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硬质合金切削刀具涂层技术的发展.pdf

硬质合金切削刀具涂层技术的发展

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

简介:本文档为《硬质合金切削刀具涂层技术的发展pdf》,可适用于工程科技领域

第卷第期年月粉末冶金工业PoWDERMETALLURGYINDUSTRYVoI.No.Oct.硬质合金切削刀具涂层技术的发展张武装刘咏黄伯云(中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙)摘要:本文主要综述了硬质合金刀具涂层技术的发展对硬质合金涂层技术的概念、分类和改进措施等进行了阐述。展望了硬质合金涂层材料的前景和发展方向。关键词:硬质合金切削刀具涂层技术化学气相沉积物理气相沉积中图分类号:TFl.文献标识码:A文章编号:()DEVELOPMENTOFCoATINGTCHNOLOGYOFCEMENTEDCARBIDESZHANGWuzhuang.LlUYong.HUANGBaiyun(StateKeyLaboratoryforPowerMetaIlurgy。CentralSouthUniverSityChangshaHunan.China)Abstract:Thedevelopmentofcoatingtechnologyofcementedcarbidesissummarized.TheconceptcIassificationandimprovementofcoatingtechnologyareintroduced.Thedevelopmenttrendofcoatedcementedcarbidesisout“ned.Keywords:cementedcarbidescuttingcoolcoatingtechnologyCVDPVD近几十年来航空航天、汽车等工业使用材料的性能不断提高轻质强韧材料的使用日渐增多加工难度日益增大。机加工行业为了降低成本和保护环境逐渐推广干切削技术也使某些材料的机加工难度增大。随着机床制造业的发展数控机床和加工中心的加工能力获得极大提高并不断向高速度、高效率加工发展从而对刀具材料提出了更高的要求⋯。硬质合金作为一种工具材料由于其具有高硬度、高强度、高弹性模量、耐磨损和耐腐蚀等性能已广泛应用于各种切削工具、矿用工具和耐磨耐蚀零部件L‘J。为适应各种服役条件提高使用效率针对传统硬质合金存在的硬度高而韧性低的矛盾人们开发了诸如涂层梯度硬质合金等材料∞|。硬质合金切削刀具表面涂层技术是应市场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可以有效地提高切削刀具的使用寿命使刀具获得优良的综合力学性能从而大幅度提高机械加工效率。因此涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为刀具制造领域的三大关键技术。硬质合金刀具涂层技术的概述和发展为改善硬质合金的切削加工性能工业发达国家%以上的硬质合金刀具都经过表面涂覆处理。几十年来国内外相继开发了双涂层、三涂层以及多涂层的复合刀片有的涂层数目甚至达到几十层、上百层的水平¨。硬质合金涂层技术通常可分为化学气相沉积(CVD)技术和物理气相沉积(PVD)技术两大类。.化学气相沉积(CVD)技术化学气相沉积(CVD)是硬质合金领域的一个重要技术突破它借助一种或几种含有涂层元素的化合物或单质气体在放置有基材的反应室里的气相作用或在基材表面的化学反应而形成涂层常见的收稿日期:国家自然科学基金资助项目()作者简介:张武装(一)男湖南浏阳人博士研究生主要从事硬质含金的研发工作。E.mail:ghyzwzmall.csu.edu.cn万方数据万方数据第期张武装等:硬质合金切削刀具涂层技术的发展··CVD技术是以含有C刷的有机物乙氰(CHCN)作为主要反应气体与TiCl、H、N在℃下产生分解、化学反应生成TiCN。涂层可以有效地提高硬质合金制品的表面硬度和耐磨性延长硬质合金制品的使用寿命减少损耗提高机加工效率|。世纪年代以来CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。年代中后期美国已有%硬质合金工具采用了表面涂层处理其中CVD涂层占到%到年代中期CVD涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占%以上。年代末Krupp.widia开发的低温化学气相沉积(PCVD)技术达到了实用水平其工艺处理温度已降至℃有效控制了T)相的产生可用于螺丝刀具、铣刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂层但迄今为止PCVD工艺在刀具涂层领域的应用并不广泛。年代中期中温化学气相沉积(MTCVD)新技术的出现使CVD技术发生了革命性的变革。采用MTCVD技术可以获得致密纤维状结晶形态的涂层。涂层厚度可以达到肚m。