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刀具表面改性应用技术概述
2017-05-25 17:06:59  作者:张蜀红  来源:网络
  • 刀具表面改性技术对于强化刀具,延长刀具的使用寿命和发展新型刀具加工技术具有重要的意义。文中综述了刀具传统表面改性技术的方法及新型刀具表面改性的方法,涂层方法由最初的热喷涂和阳极电镀的方法发展到化学气相沉积法和物理气相沉积法。新型刀具表面改性从离子注入、等离子体、激光技术发展到离子束辅助沉积,提出了刀具表面改性技术的研究发展方向。

     0 引言

  随着制造技术全球化发展趋势,特别是以高、精、尖的精加工设备为主流,所以对制造业带来巨大的挑战,而刀具在制造加工中起到关键性的作用。但是中国刀具技术的发展现状不容乐观,中国市场需要大量的高性能的刀具。特别是通用机械制造领域,离不开刀具加工。尤其是在汽车制造、飞机制造中应用比例较高,其中汽车工业是消耗机床刀具的大户,占全球总刀具消费量的一半以上。

  目前刀具表面强化是提高刀具性能的重要技术,主要有表面涂层、离子渗氮、阳极氧化和气相沉积等。新型刀具开发的方向应是更耐热,导热更好,更耐磨,韧性也更高。而单一的刀具表面强化处理方式已不能满足其性能要求,因此,一些新的表面强化技术得以发展,被开始广泛应用于刀具研究领域制造,以适应发展的要求。

    1 、传统刀具表面改性的方法

  1.1 热喷涂

  热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态,并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。使普通材料达到防腐、耐磨、抗高温、抗氧化、隔热等多种功能,并起到节约材料、提高能源的效果。

  近年来对超音速喷涂技术的研究也迅速增多,并取得了很大成果。王海军[1]等人采用超音速等离子喷涂技术制备了在 Al-10Si 合金基体上的纯 Mo 和 Mo+ 30%的涂

  层,用随机配置的能量色散谱仪分析涂层成分,并利用GENESIS 型 X 射线衍射仪分析涂层的相结构。通过对涂层微观组织、显微硬度、结合强度和环块滑动摩擦磨损等试验表明,Mo+30%的涂层综合性能优于纯 Mo 涂层,涂层中的 Ni-Cr 固溶体对涂层具有固溶强化作用及铬的硼化物( Cr2B) 、碳化物( Cr3C2) 等硬质相的弥散强化,提高了涂层的硬度,起到了耐磨支撑作用。

  类晶材料是近几年发展的一种新型的热喷涂复合材料,已在汽车、冶金行业得到广泛的应用。林惠令[2]等人在第七届国际热喷涂研讨会上综述了钛酸钾晶须复合材料在热喷涂技术中的应用,酸钾晶须复合材料是世界上新一代高性能复合材料,是一种细小纤维状的亚纳米级材料,具有十分优良的力学性能和物理性能: 高强度、耐磨损、高模量、耐高温、隔热、高电器绝缘及优异的红外反射性能。

  1.2 阳极电镀处理

  阳极电镀是一种化学电镀表面覆盖处理的方法,可以改变产品的外观,改善表面颜色和纹理结构。最常见的是对钛和铝进行阳极电镀表面处理。使用不同的电压,可以产生不同的颜色( 高电压=深颜色,低电压=浅颜色) 。

  自电力工程开始使用瓷绝缘子以来,电瓷工业的发展极为迅速,电瓷成形刀具亦愈来愈受到重视。为此,从1937 年始,开展了在电瓷成形刀具上电镀碳化硼粉的研究工作,研究表明通过电镀的方法可以在极性材料上镀上具有高耐磨性的非极性材料,提高了成形刀具使用寿命,并在其他相对滑动磨损较大的场合,也可以采用这种方法提高其耐磨性。

  近几十年发展起来的脉冲电镀 Ni-Co 合金技术有了较大发展,合金镀层具有良好的物理、化学和机械性能。宫晓静[3]等在高频( 20 ~ 40 kHz) 下,采用脉冲电镀法在

  1Cr18Ni9Ti 不锈钢上制备了镍钴合金,结果表明高频脉冲镀 Ni-Co 合金的显微硬度均比直流镀层高; 镀层的显微硬度随着硫酸钴浓度的增加而提高; 直流脉冲制得的镀层在不同温度热处理时有最大值; 脉冲频率与镀层的致密性有着紧密关系,随着频率的增加而变得致密。

  1.3 气相沉积

  a) 化学气相沉积( CVD)

  化学气相沉积( chemical vapor deposition,CVD) 是利用气态物质在固体表面进行化学反应,生成固态沉积物的过程。美国在 CVD 法提高金属线或金属板的耐热性与耐

