（机械制造及其自动化专业论文）涂层刀具干式钻削铝硅合金的切削性能研究.pdf

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 撇 卜 勇红一 年 倒 日 学位论文使用授权声明 本人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 西安理工大学拥有学位论文的部分使用 权 即 l 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 内容编人有关数据库进 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书馆 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 盈 象 导 师 签 名 机抓 件 月 日 摘要 题目 淘 豁 丁 具干式钻削铝硅合金的切肖 寸 圈 蹄院 签签 学科名称 作者姓名 导师姓名 导师职称 机械制造及其 自动化 贾轶 肖继 明 副教授 名 名 答辩 日期 摘要 铝硅合金 由于其 比重小 强度高 耐腐蚀 耐磨损 导热性好 便于回收再利用等优 点 在航空 航天 造船和汽车等工业领域的应用越来越广泛 但 由于其在切削加工时刀 具磨损严重 难 以获得较低 的表面粗糙度和较高的加工精度 因此属于难加工材料 通过对铝硅合金的切削加工性 尤其在干式切削条件下的可钻 削性分析表 明 用于干 式钻削加工铝硅合金 的刀具材料 不仅应具有高的硬度 耐磨性和 耐热性 摩擦系数低 导热性好 同时还应具有高的强度和韧性等 单一刀具材料要 同时满足这些性能要求 几乎是不可能的 涂层技术的发展为满足刀具材料的这些特殊要求创造 了条件 己引起 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 pv d 技术 制备 了类金刚石膜 d lc 类石墨膜 g lc d lc s i g lc c r和 g lc m os 等几种涂层高速钢麻花钻 通过在干式切削条件下 对铸造铝硅合金 进行钻削试验 着重研究分析几种不同涂层钻头的切削性能及力学特性等 研究结果表明 d lc d lc s i g l c g l c c r 和 g l c m osz几种涂层钻头 的切削性 能均显著提高 与未涂层钻头相 比 钻头平均寿命分别提高 2 2 8倍 5 2 5倍 6 7 5倍 6 5 倍和 6 5 倍 且其 中 g lc 涂层及其复合涂层钻头的切削性能优于 d lc 涂层及其复合涂层钻头 涂层钻 头主切削刃后刀面磨损具有 明显的图形特征 即外缘转角处磨损最大 而中间部分磨损较 小 初期磨损时间和磨损量与未涂层钻头的差异不大 但正常磨损阶段 明显延长 涂层钻 头的切削力均值 轴 向力和扭矩 均小于未涂层钻头 但几种涂层钻头之间差异不大 另 外 涂层钻头所钻孔质量较好 尺寸分散范围较小 关键词 铝硅合金 碳膜涂层 干式钻削 切削性能 力学特性 本论文研究工作得到陕西省教育厅专项科研计划项 目 c r a i t i n多元复合涂层高速钢刀具及切削 性能研究 0 5 k 274 的资助 a b st花et t i tlg r e s a e r c h o n c u t t in g p e r f o r m a n c e o f c o a t e d t o o l s u n d e r d r y d r il l n ga 一 1 a l l o y s peei al t y a u th o r j ia 一 i date o了 乍厂 5 i gnature 如成一一一 s u p e r vis o r x ia o j imin a5 ig n a tu re a b s tra c t th e al um i n u m 一 sil i eon 伍 l 一 51 all oy 1 5 broa d a p pl i ed i n m a n y f iel d sueh a s a v i a t i on spaeef li g h t shipbuildin g a n d a u tom obile beca u se of i ts sm all一 pro p or t io几 high一 i n i ensi t y eroding r e sista n ee w ea r resis t a n ee good t h er ma l eond u eti vi t y a n d repr o ducible b u t i n eu t t in g proeess the t o ols w ere w or n ser i ous a n d ha r der t o a c qui re low er r o ug h ness or hi g h er pr e ei si ol l 50 i t 5 di f f i eul t to m a c hi ning m a t er i al the m a c hi na b ili t y ofa i 一 51 a l loy w a s