这种涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性和韧性。MTCVD涂层硬质合金刀片适于在高温、高速、大负荷、干切削条件下使用其使用寿命可以比普通涂层硬质合金刀片提高一倍左右J。我国从世纪年代初开始研究CvD涂层技术由于该项技术专用性较强国内从事研究的单位不多。年代中期我国CvD刀具涂层技术的开发达到实用化水平工艺技术水平与当时的国际水平相当但在随后的十多年里发展较为缓慢。我国的低温化学气相沉积(PCvD)技术的研究始于年代初PCVD技术主要用于模具涂层目前在切削刀具领域的应用也十分有限。年代末期我国开始中温化学气相沉积(MT.CvD)技术的研发工作。.物理气相沉积(PVD)技术物理气相沉积主要分为蒸发镀膜、离子镀膜和溅射镀膜三大类L|。真空蒸发镀膜是发展较早应用也最广的一种PVD涂层技术目前仍占有世界%的市场但用途范围正在缩小。这种技术是在真空条件下采用电阻、电子束等加热镀膜材料使其熔化蒸发再沉积在合金基体表面形成镀膜。离子镀膜是在真空条件下通人Ar气等利用辉光放电使气体和镀膜材料部分离化并使离子轰击靶打出靶上的材料离子使其沉积在合金基体的表面。离子镀膜在切削工具超硬材料镀膜中应用较为成功的技术是多弧离子镀膜。溅射镀膜是在真空室中利用荷能离子轰击靶材表面通过离子的动量传递轰击出靶材中的原子及其他粒子并使其沉积在合金基体表面形成镀膜的技术。溅射镀膜能实现大面积快速沉积。PVD技术出现于世纪年代末由于其工艺处理温度可以控制在℃以下因此可作为最终处理工艺用于高速钢类工具的涂层。由于采用PVD技术可以大幅度提高高速钢工具的切削性能所以该技术自年代以来得到了迅速推广。工业发达国家自年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD涂层技术的研究年代中期取得了突破性进展PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异型刀具、焊接刀具等的涂层处理。我国PvD涂层技术的研发工作开始于年代初期年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机并开发了高速钢刀具TiN涂层工艺技术。年代末国内成功开发出硬质合金TiNTiCN.TiN多元复合涂层工艺技术并达到实用水平。但与国际发展水平相比我国硬质合金刀具PVD涂层技术仍落后十年左右。目前国外刀具PVD涂层技术已发展到第四代而国内尚处于第二代水平且仍以单层TiN涂层为主。PVD、CVD涂层技术对比目前约有%的硬质合金刀具采用CⅧ技术进行超硬材料涂层。自世纪年代初TiNPvD涂层高速钢刀具投入工业应用以来人们一直在探索能否用PvD代替CⅧ工艺对硬质合金刀片进行涂层。因为与CvD涂层技术相比较而言PVD涂层技术具有以下几个优点:()PVD技术沉积温度低可以在℃左右沉积TiN等超硬涂层因此不会降低基体材料原有的抗弯强度涂层与基体问也不会产生T】相扩大了应用范围()涂层具有微细结构在涂层内部产生压应力抗裂纹扩展能力强()涂层表面光滑比CVD涂层更能有效地阻止前刀面上的横裂纹扩展同时可降低摩擦系数万方数据万方数据··粉末冶金工业第卷()可以使用刃口锋利的刀具作为基体这一点对于高速切削非常重要。尽管PvD涂层有CvD涂层难以比拟的优点但实践表明一般车削(部分铣削)刀片的TiC/A或TiC/A/TiNCVD涂层性能仍优于PVD涂层这里除CVD技术可以进行QA涂层外涂层与基体的结合强度比PvD涂层高也是其性能优于PvD技术的一个重要因素。涂层硬质合金刀片的划痕实验表明PVD涂层的临界载荷一般为N而CvD涂层的临界载荷可大于NCVD涂层的厚度可达"m而PvD涂层的厚度必须控制在弘m否则涂层容易产生剥落现象。此外硬质合金刀片CVD涂层工业化成本低于PVD涂层这也是CVD技术应用更为广泛的原因之一c。CVD和PvD两种技术在硬质合金刀具涂层中仍将并存和相互补充并因其自身的优点而在刀具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采用PvD技术涂层比较理想。其余大部分硬质合金刀片均可采用CvD技术涂层。涂层技术的改进涂层成分能否在涂层刀具上发挥其应有性能在很大程度上取决于涂层工艺的技术水平因为涂层与基体的结合强度、涂层及界面组织结构、择优取向、各单层厚度及总厚度等是决定涂层刀具性能的重要因素而这些因素都与涂层工艺直接有关。各厂家所制备的相同涂层系列的刀具除刀片材料几何参数外在切削性能上的差异主要是由于所采用的涂层工艺及控制技术不同而造成的¨|。就工业化CVD涂层技术来说热处理温度大多高于℃超过许多材料的热处理温度。在这个沉积温度下涂层硬质合金基体表面层会脱碳在涂层与基体的界面上会形成T)相导致涂层与基体结合强度降低涂层内部呈拉应力状态刀具抗弯强度降低LI。因此改进涂层工艺及控制技术十分重要。.采用中低温CVD涂层中温化学气相沉积(MTCvD)涂层与CVD涂层的区别是TiCN层的结构不同。MTCvD法采用乙氰在℃的温度下沉积TiCN可得到较厚的细晶纤维状结构商品牌号的涂层厚度通常为CVD法涂层的.