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（2012届）金属功能材料课程论文摘 要现代切削加工朝着高速、高效、高精、智能和环保的方向不断发展及难加工材料的不断涌现，对刀具材料性能要求越来越高。涂层硬质合会刀具以其高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性和高的通用性等特点，广泛地应用于金属切削加工领域，是当前世界各国重点研究开发的刀具之一。本文简要的叙述了涂层硬质合金刀具的特点、制备工艺、未来发展趋势等。关键词：涂层硬质合金刀具；切削; 高硬度; 高耐磨性 AbstractWith modern machining developing toward high speedHigh efficiency,high precision，intelligent and environmentally friendly along with the continuous emerging of the difficulttomachine material，the demand for material performance of cutting tool becomes higher and higherBecause of its high hardness，good wear resistance，excellent thermal stability and applicability,the coated cemented carbide tool is now widely used in metal cutting area and becoming one of the most ideal cutting tools to research and develop around the worldThis thesis briefly narrates the coated cemented carbide tool characteristics, preparation technology, the future development trends.Key word: The coated cemented carbide tool, Cutting, Hardness, Good wear resistance第一章 绪论1.1 引言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。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而改性技术。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被称为刀具制造领域的二大关键技术。涂层刀具是近 20 年以来发展最快的新型刀具，涂层工艺越来越成熟。所谓硬质合金涂层1，是指在硬质合金表面涂覆一层硬度和耐磨性很高的物质。在刀具基体上涂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 TiC, TiN, A12O3等)组成的涂层刀具，能较好的解决刀具存在的强度和硬度之间的盾，这是切削刀具发展的一次革命2。发展形式多样、不同组合的多层涂层及优化的复合涂层成为刀具涂层发展的新前景。1.2 涂层刀具的研究现现状目前常用的刀具涂层材料主要为各种硬质氮化物、氧化物、碳化物和硼化物陶瓷。这些涂层都具有很高的硬度，优异的耐热性，耐氧化性和耐腐蚀性。它们的性能如表所示。