（材料加工工程专业论文）多组元梯度成分硬质复合膜刀具研究.pdf

沈阳大学硕士学位论文 摘要 本研究利用多弧离子镀技术，采用t i a l 二元合金靶、t i a 1 z r 三元合金靶和c r 单质靶，在y t l 5 和y g l 0 x 两种牌号的硬质合金刀具基体上，通过控制心和n 2 两 种气体流量的实验工艺制备y ( w i ，a 1 ，z r ) n 、( t i ，a 1 ，c r ) n 和( c r , t i ，a 1 ，z r ) n 三种多组元梯 度成分硬质复合膜。利用扫描电镜( s e m ) 和x 射线衍射( x r d ) 对三种硬质复合膜的成 分、形貌和相结构进行了测量和表征；利用粗糙度仪、划痕仪和显微硬度计测评了三 种硬质复合膜的表面粗糙度、膜基结合力和硬度；对三种硬质复合膜刀具分别进行了 车削4 5 # n 、铣削c r w m n 合金工具钢和钻削高速钢实验，并在切削实验后对刀具利 用扫描电镜( s e m ) 和电子能谱仪( e d s ) 观察和测定了刀具切削刃表面形貌和化学元素 扩散；利用光学显微镜和工具显微镜观察和测量了膜层磨损形式和镀膜刀具磨损量。 研究工作表明，采用本实验室的多弧离子镀技术沉积工艺，可以制备出具有优良 性能的( t i ，a 1 ，z r ) n 、( t i ，a 1 ，c r ) n 和( c r , w i ，a 1 ，z r ) n 三种多组元梯度成分硬质复合膜。膜 层硬度最高可达4 4 0 0 h v ，膜基结合力最高可超过1 8 0 n ，并且这三种硬质复合膜适 用于不同牌号和不同形状的切削刀具。 制备的三个系列的膜层均具有b 1 n a c l 型的面心立方结构。这三个系列的镀膜刀 具，包括车刀片、铣刀和钻头，在实验切削加工中比未镀膜刀具的切削性能有着显著 提高。其q ( c r , t i ，a 1 ，z r ) n 镀膜刀具的性能最优，而( t i ，a i ，c r ) n 镀膜刀具的性能优于 ( t i ，a 1 ，z r ) n 镀膜刀具。三个系列镀膜刀具的切削性能最低能提高2 倍，最高可达到6 倍。 三个系列的膜层具有良好的抗粘结性和耐磨性，能有效的阻止刀具基体与工件材 料的直接接触，并在一定程度上减轻硬质点磨损、扩散磨损，氧化磨损和粘结磨损， 保护了刀具基体的整体性能。 关键词：多组元梯度成分硬质复合膜，合金靶，多弧离子镀，镀膜刀具，显微硬度， 切削性能 沈阳大学硕士学位论文 沈阳大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o no fc o a t e d - - t o o l sw i t hm u l t i - - c o n s t i t u e n th a r d c o m p o s i t ef i l m so fg r a d i e n t - c o m p o s i t i o n s a b s t r a c t i nt h ep r e s e n tw o r k ，t h e ( y i ，a 1 ，z r ) n ，( t i ，a 1 ，c o na n d ( c r , t i ，a 1 ，z r ) nm u l t i c o n s t i t u e n t h a r dc o m p o s i t ef i l m sw i t hg r a d i e n t - c o m p o s i t i o n sw e r ed e p o s i t e db ym u l t ia r ci o np l a t i n g ( m a i p ) t e c h n o l o g yb yt h ea i do fc o n t r o l l i n gt h er a t e so ff l o wo fa ra n dn 2 t h et i a i b i n a r ya l l o y , t h et i - a 1 - - z rt e r n a r ya l l o ya n dp u r ec h r o m i u mw e r ea d o p t e da sc a t h o d i ca r c r e s o u r c e t a r g e t sa n d t h ec e m e n t e dc a r b i d et o o l s ( y t l 5 ，y g i o x ) w e r eu s e da st h e d e p o s i t i o ns u b s t r a t e s t h ec o m p o s i t i o n s ，m o r p h o l o g ya n dp h a s es t r u c t u r eo ft h ef i l m sw e r e a n a l y z e db yu 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 y ( s e m ) a n dx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) t h e s u r f a c er o u g h n e s