a n a l yz e d espeei a l l y i n dri lli ng u n der d r y eu t t i ng eondi ti on w l li eh i ndi ea t es t h a t the t o ols m a t er i al s u s ed f o r d r ill i ng a i 一 51 a l l oy not onl y ha v e hi g h ha r dn e ss ex c ep t i ona l w ea r resi st a nee hi g h t h er m a l s t a b il i t y low f r i et iona l eoef f i eien i a n d go o d ther m a l cond u eti vi t y bu t hi g h i n i ensi t y a n d tou g hn e ss ete it 1 5 hardl y possi bl e to a t o ol m a t e r ia l to sa t i sf y t h ese pr o per t i es desi r e d c oa t i ngs teeh niqu e o f f er e d th e so lut i o n a b o u t th is p r o b lem 5 0 it w a s n o t ieed by m a n y eou nt r ies a n d r a pid l y de v eloped a nd u sed in m a n u f a ctu r i n g in t h is pa p er d lc g lc d lc 51 g lc 祀 r a n d g lc m os w a s deposi t e d onto hi g h speed steel似55 t wist dr i lls w ith p v d t e eh oiq ue t h e dr i llin g t e st s to a i一 5 1 alloy w a s ea r ried o u t u nder dr y cu t tin g t he eut t in g perf o r ma nees a n d m eeh a nies eh ar a cteristies w er e a na l y z e d r esu l t s sh o w t h e eu t tin g p er f or ma n ee o f d l c d l c 5 1 g l c g l c 祀 r a nd g l c m o s z eoa t ed h s s t wist dr i lls 15 r e m ark ab ly i mproved t h e a v erage dri ll li f e of these eoa t ed d r i ll s a r e respeeti vel y 2 28 5 25 6 75 6 5 a n d 6 5 ti m es hi g h er t h a n t h ose of the uneoa t ed dr i lls a n d t he eu t tin g per f or ma n ee of g l c a n d it s eom posit e eoa t ed dr i lls 15 bet t er tha n t h ose of the d l c a n d its eom p o sit e eoa t ed dr i lls it 15 f o u n d i n t e st t h a t t h e eoa t ed 面 115 h a v e a n ou t st a nd in g f i g ure f e a t ore o f t h e f i a nk w ea r n a mely f l a nk w ea r 1 5 sm a l l er i n t h e m a j or eu t t i n g edg e s m iddl e pa r t a n d bi g g es t i n t h e ou t er eom er r e gi ons a n d tha t t h e r u f m ing i n st a ge ha s not eviden i dif f er e nee to eoa t ed a n d u n eoa t ed dr i lls but nor ma l 伍eti on a n d w ea r stage 15 pr o longed t o t h e eoa t ed dr i lls t he a v e邝 l g e eut ti ng f o 邝es f z a n d m z ofeoa t ed dr i ll s a r e sm a l lert h a nt h ose of u n eoa t ed drills bu t they ha v e no t eviden