表 1.1 各种涂层材料的性能Table 1.1 The performance of different coating material材料 密度 熔点 硬度 弹性模量 热导率 热膨胀率 g/cm3 0C GPa GPa W/(m.k) 10-6C-1TiC 4.9 3150 32 500 0.1722/0.2520 7.7TiN 5.2 2950 21 260 0.2940 9.3Al2O3 3.9 2050 23 530 0.3024 8.0高速钢 89 1500 89 200 0.5880 1112硬质合金 1215 1280 317 500600 0.1080 56TiN 是使用最为广泛的刀具涂层材料，它具有硬度高、摩擦系数低及良好的韧性，很高的热硬度的特性，适用于高速切削3。TiN 涂层刀具主要用于高速切削或加工较高硬度的材料，如正火材料和调制材料的切削加工、沥青材料的滚切以及螺纹加工的钻削加工。Al2O3涂层具有良好的机械性能，极好的热硬性和化学稳定性，Al2O3涂层刀具的牙洼面磨损速度较低。一般在 Al2O3涂层和基体间加一层 TiC 和 TiN，可以提高耐磨性，而且可以防止高温下 Co、W 等元素从硬质合金基体中向涂层扩散，从而改善涂层与基体的结合性能。1.3 涂层硬质合金刀具的特点(1) 力学和切削性能好，涂层刀具将基体材料和涂层材料的优良性能结合起来，既保持了基体良好的韧性和较高的强度，又具有涂层的高硬度、高耐磨性和低摩擦系数。因此，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具可提高2倍以上，并允许有较高的进给量。与未涂层刀具相比，涂层刀具的寿命可提高一倍。(2) 通用性强涂层刀具通用性广，明显扩大了加工范围，一种涂层刀具可以代替数种无涂层刀具使用功能，因而可以大大减少刀具的品种和库存量，降低刀具和设备成本。(3) 涂层刀具寿命与涂层厚度有关。若以后刀面磨损为基准，随涂层厚度的增加刀具寿命也会增加，但当涂层厚度达到饱和，刀具寿命不再明显增加。但如果以前刀面月牙洼深度为刀具寿命的基准，刀具寿命与涂层厚度成正比，未发现饱和现象。涂层太厚时易引起剥离，涂层太薄时，则耐磨性能差，不能有效地保护基体，不同的涂层物质有其最佳涂层厚度。(4) 不同涂层材料的刀具，切削性能不一样，低速切削时TiC占有优势，高速切削时 TiN 较合适，TiAlN、TiCN、ZrN、Al2O3涂层的热化学稳定性较高，适合更高的切削速度的条件下工作5。第二章 涂层硬质合金刀具的制备2.1 试样材料及制备2.1.1 试样材料本实验所采用的材料是自制烧结的 YG 硬质合金刀具，其化学成分由 2.1 所示。表2.1 硬质合金基体材料的成分Table12.1 component of the WC cemented carbideWC% Co% TaC% 86% 11% 3%硬质合金刀具具体制作工艺流程如图 2.1 所示。首先，将 WC 粉末、Co 和 TaC 混合，然后放入球磨机中球磨，加酒精进行湿式混合，使粉末细小且均匀6。硬质合金烧结有氢气烧结，真空烧结，热压烧结，真空-压力烧结及热等压烧结，烧结的温度大约在 1000左右，试样烧结工艺如图 2.2 所示7。本实验采用的是 WZS-20型双室真空烧结炉，它是兼有油冷和加压气冷功能的双室卧式真空热处理设备，主要适用于粉末冶金烧结，小型高速铜、高合金模具、精密轴承、油泵油嘴偶件、液压件、汽轮机及燃气轮机叶片等精密机器零件的油淬、气淬、退火、钎焊等多种真空热处理工艺。 图2.2 硬质合金刀具烧结的工艺图 Fig. the curve of hard metal tool agglomeration2.2 涂层的制备2.2.1涂层制备的方法目前，最为常用的涂层制备方法主要有：物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）和化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）法应用最为普遍8。化学气相沉积(CVD）化学气相沉积是在一定温度下，混合气体之间或混合气体与基体表面之间相互作用，在基体表面形成金属或化合物等的固态膜或镀层，使材料表面改性，以满足耐磨、抗氧化、抗腐蚀以及特定的电学、光学和摩擦学等特殊要求的一种技术。CVD 的技术关键是：一，混合气体相必需能与基体固相界面发生反应，化学气相沉积的镀层是混合气体相在基体上沉积生长形成的；二，沉积反应是在一定的激活能量下进行的，必需有足够高的温度作为激活条件。