涂層設備

刀具涂層介紹:
涂層技術迅速發展,涂層刀具和模具得到了廣泛應用。1969年德國克虜伯(Krupp)公司和瑞典山特維克(Sandvik)公司研發成功了化學氣相沉積(CVD)涂層技術,并向市場推出了CVDTiC涂層硬質合金刀片產品。20世紀70年代初,美國本夏(R.Runshan)和拉格胡南(A.Raghuran)研發了物理氣相沉積(PVD)工藝,并于1981年將PVDTiN高速鋼刀具產品推向市場。當時CVD涂層工藝溫度約1000℃,主要用于硬質合金刀具(刀片)的表面涂層;PVD涂層工藝溫度為500℃和500℃以下,主要用于高速鋼刀具的表面涂層。后來,CVD和PVD涂層技術不斷迅速發展,在涂層材料、涂層設備和工藝等方面都有了很大進步,而且發展了多層材料的涂覆技術,使涂層刀具(刀片)的使用性能有了很大的提高。PVD涂層技術過去主要用于高速鋼刀具,而近年來隨著PVD涂層技術飛躍發展,也成功用于硬質合金刀具(刀片),占領了硬質合金涂層刀具(刀片)的一半陣地。現在,涂層高速鋼刀具和涂層硬質合金刀具(刀片)廣泛應用,已占全部刀具使用總量的50%以上。
一、涂層刀具的優越性
在韌性較好的刀具(刀片)基體上進行表面涂層,涂覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層(如TiN、TiC等),使刀具(刀片)具有全面、良好的綜合性能。未涂層高速鋼的硬度僅為62~68HRC(760~960HV),硬質合金的硬度僅為89~93.5HRA(1300~1850HV);而涂層后的表面硬度可達2000~3000HV以上。
①由于表面涂層材料具有很高的硬度和耐磨性,且耐高溫。故與未涂層的刀具(刀片)相比,涂層刀具允許采用較高的切削速度,從而提高了切削加工效率;或能在相同的切削速度下,提高刀具壽命。
②由于涂層材料與被加工材料之間的摩擦系數較小,故涂層刀具(刀片)的切削力小于未涂層刀具(刀片)。
③用涂層刀具(刀片)加工,零件的已加工表面質量較好。
④由于涂層刀具(刀片)的綜合性能良好,故涂層硬質合金刀片有較好的通用性,一種涂層硬質合金牌號的刀片具有較寬的使用范圍。
刀具涂層技術的發展和進步
筆者多次參觀了國際機床工具展覽會,收集到很多資料,并聽取了各大工具公司的技術報告,從而了解到刀具產品表面涂層技術的發展和進步。
CVD涂層技術的進展過去,硬質合金刀具表面涂層采用高溫化學氣相沉積(HTCVD)工藝。在常壓或負壓的沉積系統中,將純凈的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等氣體根據沉積物的成分,按一定配比均勻混和,依次涂到具備一定溫度(一般為1000~1050℃)的硬質合金刀片表面,即在刀片表面沉積TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它們的復合涂層。直到現在,HTCVD仍是使用最多的工藝方法,除HTCVD外,還有等離子體化學氣相沉積(PCVD)工藝,它是在硬質合金刀具(刀片)表面涂層的另一種方法,因這種涂層工藝溫度較低(700~800℃),故刀片的抗彎強度降低。因為TiC與基體材料的線膨脹系數最接近,通常用TiC薄層先涂在基體表面上,外面再涂TiN、Al2O3,如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN等。
后來,發展了各種不同組合的多層涂層。筆者在多次展覽會上調查和統計了瑞典、德國、美國、日本、韓國、以色列和中國各公司的CVD涂層硬質合金刀片產品,涂層材料有以下組合:TiCN/Al2O3、TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/Al2O3、TiCN/Al2O3/TiN、TiCN/TiC/Al2O3/TiN、TiCN/Al2O3/TiCN、TiN,TiC/TiCN/TiN、TiN/TiCN/TiN等。可以看出,近年多用TiCN或TiN作底層,這是因為基體硬質合金有了改進,例如采用了梯度結構,才有可能用TiCN或TiN墊底。此外,TiN涂層不宜單獨使用,因為與硬質合金相比,TiN的硬度提高不多,TiN必須與TiC、TiCN、Al2O3等組合使用。
二、PVD涂層技術的進展