s ，t h em i c r o - h a r d n e s sa n dt h ea d h e s i v es t r e n g t hb e t w e e nt h ef i l ma n dt h e s u b s t r a t ew e r em e a s u r e db yr o u g h n e s sm e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，v i c k e r sh a r d n e s si n d e n t a t o r a n ds c r a t c ht e s t e r , r e s p e c t i v e l y t h ec u t t i n gt o o l sc o a t e dw i t ht h et h r e ef i l m sw e r et e s t e di n t h ee x p e r i m e n t si n c l u d i n gt u r n i n go f4 5 # s t e e l ，m i l l i n go fc r w m na l l o yt o o l - s t e e la n d d r i l l i n go fh i g h s p e e ds t e e l t h es u r f a c em o r p h o l o g yo fc u t t i n ge d g ea n dc h e m i c a le l e m e n t d i f f u s i o nw e r ea n a l y z e db yu 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 y ( s e m ) a n de n e r g y d i s p e r s e ds p e c t r o s c o p y ( e d s ) a f t e r t h e c u t t i n ge x p e r i m e n t s t h e w o ms u r f a c e m o r p h o l o g i e so ff i l m sa n dt h ea m o u n to fw e a ro ft h ec o a t e dt o o l sw e r eo b s e r v e da n d m e a s u r e db yo p t i c a lm i c r o s c o p ea n d t o o l - m i c r o s c o p e t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e ( t i ，a i ，z r ) n ，( t i ，a i ，c r ) na n d ( c r ，t i ，a 1 ，z r ) n m u l t i - c o n s t i t u e n th a r dc o m p o s i t ef i l m sw i t hg r a d i e n t - - c o m p o s i t i o n sc o u l db eo b t a i n e db y u s i n gm u l t i - a r ci o np l a t i n gt e c h n o l o g y t h ea s d e p o s i t e d ( t i ，a 1 ，z r ) n ，( t i ，a 1 ，c r ) na n d ( c r , y i ，a 1 ，z r ) nf i l m se x h i b i t e dh i g hm i c r o h a r d n e s sv a l u e se v e nu pt o4 4 0 0 h va n dv e r y h i g ha d h e s i v es t r e n g t hs u p e rt o18 0 n t h e s ef i l m sw e r es u i t a b l ef o rt h ec e m e n t e dc a r b i d e c u t t i n gt o o l sw i t hd i f f e r e n tn a m e p l a t e sa n dd i f f e r e n ts h a p e s i tw a sa l s os h o w e dt h a tt h et h r e eh a r dc o m p o s i t ef i l m sw e r eo ft h eb1 一n a c it y p e 1 i i 沈阳大学硕士学位论文 f a c e c e n t e r e dc u b i cs t i - u c t l l r e t h ec u t t i n gc o a t e d t o o l s ，f o re x a m p l e ，t h et u r n i n gt o o l s ，t h e m i l l i n gc u t t e r sa n d t h ed r i l l s ，e