中国刀具涂层材料之超硬材料涂层研究

1.金刚石、类金刚石(DLC)涂层

金刚石涂层是新型刀具涂层材料之一。它利用低压化学气相沉积技术在硬质合金基体上生长出一层由多晶组成的金刚石膜,用其加工硅铝合金和铜合金等有色金属、玻璃纤维等工程材料及硬质合金等材料,刀具寿命是普通硬质合金刀具的50～100倍。金刚石涂层采用了许多金刚石合成技术,最普通的是热丝法、微波等离子法和DC等离子喷射法。通过改进涂层方法和涂层的粘结,已生产出金刚石涂层刀具,并在工业上得到了应用。

近年来,美国、日本和瑞典等国家都已相继推出了金刚石涂层的丝锥、铰刀、铣刀以及用于加工印刷线路板上的小孔金刚石涂层硬质合金钻头及各种可转位刀片,如瑞典Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25等牌号产品。美国Turchan公司开发的一种激光等离子体沉积金刚石的新工艺,用此法沉积金刚石,由于等离子场包围整个刀具,刀具上的涂层均匀,其沉积速度比常规CVD法快1000倍。此法所成的金刚石涂层与基体之间产生真正的冶金结合,涂层强度高,可防止涂层脱落、龟裂和裂纹等缺陷。CemeCon公司具有特色的CVD金刚石涂层技术,2000年建立生产线,使金刚石涂层技术达到工业化生产水平,其技术含量高,可以批量生产金刚石涂层。

类金刚石涂层在对某些材料(Al、Ti及其复合材料)的机械加工方面具有明显优势。通过低压气相沉积的类金刚石涂层,其微观结构与天然金刚石相比仍有较大差异。九十年代,常采用激活氢存在下的低压气相沉积DLC,涂层中含有大量氢。含氢过多将降低涂层的结合力和硬度,增大内应力。DLC中的氢在较高的温度下会慢慢释放出来,引起涂层工作不稳定。不含氢的DLC硬度比含氢的DLC高,具有组织均匀、可大面积沉积、成本低、表面平整等优点,已成为近年来DLC涂层研究的热点。美国科学家A.A.Voevodin提出沉积超硬DLC涂层的结构设计为Ti-TiC-DLC梯度转变涂层,使硬度由较软的钢基体逐渐提高到表层超硬的DLC涂层。这类复合涂层既保持了高硬度和低摩擦系数,又降低了脆性,提高了承载力、结合力及磨损抗力。日本住友公司推出了在硬质合金刀片上涂覆金刚石DLC的DL1000涂层,用于切削铝合金和非铁金属,抗粘结,能有效降低已加工表面的粗糙度。

经过多年的研究表明:由于类金刚石涂层的内应力高、热稳定性差及与黑色金属间的触媒效应使SP3结构向SP2转变等缺点,决定了它目前只能应用于加工有色金属,因而限制了它在机加工方面的进一步应用。但是近年来的研究表明,以SP2结构为主的类金刚石涂层(也称为类石墨涂层)硬度也可达到20～40GPa,却不存在与黑色金属起触媒效应的问题,其摩擦系数很低又有很好的抗湿性,切削时可以用冷却剂也可用于干切削,其寿命比无涂层刀有成倍的提高,可以加工钢铁材料,因而引起了涂层公司、刀具厂家的极大兴趣。假以时日,这种新型的类金刚石涂层将会在切削领域得到广泛的应用。

2.立方氮化硼(CBN)涂层

CBN是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬材料,它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性(如超高硬度,仅次于金刚石,高耐磨性,低摩擦系数,低热膨胀系数等)外,同时还具有一些优于金刚石的特性。CBN对于铁、钢和氧化环境具有化学惰性,在氧化时形成一薄层氧化硼,此氧化物为涂层提供了化学稳定性,因此它在加工硬的铁材、灰铸铁时耐热性也极为优良,在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、淬火钢、钛合金等,并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的硅铝合金等难加工材料。

自1987年Inagawa等成功地制备了出纯的CBN涂层以来,在国际上掀起了CBN硬质涂层的研究热潮。低压气相合成CBN涂层的方法主要有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。研究结果表明:在合成CBN相、对硬质合金基体的良好粘结和合适的硬度等方面已取得了进展,目前沉积在硬质合金上的立方氮化硼最大仅为0.2～0.5μm,若想达到商品化,则必须采用可靠的技术来沉积高纯的经济的CBN涂层,其厚度应在3～5μm,并在实际金属切削加工中证实其效果。

(暂不可见)x涂层

二十世代八十年代,美国科学家Liu和Cohen设计了类似β-Si3N4新型化合物β-C3N4,采用固体物理和量子化学理论,计算出它的硬度可能达到金刚石,这引起了世界各国科学家的关注。合成氮化碳成为世界材料科学领域的热门课题。日本Okayama大学的FFujimoto采用电子束蒸发离子束辅助沉积法获得的氮化碳涂层达到63.7Gpa。武汉大学合成的氮化碳硬度分别达到50GPa,并沉积到高速钢麻花钻上,获得非常好的钻孔性能。合成氮化碳的主要方法有真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。

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