倍且为半粘结态晶界。这种中低温沉积的厚膜结构消除了涂层过程中所产生的裂纹而且在不降低耐磨性或抗月牙洼磨损性能的前提下提高了涂层的韧性和并降低了其粗糙度从而改善了刀具在连续切削条件下的抗崩刃性能这对加工不锈钢、球磨铸铁等十分有利。该涂层可用于加工各种铁基材料。目前国外大部分复合涂层牌号都具有这种耐磨的TiCN涂层特征。传统的氧化铝涂层是aA和一A的混合结构表面不光滑化学稳定性差新近开发的MTCVD单相aA涂层工艺其aA层呈微晶结构热稳定性好表面光滑抗扩散磨损性好I。.CVDPVD、(MTCVD)(HTCVD)混合涂层CVDTiCN涂层具有较高的耐磨性且基体与涂层的结合强度较大而PⅧ一TiN涂层具有压缩残余应力两者结合起来使刀具具有较好的综合性能。在低于大气压下先进行MTCvD涂层使基体与涂层结合较好且界面无)相产生然后再采用HTCVD工艺沉积A涂层这样也可以更好地克服传统CvD涂层技术的缺陷。.硬质合金基体的改进涂层必须与合金基体结合牢固才能达到预期的性能。对合金基体进行梯度处理可以提高基体与涂层的结合强度。刀片划痕强度实验表明HJ:在基体成分相同的情况下梯度结构涂层刀片的基体与涂层结合强度比无梯度结构涂层刀片的基体与涂层结合强度大。对基体进行梯度处理使在基体表面区域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域此区域的粘结剂含量高于基体的名义粘结剂含量。当涂层中形成的裂纹扩展到该区域时由于其良好的韧性可以吸收裂纹扩展的能量因而能有效地阻止裂纹向合金内部扩展可以防止由于裂纹扩展而导致材料的失效提高硬质合金切削工具的使用性能o|。刀片的切削实验也表明LJ:在基体和涂层成分相同的情况下有梯度结构涂层硬质合金刀片的切削性能比无梯度结构涂层硬质合金刀片的切削性能优良。结束语硬质合金涂层材料在切削刀具材料的发展中一万方数据万方数据第期张武装等:硬质合金切削刀具涂层技术的发展··直处于领先地位在今后的发展中仍然具有相当大mentedcarbidescomponentsJ.InternationalJournalof的潜力硬质合金涂层材料现已发展到几十种在涂RefractoryMetalsHardMaterials():一曼竺些竺妻妻竺磐震竺燮曼粘鬯竺茎享要。篙薹华孙宝琦.钴相梯度分布硬质合金的研究J.稀已取得了新的突破。目前需要建立统一的硬质合金L。箬茎高写≤磊善釜::≥二(一i:二荔。”““⋯⋯涂层研究、开发和服务体系根据涂层技术的发展趋K。ny。。hinlY.PvD/CvDie。hnologyforcoating。。一势和国内外市场需求有系统地引进国际先进涂层mentedcarbides.I.surfacea。dcoatingsTechnology技术加强对引进技术的消化吸收及协作研究工作():.速步增强自我开发能力形成专利技术最终实现满KnotekoLofflerFKramerG·cuttingperfo咖anceof足国内市场需求和参与国际市场竞争的目的。“ulncomponem州mulnayer。oan““ce“en弛dcarbidesandcermetsforinterruptedcutmachiningJ.参考文献IntemationalJournaIofRefractoryMetalsmrdMaterials():.李学芳.国外刀具材料的发展近况.工具技术KonyashinIY.Improvementsinreliabilityandser、rice.():.abilityofcementedcarbideswithwearresistantcoat一·BesteuJacobSnS.F“ctionbe}weenacementedcarbideingSJ.MaterialsScienceandEngineeringArockdrillbuttonand洲erentrocktype⋯.w钮r(卜):.():.赵海波.国内外切削刀具涂层技术发展综述.工具技KishinoJNomouraHShinSGeta.Computational术():.JoumalofRefractoryMetaIsHardMaterials高见李建平马文存等.wC基硬质合金CvD涂():.层的组织与性能.中国有色金属学报():SheikhAJYBaiiyJA.ThewearcharactericsofSom.cementedtungstencarbldeSlnmachInlngpartlcleboard谢英.硬质合金PECvD设备的研究.硬质合金J.w朗r():.():.LarrsonM·MachiningtestsonmuItilayercoatedce‘谢宏.切削及PvD涂层技术的发展及应用.硬质合mentedcarbidecuttingt∞lsJ.MetalPowderReport金():.():.陈维喜.刀具涂层技术的现状与展望.工具技术PrakashLJ.Applicationoffinegrainedtungstencarbide():.basedcementedcarbidesJ.InternationalJournalofRe一张荆门.