x h i b i t e dc l e a r l yb e t t e rm e c h i n a b i l i t yt h a nt h eu n c o a t e do n e s a m o n gt h et h r e e ，t h ec o a t e d - t o o l s 谢t h ( c r , t i ，a 1 ，z r ) nf i l ms h o w e dt h eb e s tm a c h i n a b i l i t y a n dt h ec o a t e d - t o o l sw i t h ( t i ，a 1 ，c r ) nf i l mw e r eb e t t e rt h a nt h ec o a t e dt o o l sw i t h ( t i ，a 1 ，z r ) nf i l m t h em e c h i n a b i l i t yo ft h et h r e es e r i e sc o a t e d - t o o l si n c r e a s e do b v i o u s l y f r o mt w ot i m e st os i xt i m e sa sc o m p a r e dw i t ht h eu n c o a t e d - t o o l s t h et h r e ek i n d so fc o a t e d - t o o l ss h o w e dt h ee x c e l l e n tb o n d i n g r e s i s t a n c ea n dt h e a b r a s i o nr e s i s t a n c e t h ef i l m se f f e c t i v e l yp r e v e n t e dt h et o o l ss u b s t r a t ei nd i r e c tt o u c hw i t h w o r k p i e c e sm a t e r i a l s t os o m ee x t e n t ，t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ec u t t e rs u b s t r a t ew a s p r o t e c t e db yp r e v e n t i n gh a r dp a r t i c l e sw e a r ，d i f f u s i o nw e a r , o x i d a t i o nw e a ra n da d h e s i o n w e a r k e y w o r d ：m u l t i c o n s t i t u e n th a r dc o m p o s i t ef i l m sw i t hg r a d i e n t c o m p o s i t i o n s ，a l l o y t a r g e t ，m u l t i a r ci o np l a t i n g ，c o a t e d t o o l s ，m i c r o h a r d n e s s ，m a c h i n a b i l i t y i v 沈阳大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 涂层刀具的概况 近几十年来，随着数控技术及切削刀具不断的发展，金属切削技术也取得了长足 的进步和广泛的应用，尤其是高速切削和干式切削技术，已在航空航天、模具、汽车 等重要的制造业领域得到应用n 1 。高速切削和干式切削技术的广泛应用，可使材料在 单位时间内切除率提高3 - - 5 倍甚至更高，能有效的提高加工效率并且明显降低加工 成本，加工精度和表面质量也随着显著提高。在可预见的时期内，高速切削和干式切 削技术将成为切削加工技术领域的主流。但是在高速切削和干式切削技术发展的同 时，许多在常规金属切削中未遇到的问题，如随切削速度的变化，刀具磨损和切削温 升等，也会随之而来。因此，研究和开发适用于高速切削和干式切削的刀具，推动高 速切削和干式切削技术的应用，有着极为重要的意义乜1 。而涂层刀具在高速切削和干 式切削领域的应用比例也将越来越大。相应于先进切削技术的发展，高精度、高可靠 性、高效率和专用化的切削刀具将获得空前的发展，使刀具镀膜、刀具结构和刀具材 料都呈现出高技术的特征。刀具镀膜可以有效的改变切削时摩擦力、切削热的产生和 热量流动的方式，有助于刀具与工件之间及刀具与切屑之间形成不同的接触条件，降 低热冲击或力冲击，从而间接地改善刀具磨损口。5 1 。 镀膜刀具是这些年中发展最快的新型切削刀具，经过表面镀膜技术处理的高速钢 刀具和硬质合金刀具已得到广泛应用。目前，工业发达国家镀膜刀具已占8 0 以上， c n c 机床上所用的切削刀具9 0 以上都是镀膜刀具。随着科学技术的进步，难加工 材料的力学性能不断提高而且使用程度也日益增多，因而传统的未镀膜刀具常常不能 适应新的加工要求。