i dif f er e n c es i n coa t ed dr i lls a ddi tion a l t h e holes su而 ce quali t y 15 b e t ter a nd t h e ho les d im e nsion d isp er s e 15 lesser t o eoa t ed 面 115 冷 州 0油 川一 5 1 a l l oy 砚 d 为n 皿m 勿 面山呜 c诚吨 伴而 m e c 抽面e s e扯阳曲幼s t i e s t h is p即 er 15 su pp o r t ed by s h a a n x i p r o v in ee b ur e a u of e du ea t io n s peeial s eien t if i e r esea r ch p la n fu n d r esear e h on c r a i t i n c oa t ed h ss t o 0i s a n d its c u t t i n g pe而 r m a n ee 05jk 274 孚 目录 目录 前言 1 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 1 铝硅 合金 的性 能特 点 1 1 1 2 当前 国内外铝硅合金切削加工的状况 2 1 2 刀具涂层技术 3 1 2 1 刀具涂层技术 的研 究现状 4 1 2 2 刀具涂层技 术 的发展趋势 7 1 2 3 涂层 刀具磨损 失效机理的研究进展 8 1 2 4 刀具涂层技术存在 的问题 9 1 3 课题 的主要 目的及 内容 9 实验条件及试验方法 n 2 1 实验材料 二 1 1 2 2 实验条件 n 2 3 实验方法 1 3 2 4 本章小结 1 4 铝硅合金切削加工性及碳膜特性分析 1 5 3 1 铝硅合金的切削加工性分析 巧 3 1 1 铝硅 合金 的切 削加工性 巧 3 1 2 改善铝硅合金切 削加工性 的措施 1 5 3 1 3 干式切 削及其对 刀具的性 能要求 1 6 3 1 4 铝硅合 金 的干 式钻 削加 工性 1 8 3 2 碳膜特性分析 1 9 3 3 涂层制备及特性测定 2 2 3 3 1 涂层 制备 2 2 3 3 2 涂层特性测 定 二 2 2 3 4 本章小结 2 4 涂层刀具的切削性能 2 5 4 1 涂层钻头的寿命 比较 2 5 4 2 涂层钻头的磨损特性及磨损规律 2 6 4 2 1 钻头 的磨损特性 2 6 4 2 2 钻头 的磨损规律 2 9 4 3 本 章 小结 3 1 西安理工大学硕士学位论文 5 涂层钻头的力学特性及钻孔质量 3 3 5 1 涂层钻头的力学特性 3 3 5 1 1 钻削力均值 比较 3 3 5 1 2 涂层钻头均切 削力波形 3 3 5 2 涂层钻头的钻孔质量 3 6 5 2 1 涂层钻 头 的切 屑形 态 3 6 5 2 2 涂层 钻 头 的钻 孔尺 寸 3 6 5 3 本章小结 40 6 结论及展望 4 1 6 1 结论 4 1 6 2 发展与展望 4 1 致谢 4 3 参考文献 4 5 发表论文与完成项 目 4 7 第一章 前言 月 l j 言 1 1 课题来源及研究意义 现代工业对强度高 重量轻 的工业材料需求越来越大 所 以铝合金 已广泛应用于各个 行业 尤其是建筑 汽车 造船 航空航天等行业 就产量而言 目前铝合金在金属材料 中已占据第二位 超过其它有色金属产量的总和 仅次于钢铁 其 中铝硅合金是铸造铝合 金中品种最多 用途最广 的一类合金 川 在汽车制造行业 铝材是实现汽车轻量化和现代 化的关键材料和主要途径 各 国政府 企业界和科技界都致力于提高汽车铝化程度的研制 和开发 在工业发达国家 目前轿车平均用铝量已达 130 k g 以上 正在 向 27 0 3 0 0k g前 进 据统计 其中铝合金铸件 占 7 5 以上 而铝硅合金铸件又 占铸件 的 8 0 以上 2 1 另 外 由于铝的 自然资源十分丰富 占地壳重量 7 4 5 居各金属元素之首位 因此 发展 应用前景十分广阔 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项 目 以及陕西省教育厅科 学研究计划项 目工作而进行的 用类金刚石碳膜 d i a mon d l i k e c a r bo n f i l m s 简称 d lc 类石墨碳膜 g r a nh i tie li ke e a r bon f il m s 简称 o lc 及 d le 51 o le e r和 g le m osz 等几种固体润滑复合涂层 m z 高速钢麻花钻 在干式切削条件下 对铸造铝硅合金进行钻 削试验 着重研究分析其切削性能和力学特性等 旨在为干式切削加工硅铝合金探索合适 的刀具涂层材料 涂层结构及涂层工艺等 也为干式切削加工铝硅合金探索合理的切削用 量参数及其它合适的切削条件 对于提高铝硅合金切削加工的生产效率和加工质量 以及 推动刀具涂层技术发展都具有积极的意义 1 1 1 铝硅合金的性能特点 在铝硅合金中硅是主要合金化元素 硅改善合金的流动性 降低热裂倾向 