  磨损性方面进行了深入的研究,20 世纪 60 年代后,CVD法应用于宇航工业的特殊复合材料、原子反应堆材料、刀具、耐热耐腐蚀涂层、半导体工业等领域。

  采用化学气相沉积硬质合金刀具,提高了刀具的使用寿命和生产效率。在硬质合金衬底上涂覆的金刚石薄膜可制成涂层刀具,涂层拉丝膜、涂层喷嘴和其他涂层零部件,涂层的物理和化学性能都能达到或非常接近天然金刚石的水平。且 CVD 涂层刀具的抗冲击性能优于 PCD 刀具,适用于非铁材料的粗加工和半精加工,其刀具寿命比硬质合金刀具提高 3 ~ 10 倍,被加工工件越硬,刀具使用寿命越长。化学气相沉积技术主要应用于硬质合金类刀具的表面涂层,这种涂层刀具主要适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工中。

  采用不同的预处理方式浸蚀 YG6 硬质合金基体表面,随后在热丝化学气相沉积装置上沉积了金刚石薄膜。结果表明,硬质合金基体表明粗糙,金刚石薄膜形核密度高,结晶品质好,金刚石涂层与硬质合金基体结合良好。

  采用偏压增强热丝化学气相沉积法,以硼酸三甲酯为掺杂源,以 WC-Co 硬质合金刀具为衬底,制备了不同掺硼浓度的金刚石薄膜涂层刀具,分析了硼元素对薄膜质量和刀具性能的影响。结果表明: 硼掺杂可以有效抑制刀具表明钴的扩散,改变金刚石薄膜的成分,随着掺硼浓度的增加,金刚石薄膜的晶粒变小。通过对碳化硅颗粒增强铝基复合材料的切削加工实验表明,在适当的掺硼浓度下金刚石薄膜涂层刀具的切削性能得到显著的改善。

  采用辅助加热 PVCD 装置对直齿铣刀进行涂敷氮化钛处理。试验结果表明: 高速钢基体上沉积的TiN 膜与基体结合良好,PCVD-TiN 膜显微硬度可以达到2 000HV,未经涂镀的铣刀刃角磨损很大,经过涂镀后的铣刀刃磨较均匀,镀膜处理后铣刀的使用寿命是不镀膜铣刀的 2.5 倍,大大提高了刀具的使用寿命。

  b) 物理气相沉积( PVD)

  物理气相沉积是利用电弧、高频电场或等离子体等高温热源将原料加热至高温,使其气化或者形成等离子体,然后通过骤冷,使之凝聚成各种形态的材料( 如晶须、薄膜、晶粒等) 。其原理一般基于纯粹的物理效应,但有时也与化学反应相关联。

  与化学气相沉积相比,物理气相沉积具有镀膜材料广泛,镀料汽化方式不受温度的限制,沉积粒子能量可以调节反应活性高,可沉积各种类型薄膜,无污染,有利于环境保护等优点。

  最早利用 TIC 和 TIN 2 种材料进行物理气相沉积的刀具,具有抗磨料磨损能力强,有高的抗刀面磨损和抗月牙洼磨损的能力,适于加工钢材或切削易于粘在前刀面上的材料,

  采用物理气相沉积技术在硬质合金刀具上作的TiALN 涂层刀具,由于 TiALN 具有很高的高温硬度和抗氧化能力,故刀具能抗 900℃高温,同时在高速加工时,涂层表面会产生非晶态的 Al2O3薄膜,对涂层起到了保护的作用。Balzers 公 司 试 验 的 AlCrN 涂层刀具硬度可达3 200 HV,当温度达到 1 000 ℃ 时,刀具能保持原有的硬度,同时这层涂层还能保护刀具基体不氧化; 在 AlCrN 涂层的基础上,又推出 TiAlN+AlCrN 基的涂层刀具,赋予刀具良好的红硬性和抗高温氧化的能力。

  在刀具传统表面改性的方法中,常用化学气相沉积法( CVD) 和物理气相沉积法( PVD) 为主,虽然这 2 种方法在生产实践中已日渐成熟,但仍存在一些不足,其中较突

  出的问题是刀具的表面涂层与基体间的界面结合强度较低,涂层易剥落,因此涂层不能做得太厚,以免使涂层刀具使用寿命的提高受到限制,切削中一旦涂层被磨掉,刀具就会迅速磨损。此外,涂层刀具基本上不具备重磨性,这将限制其在粗加工和大型加工设备中的应用。

  蔡志海等[7]利用多弧离子镀技术在 YT14 硬质合金刀具上 制 备 了 CrTiAlN 复 合 涂 层,对不同偏压条件下CrTiAlN 复合膜的表面形貌、硬度、结合性能进行了系统研究,试验表明: CrTiAlN 复合涂层的主要成分为 Cr、Ti、Al、N、O,相组成为 Cr、CrN、Cr2N 和 TiN 晶体相与 AlN 非晶相。在干式切削条件下,不同涂层刀具的切削寿命的排序依次为 CrTiAlN>TiAlN>TiN 未涂层。