高速钢刀具的硬度为6 2 - , 6 8 h r c ( 7 6 0 9 6 0 h v ) ，硬质合金刀 具的硬度也只达到8 9 - 9 3 5 h r c ( 1 3 0 0 - , 1 8 5 0 h v ) ，对于难加工的材料，这些传统刀 具的高效加工已不再适用。 在刀具的切削加工过程中，其性能的好坏决定着切削加工的精度、效率的高低和 被加工件表面质量的好坏。刀具基体材料的硬度和韧性之间总是存在着矛盾，硬度高 的材料往往韧性低，而要提高基体的韧性往往是以降低其硬度为代价的。因此涂层技 术的发展，可以较好的解决刀具基体的强度和韧性之间的矛盾，这是切削刀具发展的 一次革命哺1 。为了增加较软刀具的硬度和耐磨性，可以利用镀膜技术在刀具基体上涂 沈阳大学硕士学位论文 覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜，如t i c 、t i n 、a 1 2 0 3 等薄膜。经过镀膜后的刀具，不但具有了基体的高强度和高韧性，而且还结合了薄膜 的高硬度和高耐磨性的优点。这就能够有效的降低刀具基体与工件之间的摩擦系数， 提高刀具耐磨性的同时而不降低基体的韧性。“。 1 2 刀具切削技术发展及对镀膜刀具的要求 1 2 1 高速切削技术 早在1 9 3 1 年，德国物理学家萨洛蒙博士便首先提出了高速切削( h i g hs p e e d c u t t i n g ) 的理论。该理论指出：在常规切削速度范围内，切削速度越高，切削温度也 会越高，但当切削速度上升到一定值之后，切削温度反而会降低，切削力也会有所下 降，其具体切削速度值与工件材料的种类有关。在常规的切削中，每一种工件材料都 存在一个不同的速度范围，在这个速度范围内，切削温度随着切削速度的增加而升高， 当切削温度过高时，刀具基体性能有所改变，切削加工就会受到影响。但是只要能超 过这个速度范围，高速切削便会成为可能，生产效率就会得到大幅提高。 在高速切削加工的发展大致经历了四个阶段：高速切削加工的理论研究和探索阶 段：高速切削加工的应用基础研究探索阶段；高速切削加工的应用研究阶段；高速切 削加工技术的发展和应用阶段膪9 | 。经历这四个阶段后，高速切削技术已经在生产中 得到了广泛应用。高速切削技术的发展和普遍的应用也推动了整个制造业的进步和生 产效益的提高。 1 2 2 高速切削特点与应用 高速切削技术具有高效率、高精度和高表面质量等特征。高速切削加工通常指切 削速度超过常规切削速度5 1 0 倍的切削加工。高速切削包括高速车削、高速铣削和 高速钻孔等。有报道指出，加工铸铁达到9 0 0 - - - 5 0 0 0 m m i n ，铝合金能达到2 0 0 0 - - 7 5 0 0 m m i n ，耐热镍基合金达到5 0 0 m m i n ，钢材达到6 0 0 - - - 3 0 0 0 m m i n ，钛合金也达 到1 5 0 1 0 0 0 m m i n ，纤维增强塑料达到2 0 0 0 9 0 0 0 m m i n n 。由于近年来高速切削 带来的巨大效益，在国外已非常重视高速切削技术的研究，比如日本将高速切削列入 2 1 世纪的四大先进制造技术之一；美国的高速切削已经成为切削加工领域发展的主 流n ；德国也已将高速切削技术当代金属加工最重要的研究领域之一n 引。在国内也已 将超高速、超精密及发展新一代制造装备作为加工制造技术的发展方向n 3 | 。 2 沈阳大学硕士学位论文 实践表明，高速切削技术具有下列特点： ( 1 ) 减少材料热变形。有研究表明9 5 - 、9 8 以上的切削热在高速切削时会被 切屑飞速带走，从而可避免大量的切削热传给工件，使工件基本上保持冷态。因此， 高速切削技术特别适合加工容易热变形的材料或零件。 ( 2 ) 降低切削力。相对于传统的切削，高速切削在切削速度达到一定值后，切 削力能降低3 0 以上，特别是径向切削力能大幅减少，因而主轴轴承、刀具和被加工 件所受的切削力减小。因此，高速切削技术有利于提高薄壁细肋、细长杆件等刚性较 差零件的高速精密加工。 ( 3 ) 大幅提高材料切除率。随着切削速度的显著提高，进给速度也提高5 1 0 倍，从而在单位时间内，毛坯材料切除率也能大大增加，一般能达到传统切削的3 6 倍，甚至更高。另外，切削速度的提高也使机床快速空程速度提高，这就减少了非切 削的空行程时问，使加工时间缩短，从而极大地提高了机床的生产效率。 ( 4 ) 降低系统振动。在高速切削时，机床的激震频率特别高，这就远远离开“机 床一刀具一工件”系统的固有频率范围，使其工作平稳，系统振动降低。 ( 5 ) 零件的尺寸、形位精度，已加工表面的质量得到保证。因为大量切削热被 切屑带走，所以能避免工件的热变形带来的尺寸和形位误差，并且工艺系统振动减小， 因而能加工出非常精密的工件，其表面质量也可达到要求 ( 6 ) 降低加工成本。由于高速切削技术的使用，在一台机床上一次装夹完成零 件地所有粗加工、半精加工和精加工，提高了生产效率。零件的单件加工时间也相应 缩短，而且高速加工使零件表面粗糙度降低，从而提高其表面质量，也就免去后续地 一系列光整加工工序，从而使加工成本降低。因此，虽然高速机床价格高于普通切削 机床，但是综合几方面的因素仍能大幅度降低加工成本n 4 j 。 ( 7 ) 各种难加工的材料可以被加工。航空航天领域内大量采用镍基合金和钛合 金，但是这类材料硬度高、耐冲击、强度大，并且在加工中容易硬化，致使切削温度 高，刀具磨损严重。