减少疏松 提高气密性 按合金中硅含量的多少 该系合金可分为亚共晶铝硅合金 含硅量 9 1 2 共 晶铝硅合金 含硅量 1 1 1 3 和过共 晶铝硅合金 含硅量在 1 5 3 0 三 类 随着硅量的增加 结晶温度区间变小 共 晶体增加 流动性随之提高 虽然铸造性能 获得改善 但组织 中出现针状或片状 的共 晶硅 甚至 出现粗大 的多角形块状或板状初 晶硅 严重地割裂了铝基体 在硅相的尖端和棱角处引起应力集中 容易沿晶粒边界处或板状硅 本身开裂而形成裂纹 使合金变脆 力学性能特别是伸长率显著降低 切削加工性能也变 差 共晶硅铝合金由于存在耐磨性差 切削加工性差 热膨胀系数较大等使用性能方面的 缺陷 在应用上还受到一些限制 过共晶硅铝合金将硅铝合金中的硅含量提高到 1 5 以 上 具有耐磨性高 热膨胀系数 比重小 流动性 抗裂性好等优良特性 因而 其应用 在工业发达国家 如美国 德国 日本 法国等 已引起 了重视 早在二战以前 就已比较 普遍地用作 内燃机活塞 美 国雷纳德金属公司曾用 39 0合金制造 了雷佛莱织女星牌轿车 西安理工大学硕士学位论文 2 3 00 发动机缸体 代替了价格较高 较重的灰铸铁缸套 大大降低 了缸体的制造成本 并有利于组织流水线大量生产 在 日本 近年来对过共晶硅铝合金 的成分 细化处理 组 织和机械性能 切削加工性等方面进行了大量的研究工作 且已把过共晶硅铝合金应用于 工业中 俄罗斯 己经把含硅量为 加 0 一2 2 0 的高硅铝合金作为实用材料正常供应生产 需要 有的工厂 已将其用来制造活塞铸件 但 由于结晶温度范围加大和显微组织 中存在着 粗大的板状初晶硅 所 以它既恶化 了补缩性能 又降低 了机械性能 使其切削加工性比共 晶硅铝合金还要差 因此 长期 以来过共晶铝合金在工业上没有得到广泛 的应用 经过长 期的系统研究 采用初晶硅细化与合金化等措施 使过共晶硅铝合金的常温和高温机械性 能都达到了实际需要的水平 另外 通过加入某些易切削元素 也能使切削加工性得到改 善 j 1 1 2 当前国内外铝硅合金切削加工的状况 针对铝硅合金的性能特 点 长期 以来 国内外切削工作者为了使硅铝合金在工业上得 到广泛应用 一方面通过细化处理 添加合金元素与易切元素 以及采用热处理等方法来 改善铝硅合金的切削加工性 另一方面就是通过进行大量的切削试验研究 研制开发适于 切削加工铝硅合金的新型刀具材料 一般切削加工铝硅合金的刀具材料主要为高速钢 硬质合金和金刚石等 金刚石刀具 有高的硬度 耐磨性和耐蚀性 且摩擦系数低 导热性能好 在切削加工铝硅合金等硬质 材料时 具有加工精度高 刀具寿命长 切削力小及加工效率高等优点 因此 金刚石刀 具是切削加工铝硅合金的理想刀具材料 但天然单晶金刚石和人造聚 晶金刚石不但价格昂 贵 且刀具制造工艺复杂 成本很高 使其广泛应用受到限制 硬质合金刀具切削加工硅 铝合金时 虽然也可提高刀具寿命 但 由于硬质合金刀具不如高速钢刀具容易刃磨锋利 且制造工艺复杂 成本较高 因此 对于刃口要求锋利及形状复杂的刀具 如钻头 丝锥 立铣刀 成形刀具 拉刀 齿轮刀具等 目前仍以高速钢刀具为主 尤其在我国更是如此 5 但高速钢的硬度 尤其高温硬硬度 低 抗磨粒磨损性能差 刀具寿命短等 此外 无论是硬质合金刀具 还是高速钢刀具与硅铝合金的摩擦系数均较大 切削加工时 切屑 很容易与刀具发生粘结 排屑 困难 加工表面质量较差 另外 在传统的金属切削加工中 人们 已习惯于用切削液来冷却 润滑刀具 控制切 屑的形成和排出 避免或减少积屑瘤的产生 延长刀具寿命 提高加工质量和生产效率等 即湿式切削占有主导地位 随着人们环境保护意识的增强和研究的不断深入 使用切削液 所带来的负面影响也越来越明显 如切削液的泄漏 挥发等 尤其是废液的处理 不但会 侵蚀地面 污染水源和空气 而且其中的添加剂和吸附杂质会引发疾病 冷却装置及供液 系统还使工艺系统变得复杂 等等 为了消除切削液带来的负面影响 除研究开发新型切 削液和新的冷却 润滑技术外 最有效的方法就是取消切削液 即进行干式切削加工 无 论从经济方面考虑 还是从环境保护方面考虑 干式切削加工都是理想的绿色制造工艺方 法 近年来 世界各国 特别是工业发达国家 为了贯彻环境保护政策 降低生产成本 2 第一章 前言 大力研究 开发和推广应用干式切削加工 目前 在欧美和 日本干式切削加工已受到高度 重 观 应用也愈来愈广泛 西欧 己有近一半的企业采用 了干式切削加工 尤 以德 国最为普 遍 由此可见 干式切 削加工将成 为未来金属切削加工 的主要发展方 向之一 6 然而 由 于在干式切削加工 中由于不使用切削液 切削液的冷却 润滑及排屑等作用丧失 切削条 件恶化 在切削区域产生的大量切削热无法散发 切削温度和切削力大幅度上升 摩擦力 增大 刀具磨损加快 寿命缩短 这样就使得铝硅合金等切 削加工过程 中切屑易与刀具发 生粘结材料 的加工更加 困难 基于上述情况 切削工作者一直致力于研制开发一种新型复合 刀具材料 期望使高 的硬度 耐磨 性 耐 热 性和 耐蚀 性 且摩擦系数 低 导 热 性好 等 融 于一 体 以便 满足 铝硅合金干式切削对 刀具性 能的要求 涂层技术 的发展 为 开发这种新型复合刀具材料提 