（机械制造及其自动化专业论文）多元复合涂层高速钢刀具切削性能及磨损机理研究.pdf

摘要 论文题目：多元复合涂层高速钢刀具切削性能及磨损机理研究 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：刘杰签名：童i 奎 指导教师：肖继明副教授 签名：勉 摘要 刀具涂层技术作为提高刀具切削性能的有效途径，已引起世界各国制造业的高度重 视，得到了迅速的发展和推广应用。本文采用先进的闭合场非平衡磁控溅射离子镀复合 p v d 技术，制各了c r a l t i n 多元复合涂层，研究分析了涂层特性及涂层高速钢刀具的切 削性能、磨损机理和应力分布状况。 用扫描电子显微电镜( s e m ) 和投射电子显微电镜( t e m ) 对涂层表面和截面的观 察结果表明，磁控溅射c r a l t i n 多元复合涂层与高速钢基体的匹配较为理想，涂层组织 均匀、细密；结合x 射线衍射( ) ( 】国) 分析，涂层沿厚度具有结构和成分的双重梯度结 构，以及高的热稳定性；用压痕、划痕和针盘等试验表明，涂层具有高的硬度和韧性，优 异的抗摩擦、磨掼| 生能，且与基体结合良好。 用c r a l t i n 多元复合涂层m 2 高速钢刀具进行了大量的干式车削和铣削试验，研究分析 了涂层刀具的切削性能。结果表明，与未涂层刀具相比，c r a l t i n 多元复合涂层m 2 高速 钢刀具的切削性能明显改善，切削力减小，切削过程平稳，刀具磨损减小，寿命延长。用 数理统计方法建立了涂层刀具切削力与刀具寿命的经验公式，揭示了切削力与刀具寿命随 切削用量变化的规律。 通过对刀具磨损区域的观察分析，表明涂层刀具具有与未涂层刀具明显不同的磨损形 貌和磨损规律。涂层刀具的初期磨损阶段较短，正常磨损阶段明显延长；涂层能阻碍刀具 磨损，但在各个磨损阶段涂层的作用不同。进一步用场发射扫描电子显微镜( f e s e m ) 对刀具磨损表面进行成分分析，结果表明涂层车刀前刀面磨损区有少量涂层以片状结构的 形式存在，涂层车刀后刀面的氧化磨损比前刀面严重；涂层铣刀前刀面的扩散磨损和氧化 磨损都很小，主要是磨粒磨损，涂层铣刀后刀面涂层脱附现象明显。 用有限元法( f e m ) 分析了涂层与未涂层m 2 高速钢车刀的应力分布状态，获得了其 v o l lm i s e s 等效应力分布，发现前刀面上出现最大y o nm i s e s 等效应力的区域，涂层车刀 距切削刃较远，而未涂层车刀距切削刃较近。表明涂层具有保护刀具切削刃，避免产生崩 刃的作用。结合对涂层车刀前刀面磨损区域的观察，发现其初期磨损区域基本上与出现最 大y o nm i s e s 等效应力的区域吻合，表明机械应力是导致涂层早期失效的主要原因。 西安理工大学硕士学位论文 关键词：c r a l t i n 涂层；高速钢刀具；切削性能；磨损机理；应力场分布 宰本研究得到陕西省教育厅专项科研基金项目( 0 5 j k 2 7 4 ) 资助。 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e r c ho nt h ec u t t l n gp e r f o r m a n c ea n dw e a r m e c h a n i s mo fm u l t i c o m p o n e n tc o a i t e dh s st o o l s m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n n a m e ：j i el i u s i g n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i m i n gx l a o a b s t r a c t a t u r e ：j i cl i u s i g n a t u r e ： a sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht oi m p r o v ep e r f o r m a n c e so fc u t t i n gt o o l s ，t h et e c h n o l o g i e so f c o a t e dt o o l sh a v eb e e nr a p i d l yd e v e l o p e da n db r o a d l y a p p l i e d t h em u l t i c o m p o n e n tc r a l t i n c o a t i n g sw a sd e p o s i t e db yu s i n gp h y s i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( p v d ) c o a t i n gt e c h o n l o g yo fc l o s e d f i e l du n b a l a n c em a g n e t r o n s p u t t e r i n g i o np l a t i n g t h e c o