在传统的切削加工中，一般采用很低的切削速度对其进行加工。 但是若用高速切削技术，可使切削速度提高到1 5 0 1 0 0 0 m m i n ，这是传统切削速度的 1 0 倍左右。这样不但能提高生产效率，而且可有效地减少刀具磨损，从而提高零件加 工的表面质量。 3 沈阳大学硕士学位论文 高速切削技术在航空航天业、汽车工业、模具工业、电子行业等领域内得到越来 越广泛的应用。在航空航天的领域内，高速切削技术主要解决了薄壁零件和难加工材 料的加工、零件大余量材料的去除以及材料加工的精度和加工的效率等问题。尤其对 于整体结构件的高速切削，不但能保证零件质量，而且还能省去许多装配工作。在汽 车工业领域内，高速切削技术主要应用在汽车及其零部件的大规模生产方面，使其生 产效率显著提高。在模具工业领域内，大部分的模具加工均适用高速铣削技术。高速 切削技术能加工硬度达5 0 、一6 0 h r c 的淬硬材料，并且表面质量较高，减少了钳工修 磨的工序，大大缩短了力h - r _ 周期，提高生产效率。在电子行业领域内，高速切削技术 主要解决了电子印刷线路板打孔的效率问题，有效的提高了生产率，节约了生产加工 成本。高速切削技术还能用来加工很多金属及非金属材料，比如铜合金、铝合金、淬 硬钢、钛合金、石墨和石英玻璃、不锈钢等。 1 2 3 高速切削对镀膜刀具的要求 高速切削技术对刀具选择有着一定的要求，首先应使刀具基体具有良好的机械性 能和热稳定性，也就是说应具有良好的抗冲击性、高的强度韧性、耐磨损性和抗热疲 劳的特性；其次刀具应具备合理的几何结构参数以及具有高同心度的刀刃精度质量 等。目前，用于高速切削加工技术的刀具丰要包括：硬质合金刀具，陶瓷刀具，聚晶 立方氮化硼刀具，涂层刀具及金刚石刀具等口5 i 。其中，涂层刀具在高速切削加工领域 中具有巨大的市场潜力及广阔的应用前景。 现如今，采用镀膜技术对刀具基体表面进行涂覆处理，可使切削刀具获得非常好 的综合的力学性能。涂覆后不仅能有效地提高刀具的使用寿命，而且还能显著地提高 切削加工效率，因此镀膜刀具已成为高速切削领域内发展速度最快的刀具，在刀具使 用的比例中已超过5 0 。镀膜技术的工艺主要应用在车刀、钻头、铣刀、丝锥、插刀、 铰刀、滚刀和高速钢、硬质合金等刀片上n6 | 。通过深入的研究镀膜技术工艺和镀膜物 质材料，可进一步提高刀具的整体性能，有望成为高速切削加工领域最具有吸引力的 刀具材料睛1 。 1 3 干式切削技术 1 3 1 干式切削技术发展 干式切削技术是为了适应可持续发展战略和全球日益高涨的环保要求而发 4 沈阳大学硕士学位论文 展起来的一项绿色切削加工技术。1 9 9 5 年，干式切削技术的科学意义正式确立。 1 9 9 7 年，德国a a c h e n 工业大学的f k l o c k e 教授在国际生产工程研究会( c i r p ) 年会上，作了以“干切削”为主题的报告。1 9 9 9 年1 月，国际著名的刀具制造厂 家m a p a l 公司总裁b p e r d e l 博士在美国国家科学基金“设计与制造学科”受 资助者会议上，也作了关于美国干式切削发展为主题的报告，干式切削技术已经 在各国学术界和工业界引起广泛的关注n 引。 目前，干式切削技术已经成功的应用到生产领域内，包括欧洲、美国和日本 等工业发达的国家，都非常重视干式切削的研究。这项技术的发展与这些国家雄 厚的工业基础以及严格的环保法规有着一定的关系，其中德国企业尤为普遍。世 界许多知名的机床厂商都已经生产了干式切削机床加工中心，在大批量的生产 中，已有2 0 一- - 2 5 的生产加工采用干切削技术并且已经取得了良好的经济效益。 在日本，对干式切削技术也进行了大量研究，已开发成功几种不使用切削液的干 式加工中心。在其生产的一种机床上，装配有液氮冷却的干切削系统，可以在常 温下以5 6 个大气压的压力将液氮送往切削区，顺利实现干式切削。 干式切削是指在切削加工过程中不使用任何切削液，完全消除了切削液的负面 影响，是一种符合生态要求的绿色切削加工方式n 6 ，1 7 3 。据统计，在零件加工总成本中， 切削液费用约占1 6 ，而刀具的费用只占总成本的4 ，它的总制造成本就可降低 11 6 以上n6 l 。近年来，世界各国为了贯彻环保政策、降低加工成本，大力研发及推广 应用干式切削加工技术。 在我国，干切削技术的研究也已起步。清华大学、成都工具研究所、哈尔滨 理工大学以及山东工业大学等单位对超硬刀具材料和刀具镀膜技术进行过系统 的研究，并已取得了不少的研究成果。北京机床研究所开发成功的k t 系列加工 中心，己能实现高速干切削；我国的陶瓷刀具已形成了一定的生产能力。这些都 为干式切削技术的研究和应用提供了初步的技术基础。但是相比于国外干式切削 技术的发展，我国在干式切削技术研究方面还存在较大的差距，在工业生产中的 应用规模也较小，有待于我们今后加快研究与推广应用。 1 3 2 干式切削的特点 制造业是一把双刃剑，在为人类社会创造物质财务的同时，也给环境带来了污染。 5 沈阳大学硕士学位论文 传统的湿式切削加工技术是用切削液连续对切削区进行喷注、冷却、润滑、清洗刀具 和工件，并伴随着排屑的作用。随着切削液在切削加工中用量的增大，其造成的问题 也越突出：切削液中的化学物质对环境造成的污染；严重危害工人的身体健康；制造 成本的增加n8 。