    2 、新型刀具表面改性的方法

  2.1 离子注入技术

  离子注入法是指在离子注入机中把离子加速成具有几万到几十万( 甚至几百万) 电子伏能量的束流,注入到固体材料的表层内,获得高硬度( 2 000 ~ 4 000 HV) 的硬

  化层表面,离子注入的整个系统保持真空状态,避免离子中性化和外来原子( 分子) 对注入的影响,以便得到最佳的均匀性。

  20 世纪 80 年代中期,一些研究人员已经开始探索将离子注入作为一种改进切削刀具的方法。张通知[8]等在硬质合金刀具上进行 N 离子注入,由于 N 离子注入硬质

  合金刀具中,使 WC 的晶面间距增加,同时也形成了Co3O4新的析出相,它在 Co 粘结相中形成的金属化合物,减少了Co 的塑性流动,从而阻止了 Co 粘结相的移动,可动的间

  隙原子 N,在磨损期间产生了牵制和阻碍位错运动的作用,形成了硬表面层。这种作用的连续性是由于在磨损过程中产生的高温和应力条件下,注入的 N 原子可以向内部迁移,使实际耐磨层增厚[9],摩擦试验表明,刀具表面越硬,磨损量越少,耐磨性提高 4 ~ 6 倍,从而明显增加了刀具的耐用度。

  研究过氧化物陶瓷刀具的氮注入,外加注入能量为 90keV,离子剂量为 1×1016离子/cm2,结果表明: 注入陶瓷刀具的性能优于未注入陶瓷刀具,原因是由于刀具和工件材料之间黏附磨损的减少,离子注入似乎减少了一贯出现于未注入刀具前面的剥落。

  吴起白等人[11]研究发现,进行 Ti+Y 双元注入时,在试样表层可能形成 Y 的氧化物膜层,在离子注入过程中,由于反冲击碰撞和级联过程,吸附在试样表面的氧原子进

  入到表层晶格中。因 Y 和 O 亲和力很大,遂在试样表面和最表层形成 Y 的氧化物( Y 含量高达 30%) 。此层很薄,但结构致密并且缝合在注入层中的合金氧化物膜层( 同时含 Ti、C) ,这样对降低材料表面的摩擦系数,提高耐磨性是十分有益的。

  2.2 等离子体技术

  等离子体化学气相沉积技术原理是利用低温等离子体( 非平衡等离子体) 作能量源,工件置于低气压下辉光放电的阴极上,利用辉光放电( 或另加发热体) 使工件升温到预定的温度,然后通进适量的反应气体,气体经一系列化学反应和等离子体反应,在工件表面形成固态薄膜。它包括了化学气相沉积的一般技术,又有辉光放电的强化作用。

  等离子熔敷复合材料涂层技术具有能量利用率高、生产效率高、使用成本低等特点,制备的涂层组织均匀细小,具有典型的快速凝固特征,涂层与基体结合良好,耐磨损

  耐腐蚀。夏志迎[12]用脉冲高能量密度等离子体沉积薄膜技术和等离子熔敷耐磨耐蚀复合材料涂层技术对地铁施工用盾构刀具的刀刃及刀体易磨损面进行表面改性处理。研究表 明,在不锈钢及淬火高速钢基底表面沉积的Ta( C) N三元薄 膜 硬 度 高 达 14 GPa,杨 氏 模 量 高 达 250GPa,薄膜和基底之间存在较宽的过渡层,保证了薄膜与基体的牢固结合,薄膜具有优异的摩擦磨损性能。在盾构刀具刀体易磨损面上制备了( Cr,Pe) _7C_3/γ-Fe 耐磨耐蚀复合材料涂层,刀具的耐磨耐蚀性能显著提高,刀具的服役周期明显延长。

  利用等离子增强磁控溅射方法在硬质合金表面制备 Ti( Cr,Al) SiC( O) N 涂层,通过对涂层和硬质合金基体在空气中进行 600℃高温处理研究涂层相结构、膜基结合力及硬度。实验表明: 硬质合金基体氧化明显,而涂层在 600℃没有发生氧化,膜-基结合强度和硬度等性能保持不变。

  2.3 激光技术

  激光加工技术的研究始于 20 世纪 60 年代,但直到 70年代初研制出大功率激光器之后,激光表面处理技术才获得实际的应用,并在近 10 年内得到迅速的发展。激光表面处理技术是在材料表面形成一定厚度的处理层,可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能,从而提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能。