a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，c u t t i n g p e r f o r m a n c e s ，w e a rm e c h a n i s ma n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fc o a t e dt o o l sw e r es t u d i e d d u r i n gd e t e r m i n a t i o no ft h ec o a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o a t i n gs u r f a c e sa n dc r o s ss e c t i o n w e r e o b s e r v e d u s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n dt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p eg e m ) r e s u l t ss h o wt h a tt h em u l t i c o m p o n e n tc r a i t i nc o a t i n gm a t c h i n gw i t h h i g hs p e e ds t e e lg a s s ) s u b s t r a t ei sm u c hm o r ei d e a la n dt h ec o a t i n gm i c r o s t r u c t u r ei su n i f o r m a n dc o m p a c t ，b yx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n a l y s i s ，i ti sa l s of o u n dt h a tt h ec o a t i n gh a sg r a d i e n t p h a s e ss t r u c t u r ea n de o r n p o s i t i o na l o n gt h et h i c k n e s s ，a sw e l la sh i g ht h e r m a ls t a b i l i t y b y e x p e r i m e n t a t i o n so fi n d e n t a t i o n ，s c r a t c ha n dp i n - o n d i s c ，t h ec o a t i n gh a v em a n ya d v a n t a g e s i n c l u d i n gh i g h e rh a r d n e s sa n dt o u g h n e s s , e x c e l l e n ta n t i f r i c t i o na n dw e a rp e r f o r m a n c ea n d s t r o n g e rb o n dw i t ht h es u b s t r a t e al a r g en u m b e ro ft u r n i n ga n dm i l l i n g c u t t i n g t e s t sw e r ec a r r i e do u tw i t ht h e m u l t i c o m p o n e n tc r a l t i nc o a t e dh s st o o l s ，t h ec u t t i n gp e r f o m a n c ew e r ea n a l y z e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tc o m p a r e dw i t ht h eu n c o a t e dt o o l s ，t h ec u t t i n gp e r f o r m a n c e o fm 2h s st o o l sw i t hm u l t i c o m p o n e n tc r a l t i nc o a t i n gi so b v i o u s l yi m p r o v e d ，t h ec u t t i n g f o r c ei sr e d u c e d ，t h ec u t t i n gp r o c e s sb e c o m e sm o r es m o o t h ，t h et o o l sl i f ei sp r o l o n g e d w i t ht h e m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c st oh a n d l et h ec u r i n gf o r c ea n dt o o ll i f et e s td a t a , t h ee m p i r i cf o r m u l