因此，制造技术将绿色无污染的切削加工技术定为发展目标，干式切 削技术是未来发展的必然趋势。 将干式切削技术运用到切削加工领域，并不是简单地只将原有工艺中的切削液去 除，也不是消极地改变切削参数来保证刀具的耐用度，而是采用新的加工工艺条件， 将新的、耐热性更好的刀具材料和镀膜材料引进来，选择更高的切削速度。干式切削 技术是实现高效、清洁、安全加工的一种新工艺。干式切削技术是是一种绿色制造创 新工艺。因为在生产加工时，采用干式切削将不使用切削液，可完全消除其带来的一 系列负面影响，因而其符合绿色环保的主题。干式切削技术主要有以下一些特点：省 去与切削液有关的传输、回收、过滤等装置及费用，简化生产系统，节约生产成本； 形成的切屑上无残液，干净无污染，便于回收处理，降低了清洁处理的成本；不产生 环境污染n7 | ；节省了切屑和切削液处理的有关费用；对人的身体健康没有危害并且不 会造成皮肤损伤或过敏。 虽然干式切削技术带来了一些优点，消除了一些负面影响，但是其也存在着一些 缺点和不足。例如，在采用干式切削进行加工生产的同时，产生的切削力、摩擦力及 切削热将大量增加，导致切削区温度急剧上升，这就会降低刀具寿命以及使工件加工 质量变差。因此，除了运用新技术，选择合理的工艺系统外，机床、刀具材料、被加 工件等的合理选择也是非常重要的。干式切削技术实施的同时，需要满足一些客观的 条件，主要包括：采用先进的镀膜技术和新型的刀具材料；采用刚度高、热稳定性好 以及快速排屑的高速机床n8 ；合理选择和刃磨刀具的几何形状等n 引。 1 3 3 干式切削对刀具的要求 由于干式切削时产生的摩擦力比湿式切削时大的多，其相应的切削温度就比湿式 切削高很多，因而要想实现干式切削，就必须要求刀具基体材料有高的耐磨性、热韧 性、红硬性以及热化学稳定性。另外，工件、切屑和刀具三者之问的摩擦系数要小以 减小摩擦，刀具结构要合理以利于断屑、排屑，刀具强度及抗冲击韧性要高以提高其 寿命。目前，用于干切削的刀具主要有硬质合金、立方氮化硼( c b n ) 、金属陶瓷 6 沈阳大学硕士学位论文 ( c e r m e t s ) 以及陶瓷刀具( a 1 2 0 3 、s i 3 n 4 ) 等材料。这些材料具有很好的热硬性，其 硬度在高温下很少降低，适合一般的干切削加工。 采用干式切削技术时，除了选用先进的刀具材料外，最有效的方法是对刀具基体 进行镀膜处理。刀具镀膜处理是在韧性较好的刀具基体上涂覆一层或多层耐磨性高、 硬度高的难熔化合物，这样不但使刀具具有良好韧性，而且又有很高的耐磨性和表面 硬度。对刀具进行表面镀膜处理实际上相当于冷却液的功能，它可起到隔热层的作 用，能使切削热较少的传入刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的锋利和坚硬乜0 | 。 刀具镀膜技术的发展与应用可以延长刀具寿命，能较好达到干式切削的要求。此外， 优化镀膜刀具的几何参数，不但可以提高切削加工的精度和延长其使用寿命，而且也 可以减少切削时的摩擦。目前，已开发出各种型号的断屑槽适用于不同条件的车削加 工，能较好地控制切屑的形成及排屑，并且能控制积屑瘤的产生、减少刀具的磨损速 度，延长其使用寿命。 1 4 刀具镀膜制备工艺 制备镀膜刀具的涂层工艺有很多种，其常用的镀膜工艺一般为化学气相沉积法 ( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，简称c v d ) 禾h 物理气相沉积法( p h y s i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ， 简称p v d ) 。c v d 沉积温度较高，一般在9 0 0 1 1 0 0 之间，并且镀膜较厚可达到 l o p m ，因而在一定程度上限制了其在刀具镀膜上的应用。而p v d 则具有沉积温度低， 膜层厚度薄、应用范围广等优点，并且在锐利的刀刃上能够得到结构微细、表面光滑 的膜层，所以p v d 在刀具镀膜技术中有着更广泛的发展前景。 1 4 1 化学气相沉积法( c v d ) 化学气相沉积法是使挥发性化合物气体发生分解或化学反应，并在被镀材料基体 表面上沉积成膜的一种方法。其基本原理可概括为沉积物以原子、离子、分子等原子 形态在被镀材料基体表面沉积，从而形成一层金属或化合物的薄膜。这一层薄膜的沉 积需要一定的能量激活才能进行，然后经过物料气化，扩散到基体表面，最后在基体 表面发生反应形成覆盖层心。 2 0 世纪7 0 年代初，我国的c v d 技术的研究刚刚起步，该项技术专用性强，因 而从事其研究、生产的国内企业并不太多。但是到8 0 年代中期，国内c v d 刀具镀膜 技术便已实现了工、i k 化生产，可制备t i n 、t i c 、t i c n 、a 1 2 0 3 和相应的复合薄膜等， 7 沈阳大学硕士学位论文 其工艺技术己达到国际水平。该技术主要应用在可转位硬质合金刀片的涂覆上。在随 后十多年里其发展较为缓慢，这与国际上的发展类似。至9 0 年代末，国内开始中温 化学气相沉积的研究工作，并在2 0 0 1 年完成了其具体工艺、装备的研究、设计以及 制造工作，实现了t i c n + a 1 2 0 3 + t i n 的镀膜工艺。