  在实验室中进行的在大型复杂钛合金结构件激光直接快速成形技术及激光熔覆难熔金属硅化物高温、耐磨、耐蚀多功能涂层材料等方面的最新研究及应用进展: “高性能金属结构件激光直接快速成形制造技术”,利用快速原型制造( RPM) 的基本原理,通过金属材料快速凝固激光熔覆逐层沉积,直接由零件 CAD 模型一步完成组织致密、成分均匀、性能优异的高性能近终形复杂金属零件的快速成形制造。采用该技术可在无需毛坯制备、无需模具加工制造、无需重型或超重型锻铸工业基础设施等的条件下,直接实现钛合金、高温合金、金属间化合物等高性能‘近终形’复杂零部件的无模快速成形制造,是一种代表着先进制造技术与材料技术发展方向,将“高性能结构材料设计、制备与‘近终形’高性能复杂零件直接成形制造”有机融为一体的“无模”、非接触、无污染、数字化、知识化成形制造新技术。

  哈尔滨工业大学应用化学系 对激光表面改性技术做了大量的研究工作,总结了激光表面改性工艺的非平衡处理、非接触加工、自冷淬火、变形少、周期短等特点,并综述了当采用了激光表面改性技术时,使得以钢铁、有色金属( Al、Mg、Zn、Ni 等) 为基体的材料耐腐蚀性能都有明显的提高,是一种有效的腐蚀防护方法。

  2.4 离子束辅助沉积( IBAD)

  离子束辅助沉积( ion beam assisted thin film deposition,IBAD)是在气相沉积镀膜的同时,利用高能离子轰击薄膜沉积表面,对薄膜表面环境产生影响,从而改变沉积

  薄膜成分、结构的过程。这一薄膜制备手段的优点是: 合成的薄膜致密,附着力强,能够在低温下合成,可以合成一些用常规手段难以获得的特殊薄膜材料,等等。这一技术

  开始于 20 纪世 70 年代,到 80 年代中期受到普遍重视,目前已成为国际上广泛关注的新型薄膜制备手段 。

  IBAD 技术可明显地改善材料表面强度,提高耐磨、耐腐蚀性,这些保护薄膜和材料结合紧密,具有良好的均匀性。立方氮化硼薄膜( c—BN) 的硬度仅次于金刚石,具有耐高温、高压和宽禁带的性质。江海[1 7]等人研究表明,硼蒸汽在氮离子束轰击下,在未加热的硅片上沉积,所有的氮都和硼结合在一起,并且薄膜的硬度是硅基板的 3 ~ 5倍。

  采用 IBAD 技术制备 TIN 薄膜,具有温度低,薄膜结合力强的优点。李曙光[18]研究表明,经过离子束增强沉积 TIN 薄膜的模具,表面机械强度大大提高,减少粘连的

  ·机械制造· 张蜀红·刀具表面改性应用技术概述Machine Building A utomation,Jun 2016,45( 3) : 66 ~ 69现象,有效寿命延长数倍。TIN 薄膜广泛应用于机械零件中,也用于刀具表面处理及易磨损部件表面镀膜等。

   3 、未来刀具表面改性的研究方向

  1) 研发新的刀具涂层

  研究新型的多层、高硬度、高韧性的涂层,若工艺超均一化、新型涂层工艺和新涂层材料、新型添加材料与热处理工艺上领先,谁就能在世界上占主导地位。

  2) 研发高效能的刀具

  高效切削已经成为现代制造的主流,而聚晶立方氮化硼刀具在其中扮演着不可缺少的角色。目前,我国刀具制造业还停留在传统的发展模式上,无法满足现代制造业对高效刀具的需求,故研发高效能的刀具适应现代制造业的发展势在必行。

  3) 研发超硬材料刀具

  超硬材料刀具的发展是现代制造业发展的重要基础。美、德、日等世界制造业的国家无一例外都是刀具产业先进的国家。超硬材料刀具不但是推动制造技术发展进步的重要动力,是提高产品质量、降低加工成本的重要手段。今天先进的数控机床已经成为现代制造业的主要装备,它与同步发展起来的先进超硬材料刀具一起共同推动了加工技术的进步。

  我国机床工具行业对现代金属切削刀具与传统刀具的差别缺乏足够的熟悉,长期以来重主机、轻工具,在发展战略上超硬材料刀具与数控机床的发展严重脱节,使我国

  超硬材料刀具技术的发展和行业水平与现代制造业的要求相差甚远。

  超硬刀具的应用程度将取决于技术和经济两方面的因素。然而有一点是显而易见的,即朝着具有更高生产率、更高切削速度和更低本钱的方向发展。随着更耐磨和更难加工工件材料的增多,各类超硬刀具的应用将持续大量增加。毫无疑问,为达到未来产业经济的高速发展,超硬刀具的成功应用是一个关键因素。



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