CVD 技术的工艺问题是沉积温度太高（9001200），在这样高的温度进行CVD，会产生如下问题：基体晶粒变大，从而导致工件的力学性能下降；工件变形大，从而造成工件失效；沉积后要增加热处理工序；易造成涂层脱落。早在 40 多年前，瑞典山特维克（Sandvik）公司和德国克虏伯（Krupp）公司研发了化学气相沉积（CVD）涂层技术，1969 年向市场推出了CVDTiC 涂层硬质合金刀片产品。经过几十年技术发展，涂层工艺有很大的改进。CVD 涂层工艺温度约为1000，结合力可靠，但也带来了一些性能上的缺陷，如刀具切削刃需经过钝化预处理，刀具表面易出现残余拉应力，且不能用于高速钢刀具表面涂层。物理气相沉积（PVD）20 世纪 70 年代初，美国本夏（R. Bunhan）和拉格胡南（A. Rughuran）研发了物理气相沉积（PVD） 工艺，涂层工艺温度在 500和 500以下，用于高速钢刀具表面涂层。物理气相沉积技术是指在真空条件下，利用热蒸发或辉光放电、弧光放电物理的过程，将材料气化成原子、分子或者电离，并通过气相过程，在材料或基体表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜技术。物理气相沉积技术所有的方法的工艺过程均可以分为三步：第一步是成膜材料的气化，即成膜材料的蒸发、升华、被溅射、分解，也就是成膜材料的源；第二步为成膜原子、分子或离子从源到基片的迁移过程，在这一过程中粒子间可能发生碰撞，产生离化、复合、反应、能量的变化和运动方向的改变等一系列复杂过程；第三步是成膜原子在基片表面的吸附、堆积、成核和长大成膜。物理气相沉积的方法主要有：真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀膜。其中真空蒸镀在工业上应用较早，而磁控溅射离子镀和电弧离子镀是工业生产的主流镀膜技术。本文主要讲述磁控溅射离子镀。2.2.2 磁控溅射镀膜1磁控溅射设备本文 1#，2#试样实验是采用 JGP-450 多靶磁控溅射仪制备得到，其外观及真空室结构如图 2.2 所示。该溅射仪安装有一个直流阴极(DC)和两个可独立控制的射频阴极(RF)。基片架位于三个阴极上面并可沿腔体中心轴转动。可以实现多元多层纳米多层膜和多元纳米复合薄膜的制备。图 2.4 JGP-450 多靶磁控溅射仪外观(a)及真空室结构(b)Figure 2.4 External appearance and inner vacuum chambers structure of JGP-450multi-target magnetron sputter2镀膜工艺步骤在 JGP-450 多靶磁控溅射仪上镀 TiN、TiAlN 涂层。(1) 首先将预处理后的基片放入溅射室内，并将纯度为 99.99%的Ti靶安装在溅射靶台上；抽真空至溅射室内的本底真空度达到 610-4Pa，以保证沉积TiN 薄膜的纯度，并利用电阻加热器对样品台进行加热，以使基片达到所需初温。(2) 向溅射室内通入Ar 气，其流量为10sccm，经闸板阀调节溅射室内气压约为3.0Pa，引弧放电后对 Ti 靶表面进行预溅射 5min，目的是除去 Ti 靶表面的氧化物等杂质。(3) 保持 Ar 气流量为 10sccm，经外加电压等离子化后，调节各工艺参数为预先设定值。为了提高了薄膜与基体的结合力，沉积单层膜前在基片上沉积约为 100nmTi 过渡层。然后通入N2，按预先设置好的实验参数开始试验。磁控溅射方法制备TiN 薄膜的性能受工艺参数影响，其中N2流量的影响尤为明显，选择适当的溅射功率有利于镀层的硬度的提高。由此在参照设备本身，设定如下工艺：射频电源靶功率为 250w，Ar：N2=10：1，基片温度 200，真空度为 6.010-4。镀 TiAlN复合涂层时，采用两个分离靶反应磁控溅射共交沉积，在两个阴极靶上安装纯Ti、Al 靶。Ti靶为直流阴极，Al为射频阴极。