c v d 技术的应用与刀具基体材料 紧密相关，在国内对其综合技术方面的研究还处于劣势，技术上仍存在较大差距，与 国际先进水平还有一段距离，其应用市场也不甚广泛。 利用化学气相沉积法进行镀膜具有下列优点：可实现t i n 、t i c 、t i b 、t i c n 、 a 1 2 0 3 等单层及多元复合涂层；涂层与基体之间具有很高的结合力；所需涂层源的制 备相对容易；涂层具有很好的耐磨性能乜引。在采用化学气相沉积法进行涂层的同时， 它也会带来一些不可避免的缺点：在涂层沉积过程中排放的废液、废气会对环境的影 响较大造成工业污染，与提倡的绿色工业相抵触；制备好的涂层内部为拉应力状态， 在刀具使用时容易产生微裂纹，影响其切削性能及使用寿命；涂层温度较高( 9 0 0 11 0 0 ) ，容易使涂层与基体之间产生一层脆性的脱碳层，从而导致刀具脆性破裂、 抗弯强度下降等。 1 4 2 物理气相沉积法( p v d ) 物理气相沉积法是通过气相反应过程，使蒸发或溅射出来的金属原子发生气相反 应，最后在被镀材料表面沉积出所要求的化合物的一种方法。其反应原理是：在真空 条件下，用蒸发或溅射的物理方法将膜层材料气化成原子、分子或电离成离子，通过 气相过程在被镀材料的表面沉积成膜层。可概括为以下步骤：首先使膜层材料通过蒸 发、升华和分解等成为镀膜源材料的气化过程；其次膜层材料中的原子、分子或离子 经过复杂的变化过程最终迁移到被镀材料表面的迁移过程；最后原子、分子或离子在 被镀材料的表面吸附、堆集、形核和长大，最终形成膜层的沉积过程乜4 1 。p v d 镀膜 技术能制备碳氮化钛、氮化钛、铝钛氮化合物以及各种难熔金属的氮化物和碳化物等 膜层。 2 0 世纪8 0 年代初，国内p v d 镀膜技术的研发也兴起。在8 0 年代中期，我国成 功研制了中小型空心阴极离子镀膜机和高速钢刀具t i n 镀膜工艺技术。由于对刀具镀 膜市场前景的看好的原因，国内大型工具厂开始引进p v d 刀具镀膜技术与装备，各 大真空设备厂及科研单位也纷纷展开了离子镀膜机的研制工作，从而掀起了刀具 8 沈阳大学硕士学位论文 p v d 镀膜技术的第一次开发热潮。到9 0 年代初，我国开发出了多种p v d 设备。但 是因为大多数设备的性能指标低，镀膜工艺稳定性差，预期的市场效益未能实现，所 以导致了近十年内国内刀具p v d 镀膜技术一直徘徊不前。直到本世纪初，p v d 技术 在国内掀起了第二次开发热潮，这是因为我国汽车工业迅速崛起，并且大量引进了先 进制造技术以及广泛普及了数控加工技术。这次开发热潮与第一次开发热潮不同，这 是由于国内p v d 技术的发展更具多元性及创新性。 利用物理气相沉积法进行镀膜具有如下优点：对环境不造成污染，符合目前的绿 色工艺和绿色制造发展动向；制备出的膜层内部应力是压应力状态，更适应于高速钢、 硬质合金等精密复杂刀具的涂层；制备涂层时的温度低，一般在6 0 0 以下，对刀具 基体材料的抗弯强度影响很小；纳米涂层的出现，使p v d 涂层刀具的涂层硬度高、 结合强度高和抗氧化性能好，并且能有效地控制精密刀具刃口的形状及精度乜 27 | 。虽 然利用物理气相沉积法进行镀膜具有许多优点，但还是不可避免的存在一些不足：制 备的镀膜刀具硬度、抗冲击性能及均匀性都比化学气相沉积技术生产的刀具差，其使 用寿命也较c v d 技术制备的刀具使用寿命短；镀膜设备昂贵并复杂，镀膜时间长， 工艺要求高，从而使得刀具的生产成本增加；膜层与基体在冷却时收缩率不同，容易 产生内应力和微裂纹；镀膜的刀具几何形状单一，限制其优越性的发挥乜8 9 1 。 本文实验采用的是p v d 技术，也就是多弧离子镀技术对刀具基体进行镀膜制备， 并采用干式切削加工以检验膜层的使用性能及刀具的寿命。多弧离子镀技术又称阴极 弧离子镀技术，它是以真空技术为基础，利用物理或化学的方法并且吸收电子束、离 子束、等离子束、分子束、射频、磁控等一系列新技术，为科学研究与生产提供了膜 层涂覆的新工艺、新技术。简单来说就是在真空环境中，将金属、合金或化合物进行 溅射蒸发，使其在基体表面上凝固或沉积的一种方法口引。 1 5 本课题的提出 综上所述，镀膜刀具已在制造业领域内扮演着越来越重要的作用，采用镀膜技术 制各的硬质反应膜也已经从单一的氮化物反应膜发展到具有一定综合性能的二元合 金反应膜，并向多元复合反应膜( 第三代硬质反应膜) 方向发展，并且膜层也从单层 均质膜向多层反应膜和具有梯度成分的硬质膜发展。研究和开发多元梯度硬质复合膜 以期更进一步提高硬度、改善硬质膜的综合性能，这是硬质膜领域的研究热点和重要 9 沈阳大学硕士学位论文 的发展方向。 在多元梯度成分硬质复合膜的整个发展过程中，主要的思路一直是“取长补短”， 利用类似于结构金属材料研究的合金化方法，根据各个单一金属元素反应膜的性能特 点，相互组合、相互补充，重点一直放在综合性能提高上，体现了优势互补，性能完 善。多组元梯度成分硬质复合膜的成分梯度主要反映在沉积过程中的n 2 分压由小变 大，从而使膜层中氮含量的由少变多，其正处于探索研究阶段，国内外尚未建立稳定 的成分体系，综合性能尚有很大的提升空间。虽然镀膜技术可以增加刀具的寿命，但 是膜层的制备过程和刀具的切削过程影响因素太多，对于镀膜刀具在切削过程中的膜 层作用机理和刀具失效机理的研究还有待提高。