硬质合金工业的进展.粉末冶金技术fractoryMetalsHardMaterials():():.·张武装.具有梯度结构的硬质合金刀片基体研究:硕SproggsGE.AhistoryoffinegrainedhardmetaJ.In一士学位论文.长沙:中南大学.ternationalJoumalofRefractoryMetals&HardMateri一羊建高王海兵刘咏.用于涂层的梯度硬质合金基体als():.的制备方法与梯度形成机理.粉末冶金技术RossoMPortoGGEMINIA.NIA.Studiesofgradedce一():.·国外信电·日本京瓷会社宣布开发出新型切削工具材料中图分类号:TFl.文献标识码:D日本京瓷会社宣布开发出新一代切削工具用材料这种新型切削工具用材料的商标名已被确定为Ceratip使用Ceratip制成的切削工具可以加工几乎所有的钢、铸铁和有色金属。与普通材料制成的工具相比使用Ceratip制造的切削工具具有极高的耐磨性和可靠性Ceratip还可以提高工具的切削速度和增加进刀量用Ceratip制造的工具更耐用。制造这种新材料的基本原理很简单:Ceratip材料内部由元胞构成元胞内部为硬度高、耐磨损的材料元胞外壁为相对软的、耐切削的材料。元胞内部可以是任何耐磨材料根据应用需要元胞内部可以是氮化硅、陶瓷、CBN及硬质合金等Ceratip材料是通过压制、烧结工艺制成的。日本京瓷会社一工作人员称:像上世纪初硬质合金给切削工具带来的巨大变化一样Ceratip也将在金属加工行业生产深远的影响。孙世杰摘译自《MetaIPowderReport》():万方数据万方数据硬质合金切削刀具涂层技术的发展作者:张武装刘咏黄伯云ZHANGWuzhuangLIUYongHUANGBaiyun作者单位:中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南,长沙,刊名:粉末冶金工业英文刊名:POWDERMETALLURGYINDUSTRY年卷(期):,()被引用次数:次参考文献(条)周建华孙宝琦钴相梯度分布硬质合金的研究期刊论文稀有金属与硬质合金()高见李建平马文存WC基硬质合金CVD涂层的组织与性能期刊论文中国有色金属学报()赵海波国内外切削刀具涂层技术发展综述期刊论文工具技术()KonyashinIYImprovementsinreliabilityandserviceabilityofcementedcarbideswithwearresistantcoatings()RossoMPortoGGEMINIANIAStudiesofgradedcementedcarbidescomponents外文期刊()SproggsGEAhistoryoffinegrainedhardmeta外文期刊()PrakashLJApplicationoffinegrainedtungstencarbidebasedcementedcarbides外文期刊()LarrsonMMachiningtestsonmultilayercoatedcementedcarbidecuttingtools()SheikhAJYBailyJAThewearcharactericsofsomecementedtungstencarbidesinmachiningparticleboard外文期刊()KishinoJNormouraHShinSG查看详情()BesteUJacobsonSFrictionbetweenacementedcarbiderockdrillbuttonanddifferentrocktype外文期刊()羊建高王海兵刘咏用于涂层的梯度硬质合金基体的制备方法与梯度形成机理期刊论文粉末冶金技术()张武装具有梯度结构的硬质合金刀片基体研究学位论文张荆门硬质合金工业的进展期刊论文粉末冶金技术()陈维喜刀具涂层技术的现状与展望期刊论文工具技术()谢宏切削及PVD涂层技术的发展及应用期刊论文硬质合金()谢英硬质合金PECVD设备的研究期刊论文硬质合金()KnotekOLofflerFKramerGCuttingperformanceofmulticomponentandmultialayercoatingsoncementedcarbidesandcermetsforinterruptedcutmachining外文期刊()KonyashinIYPVDCVDtechnologyforcoatingcementedcarbides()李学芳国外刀具材料的发展近况期刊论文工具技术()引证文献(条)李晓旭李黎木工刀具硬质合金应用现状和发展趋势期刊论文林业机械与木工设备()李黎我国木工刀具的发展现状及与国际先进水平的差距期刊论文木材加工机械(z)陈颢羊建高王宝健刘海浪硬质合金刀具涂层技术现状及展望期刊论文硬质合金()本文链接:http:dgwanfangdatacomcnPeriodicalfmyjgyaspx

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