a e w e r eb u i l t t h r o u g ha n a l y s i so ft e s t sc u r v e sa n df o r m u l a e ，t h er u l e sa r er e v e a l e dw h i c hb o t h c u t t i n gf o r c ea n d t o o ll i f ec h a n g ew i t hc u t t i n gp a r a m e t e r s b yo b s e r v i n gw e a rr e g i o n so ft h et o o l s ，t h ew o r ns u r f a c em o r p h o l o g ya n dt h ew e a rr u l ea r e a n a l y z e dw i t ht h em u l t i c o m p o n e n tc r a l t i nc o a t e dh s st o o l s r e s u l t ss h o wt h a td u et ot h e e x i s t e n c eo ft h ec o a t i n g , t h ew o r ns u r f a c em o r p h o l o g yo fc o a t e dt o o l si s o b v i o u s l yd i f f e r e n t i i i f r o mt h eu n c o a t e dt o o l s ：t h ee a r l yw e a r s t a g eo ft h ec o a t e dt o o l si ss h o r t e r , w h i l et h en o r m a l w e a rs t a g ei sl o n g e r ；t h ec o a t i n gi sa b l et or e s i s tt o o lw e a r , b u tt h ee f f e c to f c o a t i n gi sd i f f e r e n t d u r i n ge a c hw e a rs t a g e t h ec o m p o s i t i o n so fw o ms u r f a c ew e r ea n a l y z e db yf e s e m ，a n dt h e w e a rm e c h a n i s mo ft h e s ec o a t e dt o o l sw e r er e v e a l e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei s s o m e c o a t i n gi nt h ef o r mo f f l a k e so nt h ea b r a s i o na r e ao fr a k ef a c eo nt h ec o a t e dt u r n i n gt o o l s ； o x i d a t i o nw e a ro ff l a n ki ss e v e r e rt h a nr a k ef a c e ；t h eo x i d a t i o nw e a ra n dd i f f u s i o nw e a ro ft h e c o a t e dm i l l i n gt o o lr a k ef a c ei sn o ts i g n i f i c a n t ，a b r a s i v ew e a ri st h em a i nr e a s o n ；t h es p a l l i n g p h e n o m e n o n o nt h ec o a t e dm i l l i n gt o o lf l a n ki ss i g n i f i c a n t t h ed i a g r a m so fy o nm i s e se q u i v a l e n ts t r e s sd i s t r i b u t i o no fc o a t e da n d u n t o a t e dh s st o o l s w a s wo b t a i n e dt h r o u g hf i n i t ee l e m e n t sm e t h o ds i m u l a t i o no ft h ec u t t i n gp r o c e s s t h eu n c o a t e d h s st o o l si l l u s t r a t et h em a x i m u mv o nm i s e ss t r e s so nt h er a k ef a c ea n dn e a rt h et i po f t u t t i n g e d g e o nt h eo t h e rh a n d ，t h ec o a t e dh s st o o l sd e v e l o pt h