而对于新膜层的开发及其性能和加工 适用性的研究，需要耗费大量的时间、人力及物力。 本课题利用多弧离子镀技术，分别使用t i a l 二元合金靶、t i a 1 z r 三元合金靶 和纯度为9 9 9 9 的c r 单质靶组合的方式，通过对实验工艺的优化，设计出适用于 y t l 5 和y g l 0 x 两种牌号硬质合金刀具的镀膜工艺，制备出( t i ，a 1 ，z r ) n 、( t i ， a 1 ，c r ) n 和( c r ，t i ，a 1 ，z r ) n 三种多组元梯度成分硬质复合膜刀具。并详细分 析了不同偏压下，三组不同系列的镀膜刀具表面薄膜的成分和相结构的变化规律，以 及对薄膜的结合力、硬度和表面粗糙度等性能进行检测，最后将三组镀膜刀具进行干 式切削加工试验，对镀膜刀具在切削过程中刀具磨损及膜层失效机理进行分析研究， 从而确定出最优化的镀膜工艺以及获得不同成分的膜层在切削加工时的作用机理和 对刀具使用寿命的提高。 1 0 沈阳大学硕士学位论文 2 实验材料与研究方法 2 1 镀膜靶材成分 本文实验采用的靶材是t i a l 二元合金靶、t i a 1 z r 三元合金靶和纯度为9 9 9 9 的c r 单质靶。t i a 1 z r 系列靶材成分是在t i a l 、t i z r 等二元合金配比的基础上，采 用纯度为9 9 9 9 的高纯海绵钛、纯度为9 9 9 9 的高纯铝以及纯度为9 9 9 9 的高纯 钛锆中间合金，进行三次真空熔炼，得到合金锭，然后按照多弧离子镀设备所要求的 靶材尺寸进行加工，得到阴极靶。靶材成分如表2 1 所示。 表2 1t i a l 和t i - a l - z r 合金靶材成分( a t ) t a b 2 1t h ec o m p o s i t i o n so f t i - a la n dt i - a ! - z ra l l o yt a r g e t s ( a t ) 2 2 镀膜基体材料的选取 本文实验研究的( t i ，a 1 ，z r ) n 、( t i ，a 1 ，c r ) n 和( c r ，t i ，a l ，z r ) n 多 组元梯度成分硬质复合膜是针对日益增多的难加工、硬度大、力学性能高的材料而开 发的，因而选用硬度高的硬质合金作为基体材料。硬质合金是由难熔金属的硬质化合 物和粘结金属制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高，耐腐蚀、耐热、耐磨，强 度和韧性性较好等优良性能，尤其是它的耐磨性和高硬度，即使在5 0 0 。c 的高温下也 基本保持不变，甚至在1 0 0 0 。c 时仍具有很高的硬度，能达到6 0 h r c 左右。 硬质合金广泛用作刀具材料，如车刀、铣刀、镗刀、钻头、刨刀等，用于切削有 色金属、铸铁、塑料、石墨、化纤、石材、玻璃和普通钢材，也可以用来切削工具钢、 沈阳大学硕士学位论文 耐热钢、高锰钢和不锈钢等难加工的材料1 | 。硬质合金刀具比高速钢刀具寿命高5 以上，切削速度高4 至7 倍。硬质合金用来制造量具、模具，寿命比合金工具钢 高至少2 0 倍。硬质合金刀具可切削5 0 h r c 左右的硬质材料，但是由于其脆性大， 难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用粘接、焊接和 机械夹持等方法安装在刀体上使用。 本文实验采用的基体材料是市售的y t l 5 硬质合金车刀片、四刃直柄立铣刀 和y g l 0 x 硬质合金整体钻头。车刀片的尺寸为1 3 x 1 3 x 5 ( m m ) ，直柄立铣刀的尺 寸为0 1 0 x 3 0 x 8 0 ( n u n ) ，钻头直径为0 6 m m 。试样在进行镀膜实验之前必须要对 试样表面进行前处理。由于硬质合金硬度较大，用水磨砂纸等对试样打磨均无显 著效果，所以直接对硬质合金刀片、直柄立铣刀和钻头进行简单的丙酮擦洗，再经 丙酮和无水乙醇超声波清洗，分别进行两次，每次大约2 0m i n ，最后烘干，装入炉内。 2 3 膜层结构设计 本文实验的膜层梯度结构设计是在参照t i n 、( t i ，a 1 ) n 、( t i ，z r ) n 、( t i ， c r ) n 及( t i ，z r ) n 单层膜和多层膜的沉积工艺参数的情况下，制定了与( t i ，a l ， z r ) n 、( t i ，a 1 ，c r ) n 和( c r ，t i ，a 1 ，z r ) n 多组元梯度成分硬质复合膜相适 宜的实验沉积工艺，通过控制氮气分压的大小来改变膜层中的氮含量，从而实现氮梯 度的变化。根据本实验室设备的具体情况，考虑工艺参数对膜层性能的影响，制定了 不同的工艺参数，对实验工艺进行优化选择，最终尽可能地保证实验工艺参数选择的 科学准确性。沉积过程中氮分压示意如图2 1 所示。 d e p o s i t i o nt i m e n 1i n 图2 1 沉积过程中氮分压控制 f i g 2 1n 2p a r t i a lp r e s s u r ec o n t r o ld u r i n gt h ed e p o s i t i o np r o c e s s 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