分子工程学十分杰出的范例。作为超硬材料的氮化碳，预期还有其它许多宝贵的物理化学性质，研究氯化碳成为世界材料科学领域的热门课题。合成氮化碳的主要方法有直流和射频反应溅射法、激光蒸发和离子束辅助沉积法、ECR—CVD法、双离子束沉积法等。日本冈山大学采用电子束蒸发离子束辅助沉积法获得的氮化碳薄膜，达到目前氮化碳的最高显微硬度：63.8GPa。我国清华大学也获得60.8GPa的高硬度氮化碳。武汉大学合成的氮化碳硬度达到50.OGPa，并沉积到高速钢麻花钻上，获得非常好的钻孔性能。制备氮化碳超硬涂层的关键技术是避免石墨相的析出。
3 怎样提高涂层刀具的使用效果
刀具材料的选用决定于切削条件，也决定于哪个面将被重磨。例如，如果刀具的前刀面被重磨，使用含钻的高速钢会更有利，因为在刀具前刀面无涂层之后’，这种钢更耐月牙洼磨损。刀具材料的进步，出现了高速钢、硬质合金、各种增韧陶瓷、铣基金属陶瓷、聚品金刚石和c—BN等材质刀具的使用，大大提高了金属切削的加工效率。每种材料的刀具有各自的优缺点，因而有特定的用途。
涂层刀具对刀具几何形状提出了新的要求。一般认为，刀具几何形状的改进，如前角、排屑空间等，应集中在排屑能力上，以适应在更高的进给量和更高的速度下切削量的增加。涂层刀具有较高的加工效率，它允许有较高的进给量和切削速度(可增至原切削速度的2-3倍)。对于难加工材料，涂层对刀具性能改善较大。
具有超硬涂层的刀具之所以磨损量小，是由于膜层超硬化合物的硬度高、熔点高、热化学稳定性优良所致。超硬化合物多为过渡金属的氮化物、碳化物和硼化物所组成。它们以强大的共价键结合，具有很低的标准生成自由能，构成了十分稳定的体系，在高温下硬度也不显著降低。这些膜层较之硬质合金和高速钢等刀具材料显示出更高的耐机械磨损和耐热磨损等方面的能力。
镀膜条件、工艺参数、镀前基体预处理等对于优质涂层的制取是非常重要的。刀具表面的状态对涂层的附着力至关重要，被镀工件表面必须没有其它膜层、烧斑、锈斑、油污或其它沾污。工件要经过严格的喷砂和去油清洗，在真空中生长硬质膜前还要进行离子轰击清洗。
不同涂层材料的刀具，使用效果是不一样的。低速切削，TiC涂层占有优势；高速切削，TiN较合适；HfN的热化学稳定性比TiN更高，适合于在更高的切削速度下工作。TiN和 A1203涂层相比，高速切削时A1203涂层占有明显优势，而低速切削时TiN涂层刀具的使用寿命更长。
刀具寿命与膜厚也有一定的关系。若以后刀面磨损为基准，随膜厚增加刀具寿命也会增加，但膜厚为5μm时达到饱和，即寿命不再明显增加；但如果以前刀面月牙洼深度为刀具寿命的基准，刀具寿命与膜厚成正比，未发现饱和现象。膜层太厚时易引起剥离，现在车刀的涂层厚度多为5µm-10µm。
对于铣刀的硬质涂层，膜厚的影响却不相同。对钢制工件进行铣削加工时，无论采用哪种膜层，膜厚大约2μm时刀具寿命最长，膜厚再增加时寿命反而下降。但是对冲击作用较小的铸铁等进行加工时，最佳膜厚向更厚的方向变化。在铣削中，TiC涂层具有最好的效果，而Al2O3涂层却显示不出在车削加工中的优势。
硬质合金刀具通常采用 CVD法镀膜，但PVD镀膜处理几乎不造成刃口强度下降， PVD镀层硬质合金铣刀比CVD镀层更耐用。对于一般高速钢刀具的耐磨损性能， CVD涂层要优于 PVD涂层，但精密的、形状复杂、价格昂贵、不可重磨的高速钢刀具多为PVD镀膜。
要提高涂层刀具的使用效果、充分发挥硬质涂层的作用是一相当复杂的技术。为了达到优化组合，建立涂层刀具数据库，对不同的工件，通过计算机来选择刀具涂层材料和加工参数，情况就变得简单而有效，从而真正达到优质、高效、低成本的加工目标。
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| 出处：本站原创 作者：佚名 | |
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