em a x i m u my o nm i s e ss t r e s s a ta d i s t a n c ef r o mt h et i po ft h ec u t t i n ge d g e ，s t i l lo nt h er a k ef a c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t se x h i b i t t h a tt h ef a i l e dz o n ea ti n i t i a lw e a rs t a g ef i tt h ez o n ew i t ht h em a x i m u m v o nm i s e se q u i v a l e n t s t r e s s ，i ts h o w st h a tm e c h a n i c a ls t r e s si st h em a i nc a u s e l e a d i n gt oe a r l yf a i l u r eo fc o a t i n g k e y w o r d s ：c r a l t i nc o a t i n g ；h s st o o l s ；c u t t i n gp e r f o r m a n c e ；w e a rm e c h a n i s m ； s t r e s sd i s t r i b u t i o n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：壹l杰0 8 年o z f lo1 日 学位论文使用授权声明 本人丑态在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 砥安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位沦文或解密后的学位论文作为资料在图二传馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 寺l 木 “、 导师签名： 6 孑年；月加日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题是结合西安理工大学中英合作先进镀层实验室建设工作而进行的。通过把先进 的闭合场非平衡磁控溅射离子镀( c f u m s i p , c l o s e df i e l du n b a l a n c em a g n e t r o ns p u t t e ri o n p l a t i n g ) 表面复合涂层技术应用于高速钢刀具的研究分析，一方面使更多的切削工作者了 解刀具涂层技术的实质和涂层高速钢刀具的性能特点，推动我国高速钢刀具涂层技术的发 展和推广应用：同时为研制开发新的、先进的高速钢刀具涂层提供依据；更重要的是为高 速钢刀具这种目前仍广泛应用于生产上的切削刀具，开辟了一条从本质上改变其切削性能 的有效途径。 高速钢是二十世纪初为适应机械加工的需要而发展的一种基本切削刀具材料。由于它 的可锻造性、可切削性、可磨削性、可焊接性，以及强度、韧性等方面的明显优势，自其 问世以来一直是较为通用的刀具材料之一。尽管后来出现的硬质合金、陶瓷等刀具材料在 硬度、红硬性、耐磨性等方面均优于高速钢，从而使简单型面刀具基本上被硬质合金所取 代，但在小型、复杂刃形刀具方面，如钻头、丝锥、铣刀、拉刀、齿轮刀具( 滚齿刀和插 齿刀) 等，由于硬质合金加工工艺复杂、周期长、成本高等，高速钢至今仍是主导性的刀 具材料。然而，高速钢在硬度、红硬性、耐磨性等方面的不足，制约了其使用性能。为此， 切削工作者为了提高高速钢刀具的切削性能，进行了大量而卓有成效的研究工作【1 2 1 。直 n - - 十世纪七十年代末，涂层高速钢刀具的出现，才从本质上改变了高速钢刀具的切削性 能，被誉为高速钢刀具性能的革命性变革【3 j 。 所谓涂层高速钢刀具，就是通过气相沉积技术或其它方法，在高速钢刀具基体上涂覆 一层或多层耐磨性好的难熔金属化合物( 硬涂层，如t i n 、t i a l n 等) 或非金属化合物( 软 涂层，如m o s 2 等) 。硬涂层在切削加工过程中犹如在高速钢刀具与切屑之间增加了一道 热的隔离层，因为难熔金属化合物有比高速钢刀具和工件材料低得多的热传导系数，可抑 制切削区的热量传到高速钢刀具，使高速钢刀具吸收的热量较少，能承受较高的切削温度， 因而能保证高速钢刀具切削刃锋利，硬度不会很快下降，大大提高了高速钢刀具的耐高温 性能，是提高高速钢刀具耐磨性而不降低其韧性的有效途径之m r 4 。软涂层具有良好的自 润滑性，可降低切屑流出时的摩擦。通常软涂层和硬涂层作复合涂层，充分利用硬涂层的 高硬度、热稳定性和软涂层的滑动性能，使刀具在符合绿色制造工艺的干式切削条件下也 能可靠地工作【5 8 】。与未涂层刀具相比，刀具寿命提高2 5 倍，甚至1 0 倍以上。对切削加 工中使用的各种高速钢刀具，如钻头、丝锥、铣刀、齿轮刀具等均可采用涂层工艺来提高 它们的使用性能，是高速钢刀具发展的重要方向之一。 