中国刀具涂层材料之单涂层研究

TiC和TiN是最早出现的刀具涂层材料,也是目前国内外应用较多的涂层。TiC涂层硬度高(达HV2500～4200),具有高的抗机械磨损和抗磨料磨损性能,与未涂层刀具相比,有较低的摩擦系数,较小的切削力和较低的切削温度,具有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力,应用温度500℃,但其性脆,不耐冲击。TiN涂层是工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料,其突出优点是摩擦系数小,应用温度达到600℃,适于加工钢材或切削易于粘在前刀面上的材料。目前国内外的刀具公司都有这两种涂层牌号的产品。

化学气相沉积(CVD)的Al2O3涂层刀具的切削性能高于TiN和TiC涂层刀具,且切削速度愈高,刀具耐用度提高的幅度也愈大。在高速范围切削钢件时,Al2O3涂层在高温下硬度降低较TiC涂层小,Al2O3具有更好的化学稳定性和高温抗氧化能力,因此具有更好的抗月牙洼磨损、抗后刀面磨损和抗刃口热塑性变形的能力,在高温下有较高的耐用度。第一代Al2O3涂层切削刀具中,涂层常常是由a-和κ-Al2O3的混合物组成,导致不均匀的涂层形貌,严重降低涂层性能。过去的10年里,在控制a-Al2O3晶体成核和细颗粒微观结构方面取得了很大进步。早期的a-Al2O3涂层出现热裂纹并且易碎,最近通过调节晶核表面的化学作用就可能完全控制并使a-Al2O3相成核,形成由细颗粒a-Al2O3组成的涂层,避免了转化裂纹,与早先技术得到的a-Al2O3涂层相比,表现出优异的韧性。

Al2O3涂层的绝缘特性使物理气相沉积(PVD)工艺相当难于控制,且沉积速度很低,如何能通过PVD的方法制备Al2O3涂层一直是刀具涂层业所关心的问题。CemeCon公司开发的高电离化脉冲技术(HIPTM),使优异的AlOx涂层成为可能。该公司新近开发的建立在磁控溅射TiAlN涂层基础上Al2O3涂层,涂覆温度低于450℃,在铸铁和高性能和合金材料试验上取得了满意结果。

HfN热膨胀系数非常接近硬质合金基体,涂镀后产生的热应力很小,刀片抗弯强度降低少,因热膨胀系数不同而引起的和崩刃的危险性减少,且HfN热稳定性和化学稳定性较很多高熔点材料的高,在温度高达817～1204℃时仍有很高的硬度(30GPa),耐磨性好。目前市场上美国Teledyne公司牌号为HN+及HN+4的刀片及德国Walter公司牌号为WHN的刀片都是HfN涂层刀片。

由于TiC、TiN涂层与钛合金和铝合金材料之间的亲合力,会使摩擦力和粘结增大,产生粘屑,而CrC、CrN和新开发的Mo2N、Cr2O3等涂层化学稳定性好,不易产生粘屑,适于切削钛、铜、铝及其合金材料。此外常见的单涂层材料还有NbC、HfC、ZrC、ZrN、BN、VN等。

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