切削刀具涂层技术研究进展
切削刀具(涂层硬质合金和涂层高速钢刀具)表面涂层技术是近几十年来应巿场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可有效延长切削刀具的使用寿命,赋予刀具优良的综合机械性能,从而大幅提高机械加工效率。也正因为此,涂层技术与切削材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。
切削刀具涂层是指在机械切削刀具的表面上涂覆一层硬度和耐磨性很高的物质。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视,在工业发达国家的工厂中,实施了涂层的刀具在总体中的占比近60%。
目前涂层技术方法主要有气相沉积法、溶胶-凝胶法、热喷涂法等。其中,气相沉积法的应用较多,且制备涂层的质量较高。气相沉积技术通常可分为物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)和化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)。
通过气相沉积法制备切削刀具表面涂层的方法主要包括以下几种:磁控溅射沉积涂层、电弧离子镀沉积涂层、高温化学气相沉积涂层、中温化学气相沉积涂层、等离子增强化学气相沉积涂层。这当中最常用的为高温化学气相沉积、磁控溅射沉积和电弧离子镀,下文将结合各类涂层技术的不同机理,阐述其优缺点。
磁控溅射沉积技术
磁控溅射沉积涂层(magnetron sputtering)技术属于辉光放电范畴,利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后,沉积到工件上形成所需膜层。因为在溅射装置的靶材部分引入磁场,磁力线将电子约束在靶材表面附近,延长其在等离子体中的运动轨迹,从而提高其在参与气体分子碰撞和电离过程的程度。
磁控溅射沉积具有如下优点:(1)沉积速率高、维持放电所需靶电压低；(2)电子对于衬底的轰击能量小；(3)膜层组织细密,由于磁控溅射沉积涂层是靠阴极溅射方式得到的原子态粒子,携带着从靶面获得的较高能量到达工件,利于形成细小核心、长成非常细密的膜层组织；(4)磁控溅射沉积涂层能够获得大面积薄膜,可获得广泛应用。
但是这一方法也存在以下一些问题:(1)靶材刻蚀不均匀。由于磁场强度分布不均匀,使靶材利用率低。这可以通过合理设计靶材结构、配加电磁场来促成靶面磁场强度的变化,实现放电扫描,从而有效提高靶材利用率。(2)金属离化率低。针对此,可按要求加大(或减少)靶中心的磁体体积,造成部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近,达成非平衡磁控溅射(unbalanced magnetron sputtering)。
值得一提的是,磁控溅射方法也可用于制备多层膜和纳米膜,而随着高新技术和新兴加工业的迅速发展,沉积具有更高性能的多层膜和纳米膜的需求日渐增多。因此,磁控溅射技术值得进一步的深入研究和发展,其应用前景优越。
电弧离子镀沉积技术
离子镀(ion plating, IP)是在真空蒸发镀的基础上发展起来的新技术,它将各种气体放电方式引入气相沉积领域,使得整个气相沉积过程都在等离子体中进行。其中,电弧离子镀(arc ion plating, AIP)属于冷场致弧光放电范畴,是一种没有固定熔池的固态蒸发源,多采用圆形阴极电弧源作为蒸发源。
AIP的优点在于:(1)金属离化率高,高达60%～90%；(2)电弧离子镀的沉积速率高；(3)沉积涂层的膜基结合力好；(4)容易获得氮化钛等化合物涂层,在200℃以下可以进行批量生产。<br> AIP的不足之处是:(1)膜层中粗大熔滴的存在增大了表面粗糙度,增加了光线的漫反射,因而降低了饰品的表面亮度；(2)粗大熔滴在切削时容易剥落,造成涂层表面的缺陷。<br> 电弧离子镀制备涂层的种类非常多,涉及领域也极为广泛,可用于硬质防护涂层的沉积,涂层涵盖了各种金属氧化物、碳化物、氮化物和某些金属及合金材料。其也可用于多层结构涂层和纳米多层结构涂层的制备,具有电弧离子镀操作简单、镀膜室空间利用率大、生产效率高的特点,近年来已经发展成为沉积硬质涂层的重要技术,在国内外都得到了迅猛发展。
近年来一种新的涂层制备系统采用了复合涂层技术,其结合电弧离子镀和磁控溅射沉积两种技术,系统配置有几个电弧和磁控溅射阴极,电弧层可作为过渡层或为整个涂层提供必需的耐磨性,与此同时,磁控溅射层则提供高温和化学稳定性。这一复合涂层技术的优点是沉积过程易于控制、稳定性好、重复性佳,其沉积速度(≧0.5μm/h)足以满足工业化生产中对节省处理时间的实际要求。