供了一条有效途径 t s 9 1 2 刀具涂层技术 所谓涂层刀具 就是通过物理或化学气相沉积技术或其它方法 在硬质合金或高速钢 刀具基体表面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 c t i cn a 1 2o 3和 t i a i n 等 或非金属化合物 软涂层 如 m osz w sz 纯石墨等 日 硬涂层刀 具追求高的硬度和耐磨性 尤其对于高速钢刀具 硬涂层犹如在高速钢刀具与切屑之间增 加了一道热的隔离层 在切削过程中能起到热屏障和化学屏障作用 避免 了刀具与工件间 的粘结磨损和扩散磨损 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性而不降低其韧性 的有效途径之一 软涂层的主 要成分是具有低摩擦系数的固体润滑材料 具有 良好的 自润滑性 在特殊使用条件下具有 优 良的摩擦学特性 如摩擦系数低 承载极限高 高温下化学稳定性好 物理机械性能变 化小 能适应 120 0 以上的工作温度范围和很宽的摩擦副运动速度范围 适于在高温 高速和大载荷等特殊环境条件下使用 0 t 特别是软涂层可在刀具表面形成固体润滑膜 使刀具材料具有很低的摩擦系数 2 因为具有层状结构的固体润滑剂与摩擦表面具有较 强的粘结能力 并且各层之 间有较低 的剪切强度 在切削过程 中 存在于刀具表面的固体 润滑膜会转移到工件材料表面 形成转移膜 使切削过程 中摩擦发生在转移膜和润滑膜之 间 在 固体润滑膜 内部 从而可达到减小摩擦 阻止粘结 降低切 削力和切削温度 减小 刀具磨损 的 目的 3 通常把 软涂层和硬涂层相结合制成 复合涂层 如 t i a i n w c c c r a i n 祀等 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能够可靠地进行 对切削加工 中所使用的各种刀具等 均可采用涂层工艺来提高它们 的使用性能 己成为刀具发展的重要方 向之一 近年来 涂层技术 的发展 已经从起始的只能涂覆单一涂层 进一步发展到多元 多层 西安理工大学硕士学位论文 复合涂层的新阶段 随着纳米材料的出现 纳米薄膜 涂层 技术也得到相应的发展 自 珑prek 5 等提出超硬纳米复合膜的概念以来 对纳米复合膜的研究更是引起广泛的重视 民 6 1 涂层方式有 单涂层 多涂层 梯度涂层 软 硬复合涂层 纳米涂层 超硬薄膜 涂层等 如图 卜1 所示 7 综合利用各种涂层成分的优点制成的多元复合涂层 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 0 5一2 倍 尤其是新 开发的多元 超薄 超多层涂层 每层厚度约 i n l n 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 涂层技术对刀具的发展起到 了巨大的促进作用 刀具经过涂层后可大幅度地延长使用 寿命 资料显示 发达 国家 8 0 的刀具经过涂层处理 另外 随着涂层装备的逐步改进 和涂层工艺的成熟 刀具成本正在逐年下降 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 单涂层多涂层 带中间过渡层 目 多涂层 纳米结构 梯度涂层 超硬涂层 软顺 复合涂层 目舀 图 1一 1常用刀具涂层结构 f ig l一 1 c om m o 川y used eoa t ing s str u ct u res of eut t lng to o ls 1 2 1 刀具涂层技术的研究现状 刀具涂层技术通常分为化学气相沉积 c v d c hem ieal v a por d eposition 技术和物 理气相沉积 pv d p妙s i ca l v a por d e p o s i t i o n 技术两大类 近年来 刀具涂层技术的研 究更为活跃 涂层成分多元化 层数多层化 复合化 每个单层越来越薄 出现 了多层钠 米薄膜 涂层 向着更合理的方 向发展 基于硅铝合金材料的性能特 点 一般硬涂层 由于摩 擦系数 如 肠n t i a i n 等摩擦系数约 0 4 8 9 仍然较大 所涂层刀具不适于对其进行 切削加工 尤其是干式切削 目前主要是采用金刚石膜和类金刚石碳膜 以及 m o s z w sz m o s z等软涂层 以及软 硬复合涂层 因此 以下主要介绍有关这类涂层 的发展现状 c v d 金刚石膜技术的研究现状 自从金刚石的低压 c v d 方法开发成功之后 这一技术 已迅速应用到切削刀具上 通 第一章 前言 过多年的应用研究和开发 c v d 金刚石厚膜 一3 0 p m 焊接刀具 己进入实用阶段 cv d 今刚石薄膜 一20 m 涂层刀片 由于它与刀具基体材料的粘结力差 严重影响了金刚 石涂层刀具切削能力的发挥 2 0 1 最近据 n or y o n d i a mo n d f i l m 公司报道 已将这一技术难 题给予解决 采用 己获得专利权 的新型金刚石涂层技术 将欲涂层 的刀具置于 内含定量碳 分子的真空炉 中 然后加热至规定的高温 再按 比例注入氢和 