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硬质合金涂层工艺的研究进展.pdf

硬质合金涂层工艺的研究进展

liuyang7740038
2011-08-18 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《硬质合金涂层工艺的研究进展pdf》,可适用于工程科技领域

  收稿日期:作者简介:徐迎春(),男,江西奉新人,副教授,从事有色金属冶金教学与科研工作。  文章编号:()硬质合金涂层工艺的研究进展徐迎春,姜 萍(江西理工大学,江西南昌 南昌硬质合金有限责任公司,江西南昌 )  摘   要: 综述了目前硬质合金制造中化学气相沉积、物理气相沉积和复合涂层种工艺的研究现状,同时提出了今后的发展方向。  关 键 词: 硬质合金涂层工艺中图分类号: TG   文献标识码: AResearchProgressofCoatingProcessinCementedCarbideXUYingchun,JIANGPing(JiangxiUniversityofTechnology,NanchangJiangxi,ChinaNanchangCementedCarbideCoLtd,NanchangJiangxi,China)  Abstract: Researchstatusofthreeprocessessuchaschemicalvapordeposition,physicalvapordepositionandcompositecoatingincementedcarbidemanufacturingarediscussedMeanwhile,developmenttrendinthefutureisputforward  KeyWords: cementedcarbidecoatingprocess  硬质合金的强度和硬度是相互矛盾,彼此排斥的,随着现代机械加工工业朝着高精度、高速切削、干式切削技术等方向的发展,传统的硬质合金已较难适应难加工材料的新要求。涂层硬质合金就此诞生。硬质合金涂层是在韧性好的硬质合金基体上涂覆耐磨性高的硬质涂层,从而可使刀具能抵抗各种特定的耐磨机理,显著提高刀具的功能和刀具的使用寿命,并可大幅度提高刀具的加工效率,目前世界各国都十分注重涂层技术的发展。硬质合金涂层制备工艺主要有化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、CVDPVD复合涂层工艺,图为发达国家硬质合金涂层刀具的应用情况,本文就上述工艺分别阐述。图 工业发达国家企业CVD、PVD涂层和未涂层刀具的比例 化学气相沉积化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,简称第卷第期年月            江  西  冶  金JIANGXIMETALLURGY            Vol,NoFebruaryCVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面,进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程,其过程包括个阶段:物料汽化、运输到基体附近和在基体上形成覆盖层。CVD涂层工艺有高温CVD涂层工艺、等离子体增强CVD涂层工艺和中温CVD涂层工艺。高温CVD(HTCVD)涂层硬质合金始于世纪年代末期,被广泛应用于硬质合金可转位刀片的表面处理。由于CVD涂层工艺所需金属源的制备比较简单,制得的涂层与基体的结合强度较高,涂层厚度可达~μm,因此,到世纪年代中期,CVD涂层硬质合金得到了很大的发展,但由于涂层温度高,易造成刀具材料抗弯强度下降,同时CVD涂层排放的废气、废液会造成环境污染,不符合目前大力提倡的绿色制造的观念,因此,自世纪年代中期以来,高温CVD涂层工艺的发展与应用受到了一定的制约。世纪年代末,德国Widia公司开发的低温化学气相沉积(PCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PACVD)技术达到了实用化水平,其工艺处理温度已降至~℃,有效抑制了η相的产生,可用于螺纹刀具、铣刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂层,但迄今为止,低温CVD工艺在硬质合金刀具涂层领域的应用并不广泛。中温CVD涂层(MTCVD)工艺出现于世纪年代中期,是CVD涂层技术的突破性进展。MTCVD涂层技术是以含CN的有机腈(CHCN)作为主要反应气体,在~℃下发生分解并与TiCl、H、N进行化学反应生成TiCN的新工艺。采用MTCVD涂层技术可制得致密的纤维状结晶形态的涂层。涂层的厚度可达~μm。MTCVD涂层硬质合金刀片适用于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用,其使用寿命可比普通CVD涂层刀片提高倍左右。 物理气相沉积物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition,简称PVD)是利用物理过程,如物质的蒸发或受到粒子轰击时物质表面原子的溅射现象实现物质转移,将原子或分子由源物质可控转移到基材表面上的过程。PVD涂层技术问世于世纪年代末期。由于PVD涂层处理温度可控制在℃以下,因此,当时它作为一种最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。这项技术自世纪年代以来得到了迅速推广,到年代末,工业发达国家高速钢复杂刀具的PVD涂层所占比例已超过。PVD工艺要求比CVD高,设备更复杂,涂层循环周期长。目前常用的PVD方法有低压电子束蒸发法(LVEE)、阴极电子弧沉积法(CAD)、三极管高压电子束蒸发法(THVEE)、平衡或非平衡磁控溅射法(UMS)、离子束协助沉积法(IAD)和动力学离子束混合法(DIM),其主要差别在于沉积材料的气化方法以及产生等离子体的方法不同而使得成膜速度和膜层品质存在差异。与CVD工艺相比,PVD工艺有明显的优点:处理温度低,在℃以下时对刀具材料的抗弯强度无影响,见表。