基于涂层高速钢刀具优良的切削性能，自其问世以来，在世界各国迅速得到了发展和 西安理工大学硕士学位论文 推广应用，到二十世纪八十年代末，工业发达国家高速钢复杂刀具采用涂层的比例已超过 6 0 ，提高了切削加工效率，取得了显著的经济效益。目前，日本、德国的高速钢齿轮刀 具几乎已全部采用涂层；美国的高速钢齿轮刀具及数控机床上使用的高速钢刀具8 0 以 上采用涂层；俄罗斯等国的高速钢刀具采用涂层的比例也越来越大【9 】。 近年来，随着涂层技术的发展，涂层材料除了第一代的t i n ，已开发出t i b 2 、c r n 、 z r n 、t i a l n 、c 3 n 4 等硬涂层或超硬涂层材料【4 ，l o 1 2 l ，以及m o s 2 、w s 2 、w c c 等软涂层 材料【5 ，13 1 。涂层工艺已从开始的只能涂覆单一涂层，进入到开发多元、多层、复合纳米涂 层的新阶段【1 4 1 。综合利用各种涂层成分的优点，使高速钢刀具获得更优良的综合性能， 与单一涂层相比刀具寿命又提高了o 5 2 倍。尤其是新开发的多元、超薄、超多层涂层， 每层厚度约ln m ，涂层数多达上千层，大大改善了涂层与高速钢刀具基体的结合强度和 涂层的韧性，使涂层高速钢刀具的性能又有了新的突破。 与国外相比，我国对高速钢刀具涂层技术的研究较迟，且进展缓慢。近年来刀具制造 行业才从美国、日本等国引进涂层设备，进行研究和生产，虽然已取得一定成效，但与国 际发展水平相比仍很落后 15 1 。目前仍以单层t i n 涂层为主，且缺乏推广应用力度。随着 我国航空、航天、汽车等工业的发展，以及数控机床和加工中心的迅速发展和普及，机械 加工技术正向着高速加工、绿色制造的方向发展，高速钴削、高速铣削、高速滚齿，以及 干式切削工艺等的广泛应用，对刀具的性能要求越来越高。我国目前的刀具材料仍以高速 钢为主，其应用占全部刀具的8 0 以上，因此，利用涂层技术提高高速钢刀具的切削性 能就显得更有意义。 1 2 高速钢刀具涂层技术的发展现状及存在问题 涂层技术通常分为化学气相沉积( c v d ，c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 技术和物理气相 沉积( p v d ，p h y s i c a lv a p o u rd e p o s i t i o n ) 技术两大类。由于c v d 沉积温度( 一般为 9 0 0 ( 2 11 0 0 ( 2 ) 较高己超过了高速钢的相变温度( 约5 6 0 ( 2 ) ，不宜用于高速钢刀具的涂 层【1 6 1 。因此以下只介绍p v d 涂层技术的发展现状及存在的问题。 1 2 1 发展现状和发展趋势 p v d 涂层技术是利用蒸发、辉光放电等物理过程，在基材表面沉积出所需涂层的技 术。其特点是：( 1 ) 沉积温度低，可以在5 0 0 以下沉积t i n 、t i a l n 等超硬涂层【l7 。，因 此不会降低基体材料原有的抗弯强度，涂层和基体间也不会产生，7 相，所以基体不需采用 特殊的硬质合金材料，扩大了应用范围，尤其是可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的 涂层，大幅度提高高速钢刀具的切削性能；( 2 ) 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，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层【l 剐；( 3 ) 涂层表面光 滑，比c v d 涂层更能有效地阻止前刀面上的横裂纹扩展，同时可以降低摩擦系数 1 9 】；( 4 ) 2 1 绪论 可以使用刃口锋利的刀具作基体，这一点对于高速切削非常重要；( 5 ) 对环境无不利影 响，符合现代绿色制造的发展方向等。由于p v d 涂层技术所具有的这些优异特性，自二 十世纪七十年代末出现以来在世界范围得到了迅速推广和广泛应用。 a 单一p v 0 涂层技术 目前常用的p v d 涂层技术根据施加于蒸发离子上的能量不同可分为蒸发镀( e p ， e v a p o r a t i n gd e p o s i t i o n ) 、离子镀( p ，i o np l a t i n g ) 和溅射镀( s p ，s p u t t e r i n gp l a t i n g ) 三 大类【2 0 l 。 ( 1 ) e p 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 基体表面形成镀膜。该技术设备简单，生产成本较低，涂层精细、光滑、不含颗粒、杂质 等，适合大规模生产，但在沉积过程中通常只使用一种材料的靶材，绕射性很差，较难满 足超硬材料镀膜的需要。目前常用于刀具涂层的方法有：低压电子束蒸发法、阴极电弧沉 积法、三极管高压电子束蒸发法等【2 l 】。 ( 2 ) i p 是一种应用较多的超硬材料镀膜技术，它是在高真空条件下通入6 虹气等，利 用辉光放电使气体和镀膜材料部分离化，用离子轰击靶，打出靶上的材料离子，使其沉积 在工件上。p 的镀层绕射性较好，工件处于电场中，使得镀膜材料的离子能够达到工件的 所有表面，镀膜粘结性好，组织致密。常用的d 技术有直流二极口、直流三极p 、空心阴 极p ，活化反应、电弧等【2 2 珊】。