甲烷分子 这时被激活的氢 和 甲烷分子和碳分子进行化学反应 在刀具表面形成纯度很高 厚度极薄的金刚石涂层 由于涂层制造技术构思独特 工艺先进 因而能使涂层 与刀体之 间具有很牢 固的化学粘接 韧性好 且能消除原来刀具表面存在着 的微细裂纹的金刚石涂层 充分发挥金刚石涂层刀 具的切削性能 进一步扩大刀具的使用范围 除能有效加工有色金属材料外 还能高效率 切削石墨 陶瓷 硬质合金 磨粒和耐腐蚀材料 聚合体结构材料 非金属复合材料 高 硅铝合金 双层金属材料 以及金属基复合材料等新型难加工航空航天工业用材料 川 目前国内外制备金刚石膜 的 c v d 按等离子体的产生原理 主要可分为 h f一 c v d 热 丝 c v d h ot fil 田 n ent一 c v d 法 m w c v d 微波 c v d m iero 从 a ve一 c v d 法 d c 一 c v d 直流等离子体射流 e v d d c pl asm a jet一 c v d 法及 la 一 c v d 激光诱导 c v d lase a s s i s t e d 一 c v d 法等 四种 h f一 c v d 法是成功制备金刚石膜最早 的方法之一 可合成大面 积金刚石厚膜 最大达 中16 0 但金刚石膜的生长速度较慢 l 2 p m 爪 m w c v d 法是在基体上一边照射微波 一边进行涂覆的方法 用这种方法基体表面薄膜扩散层 内的 化学晶粒通过较大的微波振幅进行搅拌 易于析 出细微 的晶体组织 形成厚度均匀的涂层 由于能够形成均匀的等离子体状态使它在制备高质量 大面积金刚石厚膜方面显示 出极大 的优势 国外最大沉积面积 已达 中30 0 生长速度为 1 0 协nl 儿 且具有连续稳定的工 作特点 但设备 比较 昂贵 d c 一 c v d法是 目前所有金刚石膜低压气相沉积技术中沉积速 率最高 结晶质量较好的方法之一 人们普遍看好它的工业应用前景 生长速度高达 93 0 p n订 h 晶粒之间结合紧密 但膜 的生长面表面 比较粗糙 la 一 c v d 法可使金刚石膜的生 长速度达到创记录的 360 0协而 h 但在设备长时间稳定工作 以及大面积制备金刚石厚膜 方面还存在较大 困难 3 b 类金刚石碳膜技术的研究现状 类金刚石碳膜是一类硬度 光学 电学 化学和摩擦学等特性类似于金刚石的非晶碳 膜 自 8 0 年代 以来其作为新型保护材料一直是各国镀膜技术领域研究的热点之一 近年 来我国在这方面的研究同关于金刚石膜的研究一样取得 了长足进展 随着现代沉积技术 的发展 己开发成功 了多种制备类金刚石碳膜 的新技术和新方法 如弯曲弧磁过滤器技术和封 闭磁场磁控溅射技术等 使得实现对类金刚石碳膜细微结构的 控制成为可能 并不断改善膜与基体的结合力 由于类金刚石碳膜与基体的物理性能不匹 配 导致膜与基体之间存在很大 的应力 限制 了膜与多种基体 的连接和膜 的沉积厚度 其 沉积厚度一般在 0 5一1 0 m 为了克服这一缺陷 己开发 出了多层膜技术 即寻找合 适的成分梯度单层膜或多层膜作为类金刚石碳膜与基体之间的过渡层 这 已成为 目前的发 西安理工大学硕士学位论文 展方向 另外 与 ti n 膜一样 类金刚石碳膜也存在高温不稳定性问题 在温度大于 40 0 时 类金刚石碳膜 的性能将 明显变差 因此 提高类金刚石碳膜 的高温稳定性是拓 宽其应用范围的重要前提 目前针对类金刚石碳膜开展的搀杂技术研究的 目的即在于此 目前所采用 的搀杂有 s i n o 和 c l等非金属元素 以及 s b n a k i和 t i 等金属元 素 其原理是通过加入这些元 素使其与碳形成稳定化合物 从而达到稳 定类金 刚石碳膜 结 构和改善其性能 由于类金刚石碳膜是一系列碳膜 的总称 因此对其结构的研究还很不详 尽 在很多方面还没有达成共识 关于其结构与性能的对应关系的研究还很粗浅 而针对 其性能的开发与应用研究亦待深入 c p v d 溅射镀技术 的研 究现状 溅射镀 sp s p u t t e r i n g p l a t i n g 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 sp 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 因而近年来发展很快 随着相应的技术的不断完善和发展 其应用范 围也将越来越广泛 2 5 1 具有代表性的方法有二极 sp 三极 sp 磁控溅射镀膜 m sp m age t r on一 sp 射频溅 射镀膜 好 sp r a d io fr e qenee一 sp 反应溅 射镀膜 r sp r e a c t i o n一 s p 等 m sp 又称高速低温溅射 其沉积速率高 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 sp 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 la n e e m a g net r o n s p u t 加red 涂层工艺则是 sp 领域极具潜力的方法 2 6 2 