薄膜内部应力状态为压应力,更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层PVD工艺对环境无不利影响,符合现代绿色制造的发展方向。表 在不同温度下PVD涂层对硬质合金抗弯强度的影响硬质合金基体牌号平均抗弯强度MPa未涂层℃下涂层~℃涂层>~℃涂层MMPVD涂层技术也有其不足之处:其一是一些PVD涂层技术靶源材料离子率低(表),沉积时易产生大晶粒,使得涂层不够光滑,影响涂层的品质及其使用效果其二是与离子注入相比,PVD涂层材料与基体的界面太薄(~nm),黏结性能较差。在实际生产中,为了弥补各种PVD涂层方法之不足,扬长避短,优化沉积工艺,特别是对多组分硬质合金涂层,采用两种或多种PVD方法的复合技术。 CVDPVD复合涂层工艺自世纪年代初,PVD技术问世以来,因其一系列的优点使得人们一直企图用PVD技术取代先前的CVD技术,但实践证明,两种技术因各自特点彼此共存,相互补充。于是,人们转而寻找能将两种技术结合起来,取长补短的新技术,这样CVDPVD复合涂层工艺便产生了。··江 西 冶 金                 年月 CVDPVD复合涂层工艺是在硬质合金基体上先涂覆CVD涂层,随后在其上溅射一层或几层PVD涂层,便可把CVD涂层技术和PVD涂层技术结合起来,使涂层既有CVD涂层与基体的高结合强度,又具有PVD沉积层与被加工材料反应小的最佳成分。因此,CVDPVD复合涂层可在同一涂层基体系统中兼具有抵抗几种磨损机理的功能,底层CVD层可提供优异的与基体的结合性能,而光滑的PVD外层能承受较高的切削速度并产生较低的切削力。表 一些PVD涂层方法的技术指标对比,涂层方法离子化率能耗kJ·cm电源功率kW产率cm·s热空心阴极电子束蒸镀法~~>>磁控溅射法~>>真空电弧法~~>> 涂层工艺应用与对比 涂层工艺的应用种工艺由于其不同的特点,具有不同的适用范围。)CVD技术主要用于硬质合金车削类刀具的表面涂层,涂层刀具适用于中到重型切削的高速粗加工。采用CVD技术还可实现αAlO涂层,这是其他技术目前难以实现的。因此,在干式切削加工中,CVD涂层技术仍占有极其重要的地位。)PVD技术处理温度低,且对硬质合金刀具的抗弯强度不产生影响涂层内产生压应力,而在CVD涂层内产生拉应力,因此PVD有利于提高硬质合金的使用性能,适用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等硬质合金精密复杂刀具的涂层处理。)CVDPVD技术结合了CVD技术涂层与基体结合强度高,以及PVD技术涂层表面光滑无裂纹、使用性能好的特点,可用于多层涂层工艺,适用于硬质合金铣削类刀具涂层。 涂层工艺对比分别用种不同的涂层方法(CVD、PVD、CVDPVD)在WCCo硬质合金基体上涂覆总厚度为μm的涂层为例,对涂层性能进行对比。制取的全CVDTiNTiCNTiN、PVDTiN和CVDTiNTiCNPVDTiN复合涂层性能对比结果如下:)在CVDPVD复合涂层的情况下,PVDTiN层无裂纹并处于残留压应力状态,而CVD内层则处于残留拉应力状态。)涂层刀片的抗弯强度,PVDTiN涂层大于CVDPVD涂层,而CVDPVD涂层则大于CVD涂层。)CVDPVD复合涂层刀具寿命比CVD涂层刀具寿命要长一些,其破损形式是在后刀面逐渐磨损,而CVD涂层刀具破损形式是崩刀。由此可见,采用CVD技术,涂层与基体黏结强度高采用PVD技术,具有硬度高、表面形貌光滑、有残留压应力等优良的基体韧性采用两者技术的合理复合,则可获得兼具两种技术优势的高性能硬质合金涂层刀具。 结语随着涂层工艺技术的不断发展,涂层基体的不断改进,硬质合金涂层的性能得到了很大的提升,总结目前涂层工艺的研究热点,其发展方向主要在以下几个方面:)涂层工艺温度。尽可能降低涂层工艺温度,能有效控制η相形成,减少涂层过程中应力集中,预计MTCVD和PVD将成为涂层工艺的主流。)涂层工艺的复合。单一涂层工艺越来越难满足现代加工技术对涂层的要求,涂层工艺方法不断更新,且实现多种工艺灵活组合,以得到更高性能的涂层。)涂层工艺的后处理技术。在硬质合金刀具涂层完毕后进行后处理,可提高涂层寿命。目前涂层刀具的后处理技术包括热处理、磁化处理,深冷处理,随着技术的进步,更多更新型的后处理技术将带来涂层刀具的又一次变革。参考文献 于启勋,张字英刀具涂层技术的进展和应用J航空制造技术,,():(下转第页)·· 第卷第期         徐迎春,姜 萍:硬质合金涂层工艺的研究进展表 回收率试验样品编号加入量mg测得量mg回收量mg回收率样品编号加入量mg测得量mg回收量mg回收率GSBHGBW表 分析结果对照样品编号w(SiO)平均值极差标准值GSBHGBW号  国标分析方法分析结果。参考文献 GBT锰硅合金化学分析法重量法测定硅量S(英文翻译 卢 宏)(上接第页) 陈维喜刀具涂层技术的现状与展望J工具技术,,(): 阎 洪金属处理新技术M北京:冶金工业出版社, 赵海波国内外切削刀具涂层技术发展综述J工具技术,,(): LisovskyAF,TkachenkNV,etalCompositionandStructureofCementedCarbidesProducedbyMMTprocess,InternationalJournalofRefractoryMetalsHardMaterials,,(): SproulWDPhysicalVaporDepositionToolCoatings,SurfaceCoatingsTechnology,,(): SchultrichB,SiemrothP,etalHighRateDepositionbyVacuumArcMethods,SurfaceCoatingsTechnology,,(): 李沐山八十年代世界硬质合金技术进展M株洲:硬质合金,, QuintoDTTechnologyPerspectiveonCVDandPVDCoatedMetalCuttingToolsInternationalJournalofRefractoryMetalsHardMaterials,,(): 刘海浪,等硬质合金涂层刀具研究进展J凿岩机械气动工具,,():(英文翻译 卢 宏)··江 西 冶 金                 年月 

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