目前在切削刀具超硬材料镀膜中应用较为成功的技术 是多弧口，具有代表性的制造厂家，如美国的m u l t i 。a r ci n c 2 9 1 。 ( 3 ) s p 是在真空室中利用荷能离子轰击靶材表面，通过粒子的动量传递轰击出靶材 中的原子及其它粒子，并使其沉积在基体上形成镀膜的技术。s p 能实现大面积快速沉积， 凡是能够制成靶的金属化合物、介质均可做镀膜材料，镀膜密度好，附着性好，具有代表 性的方法有二极s p 、三极s p 、磁控溅射镀膜、射频溅射镀膜、反应溅射镀膜等【3 0 3 2 】。其 中，磁控溅射镀膜又称高速低温溅射，沉积速率高，工作气压低，镀膜质量高，工艺稳定， 便于大规模生产，其发展引起了镀膜工艺的深刻变化，特别是近几年来在切削刀具上的涂 层应用取得了巨大的发展。目前s p 技术的发展趋势是不断扩大离子溅射涂层工艺的应用 范围，因为离子溅射具有灵活性及低沉积温度兼容性的优势，而非平衡磁控溅射( u m s ， u n b a l a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ) 涂层工艺则是s p 领域极具潜力的方法。n a s a 、t s p a l v i n 开发的m o s 2 软质涂层，为m o s 2 膜的研究和应用开辟了新的途径，引起了世界范围的广泛 关注；r o b e r t s 通过改进s p 技术，获得致密的在真空下磨损系数为0 0 1 的m o s 2 膜；m a r t i n 等通过控, t s p 的杂质含量、晶粒尺寸等使m o s 2 在真空下的摩擦系数降为0 0 0 1 ，充分展示 了m o s 2 所特有的减摩、润滑的优异性能【3 3 , 3 4 1 。c e m e c o n 公司用u m s 法，采用全自动的射 频清洗工艺以及新的离子密度控制，可进行t i n 、t i c 、t i c n 、c r n 等硬质涂层；t i a l n 、 t i a i o x 、t i b 2 、s i c 等超硬涂层；a 1 2 0 3 、z r 0 2 等非导电性材料的涂层【3 5 】，且所有材料都可 进行单层、多层或纳米级涂层p 酬。 b 复合p v d 涂层技术 3 西安理工大学硕士学位论文 由于单p v d 涂层技术其固有的特点和局限性，往往很难满足机械加工对切削刀具 苛刻的要求，因而出现了将不同p v d 涂层技术或表面处理技术以适当的顺序和方法加以 组合，形成新的复合涂层技术，使得在同一刀具的涂层体系中，内层涂层提供与基体特殊 的附着力和较高耐磨性，外层从而获得任何单一技术不能达到的具有良好综合物理机械性 能的刀具表面【2 7 1 。以下是几种可用于高速钢刀具的先进的复合p v d 涂层技术。 ( 1 ) 弧溅射( a b s ，a r eb a n ds p u t t e r i n g ) 技术是将a i p 与s p 相结合的复合p v d 涂层技 术。p a l d e ys 等用a b s 技术制备的t i a i n 多层复合涂层具有与基体结合强度高、组织致密、 表面光滑、尤其适于沉积高活性的元素( 如1 v a 族元素) 。提高了高速钢刀具的抗磨性、 热稳定性及抗氧化性能等特性，更适于用较高的速度干式切削加工铸铁及不锈钢等材料 3 7 1 ；l u oq 等用a b s 技术在m 2 或b m 2 高速钢基体上制备的t i a l c r n 、t i a l c r y n 多元复合 涂层和t i a l n c r n 多层复合涂层在干式条件下表现出更优异的抗磨损性能和具有更高的 承载能力【3 剐；l u g s c h e i d e re 等用a b s 技术进行了高速钢刀具的c r a l n + c 涂层，所得涂层 硬度高，摩擦系数低，与基体的结合强度高【3 舛。 ( 2 ) 离子束辅助沉积( m a d ，i o nb e a ma s s i s t e dd e p o s i t i o n ) 技术是兼有气相沉积与 离子注入优点的一种新型p v d 技术。其特点是在冷相沉积镀膜的同时，用具有一定能量 的离子束轰击不断沉积着的物质，使沉积原子与基体不断混合，界面处原子相互渗透溶为 一体，从而大大改善膜与基体的结合强度，可在较低温度下制备c 、n 、b 化合物膜、c b n 和金刚石的超硬薄膜即4 。 ( 3 ) 等离子体增强磁控溅射沉积( p m d ，p l a s m ae n h a n c e dm a g n e t r o ns p u t t e r i n g d e p o s i t i o n ) 技术是一种变异的p v d 技术，其特点是将离子轰击与m s 结合产生具有独特微 细结构的抗磨涂层。r o n g h u a w e i 等用p m d 法沉积的t i n 涂层具有很微细的结构( 平均颗 粒尺寸约为6 0n m ) ，较高的残余压应力( o 1 3e ，e 为t i n 的杨氏弹性模量) ，以及较高 的粘结强度，与弧蒸发或u m s 法相比所涂层端铣刀、成型铣刀和滚齿刀等刀具寿命更长。 ( 4 ) 闭合场磁控溅射离子镀( c f m s d ，c l o s e df i e l dm a g n e t r o ns p u t t e ri o np l a t i n g ) 和非平衡磁控溅射离子镀( u m s n d ，u n b a l a n c em a g n e t r o ns p u t t e ri o np l a t i n g ) 是t e e r 公司 研制开发两种非常通用的复合p v d 技术。特别适于多元、多层复合涂层的设计与沉积， 可成功地进行c r t i a i n 、n b x t i y n 、n b z r y n 和m o x z r y n 等硬涂层及m o s t 和g r a p h i t i c 等固体 润滑涂层的沉积。 c 发展趋势 为了满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国制造业对涂层 技术的研究开发及其在刀具制造中的应用越来越重视，目前正朝着以下方向发展： ( 1 ) 多元、多层复合涂层及其相关技术的出现，使刀具涂层既可提高与基体的结合 强度，又能具有多种涂层材料的综合物理机械性能，从而满足不同材料、不同加工条件的 要求。因此今后刀具单一涂层的使用比例会越来越少，多涂层的应用比例会不断增加，涂 层成分将趋于多元化、复合化； 4 1 绪论 ( 2 ) 涂层的显微硬度和抗破裂韧性与其组织结构密切相关，涂层的组织结构越致密， 则薄膜的显微硬度越高，抗破裂韧性越好。因此，在刀具的复合涂层体系中，各单一成分 涂层的厚度将越来越薄，并趋于纳米化； ( 3 ) 现代机械加工正朝着高速切削、硬态切削、难加工材料切削、精密切削和干式 切削等方向发展，对刀具性能提出了更高的要求，涂层成分将更为复杂，更具针对性； ( 4 ) 刀具涂层的工艺温度将越来越低，减小涂层工艺对基体的影响等等。 预计今后结合不同p v d 涂层技术或表面处理技术优势的复合涂层技术，将成为高速 钢刀具涂层技术发展的主流。此外，为了充分发挥涂层的作用，提高涂层刀具的使用效果， 将会用计算机技术来针对不同加工材料的不同3 n - r 条件，优化从涂层材料、涂层结构、到 涂层工艺和加工条件等的整个过程。 1 2 2 性能特点 纵观国内外学者对涂层高速钢刀具的试验研究结果表明，其性能特点可归纳为如下几 点： ( 。1 ) 刀具表面硬度高，磨损小，寿命长。涂层的硬度普遍高于高速钢的2 3 倍，甚 至更多，尤其是高温硬度均明显高于高速钢。刀具寿命提高2 5 倍，甚至1 0 倍以上。且可 用来切削难加工材料，在某些情况下，甚至可以代替硬质合金刀具，扩大了高速钢的应用 范围。 ( 2 ) 刀具表面摩擦系数低，排屑顺畅，切削力小，切削温度低。涂层( 尤其软涂层) 的摩擦系数较小，具有固体润滑作用，能有效地消除或减少积屑瘤的形成，减小刀具磨损， 降低工件表面粗糙度。 ( 3 ) 热稳定性和抗氧化温度高，可进行干式切削。硬质涂层在空气中的抗氧化温度 均高于高速钢，能够有效地防止刀具在切削时由于热扩散造成的硬度损失和月牙洼磨损。 ( 4 ) 涂层刀具重新刃磨后，耐用度仍高于未涂层刀具，实验表明，涂层刀具经过重 磨( 磨去后刀面或前刀面) 后切削性能仍有一定的提高。如钻头是一种重磨后刀面的刀具， 用t i n 涂层高速钢钻头加工4 2 c r 钢( h r c 3 5 ) 等材料时，钻头耐用度比未涂层的提高3 4 0 ； 经第一次重磨后，仍可提高1 6 0 。齿轮滚刀和插齿刀是重磨前刀面的刀具，使用各个表 面均有涂层的滚刀和插齿刀，加工模数1 4 的汽车齿轮时，刀具耐用度分别为未涂层刀具 的5 0 0 和4 5 0 。而经过重磨的刀具耐用度则分别为未涂层刀具的2 3 0 和2 0 0 t 3 8 】。 ( 5 ) 生产效率高，成本低。德国一公司对欧洲t i n 涂层高速钢钻头用户进行调查的 结果表明【3 9 】，在加工合金钢、不锈钢和中碳钢时，分别提高生产率1 4 2 ，9 2 3 和1 8 3 。 虽然涂层高速钢刀具的价格比高速钢刀具高5 0 1 0 0 ，但由于其切削性能好，刀具寿命 长，生产效率高，所以分摊到每个零件上的刀具成本还是低于未涂层刀具。尤其是刀具结 构越复杂，制造周期越长，如齿轮刀具、拉刀等，使用涂层刀具不仅可以抵消刀具涂层的 费用，而且可以获得较大的经济效益和较好的加工质量。 5 西安理工大学硕士学位论文 1 2 3 存在问题 如前所述，国内外学者针对高速钢刀具涂层已进行了大量的研究工作，并取得了一定 成效，目前存在的主要问题有： ( 1 ) p v d 工艺处理温度较低，因此涂层与刀具基体、涂层与涂层之间的界面结合强 度较低，一方面使涂层厚度受到了限制，同时使涂层在切削负荷的作用下很快因开裂和剥 落而失效； ( 2 ) 涂层与刀具基体的性能差异较大，涂层内易形成较大的残余应力，导致刀具在 切削( 尤其是断续切削，如铣削等) 负荷的作用下，易产生微裂纹f 4 2 】； ( 3 ) 对p v d 刀具涂层技术，包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺和检测技术 等的研究还不够深入，未能形成完整、可靠的技术资料，难以保证涂层设备长期稳定、正 常的使用，导致涂层刀具性能不稳定； ( 4 ) 对涂层刀具的切削机理和磨损机理等的研究还不够深入，难以针对不同工件材 料的不同加工条件进行刀具涂层的特殊设计和制备； ( 5 ) 对涂层刀具的切削性能和应用技术等的研究还不够深入，不能使涂层刀具的使 用者方便地选择和合理地应用； ( 6 ) 涂层刀具的价格较高，使其推广应用受到了一定限制。 