通入Ar、N2混合气进行反应溅射，Ar流量为10sccm，氮流量为5sccm 沉积TiAlN复合膜前在基片上沉积约为100nmTi过渡层。制备TiAlN 薄膜时，Ti靶溅射功率为200W。固定其它工艺参数，改变Al的溅射功率为250W，镀TiN和TiAlN 涂层的时间均为3小时。 第三章 涂层硬质合金刀具未来发展趋势近年来，随着硬质合金涂层技术的不断发展 ，其在实践应用领域出现了一些新进展 。1)纳米涂层的新工艺及产品不断推出。纳米涂层一般采用PVD技术进行 ，主要分为金属氮化物纳米层与金属A1N纳米层交替涂覆 、金属 A1N纳米层与金属AlCN纳米层交替涂覆、金属氮化物纳米层与属 A1N纳米层及金属 A1CN纳米层交替涂覆等结构。和传统涂层相比，纳米涂层具有优异的力学性能，如更低的孔隙率，更高的结合强度，更高的硬度、抗氧化性、耐腐蚀性等，可大大拓宽涂层工具的应用领域9。日本住友公司开发的AC105G，AC110G等牌号ZX涂层是一种TiN与A1N交替的纳米多层涂层，层数可达2000层，每层厚度约为lam，这种新涂层与基体结合强度高，涂层硬度接近 CBN，抗氧化性能好，抗剥离性强，而目可显著改善刀具表面粗糙度，其寿命是TiN,TiA1N涂层的23倍。据报道,在第八届中国国际机床展览会(CIMT2003)上，瑞士某公司推出的纳米结构涂层(AITiNSiN)立铣刀，其涂层硬度为45GPa，氧化温度1100，切削对比试验表明，其寿命比TiN涂层立铣刀高3倍，比TiA1CN涂层立铣刀高2倍。2)复合涂层工艺进展迅猛。由于单一涂层材料无法满足对刀具综合机械性能的要求，涂层成分向多元化、复合化发展成为必然趋势，从目前应用来看，涂层成分更为复杂 、更具针对性，且每单层成分也会越来越薄，并逐步趋于纳米化。目前最主要的是双层及三层涂层。双层涂层以TiCTiN双层涂层为代表。由于TiCTiN双层涂层兼有 TiC涂层和 TiN涂层优点，所以其既有较高的硬度和耐磨性,又有良好的化学稳定性和高抗月牙注磨损性能，因此得到了广泛的应用。三层涂层 TiCTiCNTiN涂层为代表。这种涂层的性能较TiCTiN双层涂层及单层的TiC和TiN涂层均优越。瑞典、美国、日本等国著名的硬质合金刀具公司都开发有相应型号的涂层刀具。在TiCTiCNTiN涂层组合中再加入Al2O3层成为更现代化的涂层。如瑞典 SandvikCoromant公司在 CIMT2005上新的 GC2015牌号刀具是具有TiCNTiNA1203，一TiN结构的复合涂层，其中底层的TiCN与基体的结合强度高，并有良好的耐磨性 。TiNA12O3 的多层结构既耐磨又能抑制裂缝的扩展，表面具有较好的化学稳定性，又易于观察刀具的磨损。美国 KennametalHertel公司的 KC9315型刀片上也涂16m厚的厚涂层，这种刀片特别适于加工高强度铸铁 (如球墨铸铁和蠕墨铸铁)，切削速度可达400mmin，并可在干切削和断续切削条件下使用。该刀片涂层总共有三层，一层是 A12O3 ，另一层为TiCN，最后一层为TiN 。3)金刚石薄膜涂层刀具的应用进入规模化 。金刚石涂层硬质合金刀具 的问世是近年来涂层技术的一项重大成就，它是利用化学气相沉积技术在硬质合金基体上生长出一层 由多晶组成的膜状金刚石 ，可成复杂的几何形状。目前采用CVD技术可在硬质合金基体上沉积金刚石TiC、金刚石TiN和金刚石TiC，N)涂层。研究表明，金刚石涂层高的导热系数导致界面温度降低，增加了 TiCTiN涂层硬度，涂层与涂层及基体之间结合强度提高 ，显著改善了TiCTiN涂层的抗磨损性能10。目前，曾成为金刚石薄膜涂层使用难点的金刚石薄膜与硬质合金基体间的附着力问题已经基本解决，金刚石涂层硬质合金刀具及其产业化生产设备和技术已经在国内外市场上出现，金刚石涂层是极具发展前景的新型涂层，近年来 ，美国、日本、瑞典等国家都 已相继推出了CVD金刚石涂层的丝锥、钻头、绞刀、立铣刀和带断屑槽可转位刀片11。实验和统计结果表明，硬质合金金刚石涂层刀具的耐磨性和使用寿命是未涂层刀具的20100倍 ，其切削性能与PCD刀具相当，但制造成本只有 PCD刀具的1814l