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刀具的涂層技術(shù),有用,要轉(zhuǎn)發(fā)收藏!

 dongchang 2015-03-16



  1.刀具涂層的特點(diǎn)

  (1)力學(xué)和切削性能好。涂層刀具將基體材料和涂層材料的優(yōu)良性能結(jié)合起來(lái),既保持了基體良好的韌性和較高的強(qiáng)度,又具有涂層的高硬度、高耐磨性和低摩擦系數(shù)。因此,涂層刀具的切削速度與未涂層的相比,切削速度可提高2~5倍,使用涂層刀具可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

  (2)通用性強(qiáng)。涂層刀具通用性廣,加工范圍顯著擴(kuò)大,一種涂層刀具可以代替數(shù)種非涂層刀具使用,因而可以大大減少刀具的品種和庫(kù)存量,簡(jiǎn)化刀具管理,降低刀具和設(shè)備成本。

  2.涂層的分類

  根據(jù)涂層方法不同,涂層刀具可分為化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapour Deposition,簡(jiǎn)稱CVD)涂層刀具、物理氣相沉積(Physical Vapour Depositon,簡(jiǎn)稱PVD)涂層刀具及混合工藝及組合技術(shù)。CVD涂層原理如圖1a所示,PVD涂層原理如圖1b所示。混合工藝是等離子輔助CVD技術(shù)與傳統(tǒng)的PVD技術(shù)進(jìn)行有效的結(jié)合。比如先沉積傳統(tǒng)的CrN硬質(zhì)涂層,再在最上面沉積一層用于減少摩擦的DLC涂層。組合技術(shù)是涂層前對(duì)工具或零部件的表面層進(jìn)行氮化,可以提高涂層的功效。


  CVD可以涂覆耐磨損性優(yōu)異的TiCN、耐熱性非常優(yōu)異的Al2O3厚膜,因此在產(chǎn)生高溫的高速、高效率切削加工中能顯示出長(zhǎng)壽命,CVD涂層如圖2a所示。

  PVD一般用在與無(wú)涂層硬質(zhì)合金、高速鋼相同或較高速的切削速度條件下,以延長(zhǎng)刀具壽命為目標(biāo)。對(duì)基體制約少、損傷小,因此特別適合用于要求耐磨損性、耐崩刃性的刀具,也適用于要求鋒利刃口的低進(jìn)給加工與精加工或螺紋加工工具等,PVD涂層如圖2b所示。


  根據(jù)涂層刀具基體材料的不同,涂層刀具可分為硬質(zhì)合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具以及在陶瓷和超硬材料(金剛石和立方氮化硼)上的涂層刀具等。涂層硬質(zhì)合金刀具一般采用化學(xué)氣相沉積法,沉積溫度在1 000℃左右。涂層高速鋼刀具一般采用物理氣相沉積法,沉積溫度在500℃左右。

  金剛石涂層采用CVD(化學(xué)蒸鍍法)在硬質(zhì)合金基體上合成。合成的涂層具備與天然金剛石相匹敵的硬度與導(dǎo)熱系數(shù),在非鐵材料的加工中發(fā)揮著優(yōu)異的性能。金剛石涂層刀具由于其良好的切削性能,在切削加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,是加工石墨、金屬基復(fù)合材料、高硅鋁合金及許多其他耐磨蝕材料的理想刀具,目前其主要應(yīng)用領(lǐng)域是汽車和航空航天工業(yè)。金剛石涂層刀具的組織如圖3所示。


  根據(jù)涂層材料的性質(zhì),涂層刀具又可分為兩大類,即“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具。“硬”涂層刀具追求的主要目標(biāo)是高的硬度和耐磨性,其主要優(yōu)點(diǎn)是硬度高、耐磨性好,典型的是TiC和TiN涂層,各種涂層刀具如圖4所示。“軟”涂層刀具是采用固體潤(rùn)滑劑如MoS2、WS2等制備的刀具,“軟”涂層追求的目標(biāo)是低摩擦系數(shù),也稱為自潤(rùn)滑刀具,它與工件材料的摩擦系數(shù)很低,只有0.1左右,可減小粘、減輕摩擦、降低切削力和切削溫度。


  對(duì)刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一,涂層刀具的出現(xiàn),使刀具切削性能有了較大的提高,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,涂層刀具在數(shù)控加工領(lǐng)域有巨大潛力,將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中最重要的刀具品種。目前國(guó)外硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片的涂層比例在70%以上,歐洲齒輪刀具的涂層比例高達(dá)90%。涂層技術(shù)已應(yīng)用于立銑刀、鉸刀、復(fù)合孔加工工具、齒輪滾刀、剃齒刀、成形拉刀及各種機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀片,滿足高速切削加工各種鋼和鑄鐵、耐熱合金和有色金屬等材料的需要。

  3.涂層刀具的制備

  精密工具、零部件和功能件的新型高性能涂層都是由涂層爐生產(chǎn)出來(lái)的。因?yàn)椴煌膽?yīng)用需要不同種類的涂層,且需要快速的交貨期,因此涂層爐必須要有足夠的靈活性,以保證生產(chǎn)不同系列的涂層都能有最佳的成本效益。現(xiàn)代化的涂層設(shè)備能夠在金屬、陶瓷甚至是塑料的表面進(jìn)行快速、穩(wěn)定且全自動(dòng)的涂層。現(xiàn)代涂層設(shè)備必須滿足以下準(zhǔn)則:①單爐時(shí)間短。②日常運(yùn)營(yíng)成本低。③靈活性高。④設(shè)備保養(yǎng)和備件費(fèi)用成本設(shè)計(jì)低。⑤生產(chǎn)可靠性高。⑥全自動(dòng)操作。⑦CE認(rèn)證,職業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)高。

  4.涂層的選用

  為了更好地選擇和發(fā)展刀具及零部件的最佳功效,需要鑒別其主要及特定的磨損性和失效機(jī)理。磨損、粘附、腐蝕和疲勞都視為磨損機(jī)理,而且都取決于實(shí)際的應(yīng)用。經(jīng)驗(yàn)指出,材料的摩擦和磨損都不是材料的原因,而是整個(gè)系統(tǒng)的原因。因此,在選擇涂層前就必須分析整個(gè)摩擦系統(tǒng),包括零部件的技術(shù)性能、抗壓力范圍以及磨損機(jī)理的類型。

  5.結(jié)語(yǔ)

  正確選用涂層是合理使用涂層刀具和充分發(fā)揮涂層功能的前提。現(xiàn)在的涂層主要是以TiN和CrN為主。當(dāng)然DLC涂層和用于鋁壓鑄模具的新型微合金涂層的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在過(guò)去幾十年間,為了滿足對(duì)功能涂層不斷的要求,工業(yè)等離子表面技術(shù)獲得了十分迅猛的發(fā)展。面向未來(lái),新的挑戰(zhàn)也會(huì)推動(dòng)現(xiàn)行的涂層技術(shù)和新涂層概念及其應(yīng)用向更先進(jìn)的方向發(fā)展。通過(guò)利用新的蒸發(fā)設(shè)備和濺射理念以及脈沖技術(shù),電弧PVD和濺射工藝也將更加先進(jìn)。通過(guò)采用超高密度的等離子體和優(yōu)化的電弧蒸發(fā)技術(shù)可以生成微合金涂層和專用設(shè)計(jì)的多結(jié)構(gòu)涂層。涂層的納米設(shè)計(jì)也將成為工具發(fā)展方向之一。

  

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