7 如 l 1969 年 由美 国 n a sa 工 spa l vi n 2 8 开发的 sp一 m osz 为 m osz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 ts 通过改进 sp 技术 获得致密的在 真空下磨损系数为 0 0 1的 m os 膜 m 翻 r ti n 等通过控制 sp 的杂质含量 晶粒尺寸等使 m o s 在真空下的摩擦系数降为 0 0 0 1 充分展示 了 m o s 所特有的减摩 润滑的优异性能 2 英国 teer 涂层有 限公司开发的封 闭场磁控溅射离子镀 c fm sip c l osed fi el d m a助 et r on spu t t er e d一 ip 和 非 平 衡 直 流 磁 控 溅 射 离 子 镀 u m sip u n b a l a n ced一 dc m agne t r o n 一 s p u t t er e d一 i p 两种专利技术是非常通用的 pv d技术 特别适于多元 多层复合 涂层的沉积 可成功地进行 c r t i a i n n bxt i 尹 n bzryn 和 m o x zryn 等硬涂层及 m o s tt m 和 g r a nh i t一 i c t m两种新的固体润滑涂层的沉积 d 复合涂层技术的研究现状 刀具涂层技术新近的发展趋势是结合不同涂层技术或表面处理技术的优势 开发新的 复合涂层技术 以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 l 美国的 5 pal d ey 加 等用弧溅射 a b s a re b ond spu廿 eri ng 技术 即 c lp 与 u m s 的复合 pv d 技术 所制备 的涂层与刀具基体具有高的粘结强度 且组织致密 表面 6 第一章 前言 光滑 适于沉积高活性的元素 如i v a 族元素 d e川i n g e r v 等用 a b s 技术在 同一沉积 室成功地进行 了 t i a i n与 w c c软硬结合的多层复合涂层 避免 了转移过程 中的污染等 2 德国的 e lug s ch e id e 川等用弧离子镀 a i p与平衡磁控溅射离子镀 b m s i p 的复 合 pv d 技术 进行切削刀具的 c r a i n 十 c 涂层 所得涂层硬度高 摩擦系数低 与基体的 结合强度高等 3 离子束辅助沉积ib a d ion b ea m a ssisted d 即osition 技术是兼有气相沉积与 离子注入优点的一种新型pv d 技术 其特点是在冷相沉积涂膜 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 bn 和金刚石 的超硬薄膜 川 4 pn 等离子氮化 与pv d 涂层相结合的复合处理技术 通过这样的处理可弥补 单一 t i n 涂层硬度虽高 但硬化层 薄 硬度梯度陡峭 以及pn 处理硬化层虽厚 但表层硬 度不高的不足 得到既有高表面硬度 170 0 h v o 又有强化过渡层 0 3 5 的复 合涂层 同时 在沉积过程 中由于t i 与n 的相互作用及其向基体 内部的进一步扩散 使过 渡层的硬度 比单一pn 提高约 12oh v o 从而提高了复合涂层 的承载能力和抗磨损能力 如 日本的ta k aya s u sa t h i c h i m u r a 3 洲 等在同一沉积室成功地对高速钢刀具进行p n与 i p 或ca i p 的复合处理 结果表 明 经过这样处理的t i n 涂层钻头的切削性能大大改善 甚 至超过t i a i n 涂层钻头 的切削性能 1 2 2 刀具涂层技术的发展趋势 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 3 5 l 多层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 2 涂层的显微硬度与其组织密切相关 组织越致密 薄膜的显微硬度越高 因此 在刀具的复合涂层 中 各单一成分涂层 的厚度将越来越薄 并趋于纳米化 3 6 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 涂层工艺将更趋合理 等等 预计结合不同涂层技术或表面处理技术优势的复合涂层技术 将成为刀具涂层技术发 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 预计将会用计算 机技术来针对不同加工材料的不同加工条件 优化涂层材料 涂层结构及加工参数 并控 制涂层过程 西安理工大学硕士学位论文 2 3 涂层刀具磨损失效机理的研究进展 大量文献研究表 明 多元复合涂层和 多层涂层的力学性 能 如硬度 刚度 耐磨性及 膜基结合等 明显优于相应 的单一涂层 并可通过对组织 结构及厚度进行设计 以适用 于有多种功能要求的工况表面 m a t t h e w s和 h o l m b e r g 川试图从宏观力学机制 微观力学 机制 摩擦化学机制及材料转移方面建立一个系统的涂层摩擦机理研 