1 3 本课题的主要研究内容 根据以上分析，本课题拟用闭合场磁控溅射离子镀系统研制开发高速钢刀具先进的 c r a l t i n 多元复合涂层，通过对涂层车刀和涂层铣刀的切削试验研究分析，以便优化涂层 工艺参数和切削用量参数，为推动我国高速钢刀具涂层技术的发展和推广应用创造条件。 具体研究内容如下： ( 1 ) 分析高速钢刀具的切削性能特点及存在的主要问题。 ( 2 ) 用涂层车刀和涂层铣刀进行切削试验，研究分析其切削性能。 ( 3 ) 分析涂层车刀与涂层铣刀的磨损形态、磨损规律及磨损机理，并根据涂层刀具 的磨损特性提出防止其失效措施。 ( 4 ) 对涂层刀具在切削过程中的应力分布进行数值分析，为优化涂层高速钢刀具的 几何形状、涂层厚度等提供了理论基础。 6 2 涂层的制备及特性 2 涂层的制备及特性 2 1 涂层制备原理与装置 2 1 1 磁控溅射原理及演变 在直流二极辉光放电中，离子轰击阴极产生二次电子，电子在阴极位降区的电场作用 下被加速与气体分子碰撞，使气体分子电离维持放电。由于电子在电场加速的轨迹是直线， 所以碰撞电离率不高，气体的压强通常在2 1 0p a 的条件下进行溅射沉积，在低于2p a 时， 辉光熄灭。但是如果在电场垂直的方向施加一磁场，电子在正交电磁场中的运动轨迹则为 既与电场垂直，又与磁场垂直的摆线。在实际的磁控条件下，从冷阴极发射出来的电子具 有初始能量，且阴极区的电场和磁场都是不均匀的，所以，从阴极发射出的电子的运动轨 迹不是严格的摆线形，一般称作近似摆线运动。 图2 1 所示为平面磁控溅射原理图。可以看出，在阴极( 靶) 下面设置一个永久磁铁 和磁芯，从n 极出来的磁力线首先穿过靶表面然后沿空间圆弧方向再进入阴极靶表面到达 中心的s 极。在磁力线圆弧部位有水平磁场分量平行于靶表面。水平磁场在靶表形成一个 闭合的圆环。靶为负电位，电场方向垂直向下指向靶表面电场方向与磁场方向垂直。从阴 极靶表面发射出来的电子在阴极区被加速获得能量，由于阴极靶表面有水平磁场存在，使 电子不能直接飞向阳极，而是在环形水平磁场束缚下形成的等离子环中按近似摆线运动轨 迹运动，使电子的运动轨迹加长，提高了电子与气体分子的碰撞几率。电子每碰撞一次就 会损失一部分能量，而电子只有通过能量交换才能逃出磁场的束缚，电子在能量完全交换 之前，大约要飞行1 0 0m ，碰撞频率为1 0 7 次s ，这样就使得气体的离化率和阴极靶所能得 到的离子流密度大幅度提高，从而获得高的溅射速率。在满足电场与磁场垂直、磁场平行 于靶表面的磁控溅射条件下，磁控靶可以有多种形式。 图2 1 平面磁控溅射原理图 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f p l a n a rm a g n e t r o n s p u t t e r i n g 7 西安理工大学硕士学位论支 早l f 】溅射镀膜虽大缺点是溅身4 速率较低，与蒸饿棚比要低个数量绒i 4 “，为l 比人 们一直在寻找一种高进溅射源。磁控溅射山于其高r 效特点，得刮人家的重视，并迅速被 应用到工、l k 生j 如巾。2 j 二级溅射相比，传统磁控溅射采用辅助磁场，通过控；州电子运动轨 迹，增加气体离化率，降低工作气压，提高离子电流密度。不仅提高了沉积速度，而且镀 层质量电较好【4 04 “l 。在过去的十几年里由于r h 场不断增长的需求，传统的磁控溅射难 以满足要求。非平衡磁控溅射，闭合场非平衡磁控溅射等1 4 7 , 4 8 1 新型的磁控溅射技术已成 为众多科研工作者的研究对象。图2 2 所示为传统磁控溅射、非平衡磁控溅射和闭合场磁 控溅射的原理图。非平衡磁场分布将磁场区域延伸到基体的表面：闭台场磁场分布形成了 闭合的磁场线，阻止电子流失到妒壁因而极大地提高了离子电流密度，离子轰击效果增强， 可获得更佳的镀层质量。并且日前也有将磁控溅射和离子镀相结台的磁控溅射离子镀，如 t e e r 公司的非平衡磁控溅射离子镀设备，进一步提高了离子电流密度。 i c d ( 1m 刖c m 2 图2 - 2 不同形式礁控溅射原理脚 f i g 2 2 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f d i f f e r e n t f o r mo f m a g m e t r o ns p u t t c r i n g 2 1 2 闭合场非平衡磁控溅射离子镀技术及装置 闭合场非平衡磁控溅射系统工作原理如图2 3 所示。在阴极( 靶材) 上施加溅射屯源， 使靶材在一定真空度下j 任成辉光放电，产生离子、原子等粒子形成的等离子体，在永磁铁 产生的磁场、工件上施加的负偏压形成的电场及粒子初始动能作用下，流向工件。同时， 在阴极_ ；f 【| 工件之间增加了磁控管，这可增加周边额外磁场，用它米改变阴极和工件之间的 磁场，使得外部磁场强于中心磁场。在这种情况下封闭的磁力线从阴极周边指向工件， i 乜子沿该磁力线运动，极大地增加了屯子与