早期,PVD涂層均采用“真空蒸鍍法”,膜層往往不均勻,與基體的結合不夠牢固,后發展了“真空磁控濺射法”和“真空等離子鍍工藝”,效果很好。現在刀具表面涂層主要用后兩種方法。
早年,PVD涂層只用于高速鋼刀具,涂層材料幾乎只用TiN一種。后來,改進了涂層工藝,發展了多種涂層材料和多層涂層,在硬質合金刀具上也得到了大量的應用。涂層效果比以往大有進步。TiN涂層材料仍在使用,新興的涂層材料是TiAlN和AlTiN,其使用效果優于TiN。
歐洲的PVD涂層技術水平最高,領先于其他國家和地區。知名的廠商有歐瑞康巴爾查斯(OerlkonBalzers)公司、德國PVT等離子真空技術公司和丹麥尤尼莫克(Unimerco)公司等。他們的PVD涂層設備和工藝先進,涂層材料品種多,涂層刀具和其他產品使用性能好。 國外一些知名的高速鋼和硬質合金工具廠,都有涂層刀具(刀片)產品,但涂層設備和工藝多購自涂層技術的專業公司,或與之合作,而不是自行研制。據悉,瑞典山特維克公司和以色列伊斯卡公司的PVD涂層設備都是從歐瑞康巴爾查斯公司購進的。中國也應當這樣做,這是一條既好又快的道路。例如,中國哈爾濱第一工具廠和德國PVT公司合作,成立了哈一工普威特鍍膜合資股份公司。歐瑞康巴爾查斯公司在全球設有77個涂層中心,在中國蘇州、天津和漢江各設有一個中心,中國鄰近城市和地區的工具廠家,其涂層產品多在上述中心進行涂層。湖南株洲硬質合金廠和四川自貢長城硬質合金廠的涂層設備都是從國外引進的。 CVD涂層新技術在三、超硬材料涂層方面的應用
利用“熱絲CVD法”、“等離子體噴射CVD法”、“火焰燃燒法”等工藝能在硬質合金或高速鋼刀具表面沉積金剛石薄膜(10μm)。CVD金剛石膜的力學、物理性能介于天然金剛石和熱壓聚晶PCD金剛石之間,能夠有效地加工有色金屬。
如增加沉積時間,可在基體或襯底(一般用硅片)上沉積出厚度大于0.5mm的厚膜。將厚膜從基體上剝離,并切割成一定形狀的小塊,再將小塊釬焊在基體刀片(一般為硬質合金刀具)上使用。CVD厚膜金剛石刀具應用范圍大于薄膜涂層刀具。在CIMT2007上,很多國內外刀具公司都有CVD薄膜金剛石涂層刀具產品,但只有少數廠家有厚膜產品。北京東方天地超硬材料工具公司能生產金剛石厚膜刀具產品,并且已有多年的經驗。厚膜刀具應用范圍較廣,能加工各種有色金屬、非金屬硬材料及顆粒增強的復合材料等。
PVD涂層新技術在超硬材料涂層方面的應用
武漢大學物理系用直流反應磁控濺射法在刀具表面沉積出氮化碳(CxNy)超硬涂層薄膜,厚度只有幾個微米,硬度可達40~50GPa。CxNy涂層刀具能切削黑色和有色金屬。 實驗數據筆者對涂層高速鋼和硬質合金刀具(刀片)的切削性能進行了長期的研究,進行了很多科學實驗。茲介紹部分實驗數據如下:
①在相同的切削條件下,涂層刀具刀片的使用壽命比未涂層刀具(刀片)提高3~5倍。在相同的切削條件下,相同刀具壽命時,涂層刀具的切削速度比未涂層刀具提高20~30%。 ②在相同的切削條件下,涂層刀具(刀片)的切削力小于未涂層者。筆者用涂覆TiC硬質合金刀片車削鋼材與未涂層刀片對比,主切削力Fc可減小3%~4%,TiN或TiC/TiN涂層刀片的Fc約可減小6%,進給力Ff與切深力Fp的減小尤為顯著。Al2O3涂層刀片與切削力的減小效果與TiN涂層刀片接近。
③筆者曾用CVD涂層金剛石厚膜刀具,加工過硅鋁合金、各種硬鋁、鉛黃銅、無氧銅、碘化鈦以及纖維增強和顆粒增強的復合材料等,均取得較好效果。但用作超精密切削的刀具,其效果不如天然金剛石刀具。
④筆者曾用CxNy涂層高速鋼鉆頭在高強度鋼上鉆孔,與未涂層鉆頭相比,涂層鉆頭的使用壽命提高7~9倍。在其他高速鋼刀具上涂覆CxNy,亦有顯著效果。又曾在硬質合金刀片上涂覆CxNy,用以車削鋼料,效果尚不夠理想,其使用壽命不超過普通TiC涂層硬質合金刀片。
中國的刀具涂層技術與工業發達國家相比尚有很大差距,涂層刀具的數量也差得很遠,大致只占全部刀具的20%。其中數控機床和加工中心上使用得多一些,在普通的非數控機床上則少得可憐,原因是認識問題和價格等因素。我們應該努力提高刀具涂層技術和應用技術的水平,大力推廣應用涂層刀具,促進切削加工和機械制造水平的提高。

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