究反方法 认为宏观 力学下的摩擦和磨损行为 主要取决于接触过程 中的应力 应变分布和 由此导致的弹塑性 变形 磨屑的形成及其动力学 而这往往取决于下面四个参数 涂层与基体的硬度 涂层 的厚度 表面的粗糙度和接触界面间磨屑的硬度与尺寸 对于同一个接触面要获得低的摩 擦系数 涂层应有低的剪切强度 而要获得低的磨损率 往往需要有较大 的硬度 较高的 剪切强度 显然这近乎矛盾的要求对同一材料是达不到的 可通过在硬质涂层上加一层特 别薄的低剪切 的软质膜来组合实现 同时该软质涂层还具有包容硬质颗粒 的能力 硬质膜 则提供一定的承载能力 而 多层膜 的引入增加了涂层单位厚度 内的界面数量 可有效的阻 止裂纹的生成及扩展 摩擦化学机制主要考虑涂层工作 的环境 介质 的化学特性及可能发 生的摩擦化学反应 这往往是摩擦过程中产生的摩擦热而引起 的 材料转移引起两对摩擦 面间同一或相似涂层的滑动 m a t t h e w s 等人还详细讨论 了涂层接触表面的应力分布 滑 动接触 表面疲劳 微动磨损 磨粒磨损 抗冲击及化学扩散等 得 出同样 的结论 即针 对每种主要摩擦形式应用具有不 同性能的涂层进行多元组合可满足复杂 的工况要求 软硬 交替多层涂层在负载的作用下呈书页式的变形机制 此时软质涂层的存在使硬质涂层间发 生了一定的滑移 在该种机制下涂层是不易发生断裂的 m ao k 及 r e n j 等研究了多层涂 层 单层厚度为 0 5 1拼 m 的磨损特性 认为多层涂层的磨损呈现一种 多层磨损机制 即材料是逐层被剥离的 涂层能有效缓解刀具的扩散磨损和粘结磨损 涂层刀具使用寿命 是未涂层刀具的 3 1 5倍 以上 涂层刀具在使用过程中的磨损形式主要表现为中速时的磨 粒磨损和粘结磨损 高速时扩散磨损和粘结磨损 最后失效形式多为刀刃微区剥离 其机 理是涂层中 涂层间和基体 内部的裂纹产生和扩展 高温会加剧扩散磨损和氧化磨损 使 用冷润滑却液可降低切削温度和减少刀一 屑 刀一 工件间的摩擦 缓解裂纹的产生和扩展 大幅度提高刀具寿命 刀具基体必须具备耐断裂性和耐热变性两个重要性质 涂层除了考 虑耐磨之外 其韧性和与基体附着力也是重要的性能指标 否则 其塑性变形会造成涂层 早期撕裂和剥落 综合分析国内外学者关于涂层刀具的研究结果表明 影响涂层性能的主要因素有 l 涂层的化学组成 包括组成元素含量的变化 掺杂元素的种类和数量 膜基界 面及多层膜中膜膜界面之间的扩散 沉积过程中气体杂质的引入等 2 涂层的显微结构 这主要是对涂层硬度及润滑性能造成较大影响 涉及到的内 容包括 晶粒的尺寸和晶界结构 晶体的结构 包括晶形的变化 晶体生长时的择优取 向 此外 由于外来元素掺入原化合物 的间隙位置而形成的亚稳态结构也可 以从整体上改变涂 层 的力学性 能 第一章 前言 3 膜基结合强度 这是涂层 中至关重要且较难解决的一个 问题 改善膜基结合涉 及到诸多方面 如涂层与基体 的化学组成匹配性 涂层与基体 的热膨胀系数的差异 涂层 与基体间元素的扩散及涂层 内应力的影响 4 涂层的厚度及层数主要取决于工况条件 不一定是层数越多性能越优 膜层厚 度过大会处于高的应力状态 导致涂层变脆而减少使用寿命 涂层与基体 以及层与层之间 存在明显的界面 是薄膜 内应力的起源 导致涂层的剥落与破损 3 8 1 应力 的大小及分布 对薄膜硬度和结合强度都有 明显影响 3 梯度材料 由于不形成 明确 的相界面 能缓和热 应力 具有开发价值 刀具涂层制备成梯度薄膜 在表面可导入较大压缩残余应力 硬度 可大幅度提高 有望显著提高涂层刀具的抗剥落性能 进一步提高涂层刀具切削性能 1 2 4 刀具涂层技术存在 的问题 国内外学者针对刀具涂层 已进行 了大量的研究工作 0 并取得 了一定成效 目前 存在的主要 问题有 1 金刚石膜 的生长速度仍较慢 涂层设备难 以保证长时间稳定地工作 大面积制 备金刚石厚膜还存在较大 困难 2 pv d 工艺处理温度较低 虽不会降低刀具基体材料原有的抗弯强度 涂层与硬 质合金基体也不会产生 几 脆性相 并可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层 但涂 层与刀具基体 涂层与涂层之间的界面结合强度较低 因而使涂层厚度受到了限制 同时 涂层在切削负荷的作用下易因开裂和剥落而失效 3 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 4 对 pv 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 5 对涂层刀具的切削机理和磨损机理 切削性能和应用技术等的研究工作还不够 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 还无法使 涂层刀具的使用者方便地选择和合理地应用 1 3 课题的主要 目的及 内容 本课题主要通过对大量应用于汽车工业 中的一种铸造铝硅合金 z l 1 0 7 用类金刚石碳 膜 d lc 类石墨膜 g lc d lc 51 g lc c r 和 g l c m osz等几种减摩 抗磨复合 涂层 m z 高速钢麻花钻 在干式切 削条