高温化学气相沉积技术
高温化学气相沉积涂层(high temperature chemical vapor deposition,HTCVD,一般简称为CVD)技术是指在一定温度条件下,涂层材料的混合气体在硬质合金表面相互作用,使混合气体中的一些成份分解,并在刀具表面形成金属或化合物的硬质涂层。
此方法成功实施的关键在于:(1)作为涂层材料的混合气体与硬质合金表面的相互作用、也即涂层材料的混合气体之间在硬质合金表面上反应来产生沉积,或是通过涂层材料的混合气体的一个组分与硬质合金表面反应来产生沉积；(2)该沉积反应必须在一定的能量激活条件下进行。
高温化学气相沉积涂层具有以下优点:(1)其所需涂层源的制备相对容易；(2)可以沉积金属碳化物、氮化物、氧化物等单层及多元层复合涂层；(3)涂层与基体之间的结合强度高；(4)涂层具有良好的耐磨性能。
不可否认的是,这种方法存在着先天性的缺陷。主要有以下几点:(1)涂层温度高。即涂层沉积温度高于900℃,使涂层与基体之间容易产生一层脆性的脱碳层(η相),从而导致硬质合金材料的脆性破裂,抗弯强度下降；(2)涂层内部为拉应力状态,使用时容易导致微裂纹的产生；(3)在涂层过程中排放的废气、废液会造成工业污染,对环境的影响较大。也正因为此,在20世纪90年代中后期该方法的发展受到了一定制约。
中温化学气相沉积技术
中温化学气相沉积涂层(moderate temperature chemical vapor deposition,MTCVD)技术的反应机理是以含C-N原子团的有机化合物如三甲基氨、甲基亚胺等为主要反应原料气体,与TiCl4、N2、H2等气体在700℃～900℃温度下,产生分解、化合反应,生成TiCN等涂层。
MTCVD的优点是:(1)沉积速度快、沉积温度较低；(2)涂层较厚；(3)对于形体复杂的工件涂层均匀；(4)涂层附着力高；(5)涂层内部残余应力小。鉴于此,这种方法易于工业化,是一种优于高温化学气相沉积涂层的涂层方法。
MTCVD也有缺点:(1)涂层内部为拉应力状态,使用时容易导致微裂纹的产生；(2)在涂层过程中排放的废气、废液会造成工业污染,对环境不友好。上述原因在某种程度上也制约了这种技术方法的发展。
采用MTCVD技术可获得致密纤维状结晶形态的涂层,涂层厚度可达8～10μm。这种涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性,适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用,从刀片寿命来看,相比普通涂层刀片的寿命可提高一倍左右。
等离子增强化学气相沉积技术
等离子增强化学气相沉积涂层(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)技术是指通过电极放电产生高能电子使气体电离成为等离子体,或者将高频微波导入含碳化合物气体产生高频高能等离子、由其中的活性碳原子或含碳基团在硬质合金的表面沉积涂层的方法。
PECVD的优点:(1)它利用等离子体促进化学反应,可将涂层温度降至600℃以下；(2)由于涂层温度低,在硬质合金基体与涂层材料之间不会发生扩散、相变或交换反应,因而基体可以保持原有的强韧性。
PECVD的缺点:(1)设备投资大、成本高,对气体的纯度要求高；(2)涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害；(3)对小孔孔径内表面难以涂层等。
PECVD工艺的处理温度已降至450～650℃,这有效抑制了η相,可用于螺纹刀具、铣刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂层应用,但是迄今为止,该工艺在刀具涂层领域的应用并不广泛。
结语
(1)切削刀具涂层技术方法仍然以气相沉积技术为主流,溶胶-凝胶法、热喷涂法需要进一步的研究发展。
(2)物理气相沉积具有温度低、环境污染少等优点,因此近年来得到迅速的发展,其中以磁控溅射沉积、电弧离子镀沉积技术最为显著。
(3)物理气相沉积和化学气相沉积两种技术工艺在切削刀具涂层中仍然将并存和相互补充,并因其自身的优点在涂层比例中占有各自的份额。一般说来,高速钢等钢制工具、锋利的硬质合金精切刀片和硬质合金整体多刃刀具(如立铣刀、麻花钻等)采用PVD工艺涂层较理想；其余大部分硬质合金刀片均可采用CVD工艺涂层。
(4)物理气相沉积和化学气相沉积这两种方法仍然存在自身的缺点,因此改进沉积工艺条件、发展新的沉积方法依然是进一步研究的重点。
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