基于渗硼过渡层的高速钢 CVD 金刚石涂层刀具制备基础研究.doc

基于渗硼过渡层的高速钢 CVD 金刚石涂层刀具制备基础研究 中图分 类号 : TB43, TG714 论 文编 号 : 1028705 13-S038 学科分 类号 :080201硕士学位论文基于 渗硼 过渡层的 高速钢 CVD 金刚石涂层刀具 制备基础 研究研究生姓 名 王浩学科、专 业 机械制造 及其自 动化研究方向 CVD 金 刚石指导教师 卢文壮 教授南 京航空 航天 大学 研究生院 机电 学院 二 一三年 一 月中图分 类号 : TB43, TG714 论 文编 号 : 1028705 13-S038 学科分 类号 :080201硕士学位论文基于 渗硼 过渡层的 高速钢 CVD 金刚石涂层刀具 制备基础 研究 (国家自然科学基金资助项目 No.51075211 、51275230 教育部博士点基金资助项目 No.208 )研究生姓 名 王浩学科、专 业 机械制造 及其自 动化研究方向 CVD 金 刚石指导教师 卢文壮 教授南 京航空 航天 大学 研究生院 机电 学院 二 一三年 一 月 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Mechanical & Electrical EngineeringBasic Research of CVD Diamond Coated High Speed Steel Tool Using Borided Transition Interlayer Supported by the National Natural Science Foundation of China No.51075211 、51275230 and Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China No.208A Thesis in Mechanical Manufacture and Automationby Wang Hao Advised by Prof. Lu WenzhuangSubmitted in Partial Fulfillmentof the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringJanuary, 2013承诺书本 人 声 明 所 呈 交 的 硕士 学 位 论 文 是 本 人 在 导 师 指 导 下 进行的研究 工作及 取得的研 究成果 。 除了 文中特 别 加以标注 和致谢的地方 外, 论 文中不包 含其他 人已经发 表或撰 写过的研 究成果, 也 不包含 为 获得南京 航空航 天大学或 其他教 育机构的 学位或证书而 使用过 的材料。 本 人 授 权 南 京 航 空 航 天 大 学 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 , 可以 采用影 印 、 缩印 或扫描等复制手 段保存 、汇编学 位论文 。 (保密的 学位论 文在解密 后适用 本承诺书 )作者签名 : 日 期:南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 高速钢 是目 前应 用最 广泛 的刀具 材料 之一 , 主要 用 于制造 复杂 形状 刀具 ( 如 铣刀 、 钻 头等 )和成形 刀具 (如 滚刀 、 拉 刀等) 。 金 刚石 涂层 能有 效 提高刀 具的 切削 性能 和使 用寿命 , 然 而由 于高速钢 中 的 Fe 具有高的 溶 碳性、 催生 石墨 相和 高的 热膨胀 系数 , 直 接在 高速 钢上沉 积金 刚石 涂层非常 困难 。 对 高速 钢表 面改性 形成 一层 过渡 层, 是一种 降 低 Fe 对金刚石 沉 积不利 影响 的有 效方法。 本文 通过 渗硼 处理 在高速 钢基 体表 面形 成改 性层, 研究 基于 渗硼 过渡 层的高 速 钢 CVD金刚石 涂层 刀具 制备 技术 。本文 的主 要研 究工 作和 取得的 成果 如下 : 1. 开 展了 高速 钢 CVD 金 刚石涂 层热 应力 研究 ,研 究了沉 积温 度、 冷却 速度 、涂层 厚度 以及渗硼 层厚 度 对 CVD 金 刚 石涂层 热应 力的 影响 。 结 果显示 较低 的沉 积温 度、 较小的 冷却 速度 、较大的 涂层 厚度 和较 小的 渗硼层 厚度 有利 于 CVD 金 刚石涂 层应 力降 低。 2. 采 用渗 硼表 面改 性的 方 法 在高 速钢 上制 备了 一层 Fe-B 化合物 的过 渡层 ,检 测结果 表明过渡层 主要 含 FeB 与 Fe B , 渗硼过 渡层 能够 有效 抑 制 Fe 对金刚石生 长的 不利 影 响。 采 用 HFCVD2在渗硼 高速 钢上 制备 了 CVD 金 刚石 涂层 , 研究 了沉 积 温度 、 甲 烷浓 度、 气压 和渗 硼温度 对 CVD金刚石 涂层 的影 响。 获得 了膜基 结合 性能 较好 的工 艺参数 , 为 高速 钢 CVD 金刚石 涂层 铣刀 的制备奠 定了 基础 。 3. 制 备了 高速 钢 CVD 金 刚石涂 层铣 刀, 并通 过切 削 实验初 步验 证了 高速 钢 CVD 金 刚石 涂层铣刀 可用 于切 削高 硅铝 合金。关键词: 金 刚石 涂层 ,渗 硼过渡 层, 高速 钢, 铣刀 I 基于渗 硼过 渡层 的高 速 钢 CVD 金刚 石涂 层刀 具制 备 基础研 究 Abstract High speed steel is one of the most widely used tool materials, mainly used in the manufacture of complex shaped tools such as a milling cutter, drilling bit etc. and forming tools such as a hobbing cutter, broach etc. However the Fe dissolves carbon in a high level, creates graphite intensively and has a high coefficient of thermal expansion, the Fe in high speed steel HSS has many disadvantage for deposition of chemical vapour deposition CVD diamond. It is very difficult to deposite CVD diamond on a HSS directly. The surface modification to form a transition layer is an effective method to reduce the negative effects of Fe during diamond deposition. The thesis is focused on the boriding treatment to the high speed steel surface and CVD diamond coating deposition technology on the modified high speed steel tool. The main research work and achievements are as follows: 1.The thermal stress in CVD diamond coating on high speed steel was studied. The relationship between the deposition temperature, cooling rate, the thickness of the coating, borided interlayer and the thermal stress in CVD diamond coating was studied. It shows that low deposition temperature, small cooling rate, thick coating and thin borided interlayer are good for decreasing the stress in CVD diamond coating2. A borided transition interlayer of Fe-B compound with FeB and Fe B was prepared. The CVD 2diamond deposition experiment results show the borided transition interlayer can reduce the adverse effects of Fe on the growth of diamond. The influences of different deposition temperatures, methane concentrations, pressures, borided temperatures on CVD diamond coating deposited on the borided high speed steel surface using HFCVD method was investigated. Better deposition parameters for depositing CVD diamond coating with good adhesion stress between the coating and HSS substrate are obtained, which provides a technology to deposite CVD diamond coating on high speed steel milling cutter3. CVD diamond coated high speed steel milling cutters were produced. The cutting experiment proves that diamond coated high speed steel can be used for machining of high silicon aluminum alloy Keywords: Diamond coating, borided transition interlayer, high speed steel, milling cutter II 南京航空航天大学硕士学位论文 目 录第一章 绪论. 1 1.1 切 削加 工技 术与 刀具 的 发展1 1.1.1 切削 加工 技术 的发 展1 1.1.2 刀具 的发 展 2 1.2 高 速钢 涂层 刀具 的发 展. 4 1.2.1 高速 钢刀 具涂 层的 分 类. 4 1.2.2 高速 钢刀 具的 涂层 制 备技术5 1.3 金 刚石 涂层 刀具. 6 1.3.1 金刚 石涂 层 6 1.3.2 金刚 石涂 层刀 具的 发 展. 7 1.3.3 高速 钢金 刚石 涂层 刀 具的发 展. 8 1.3.4 过渡 层的 发展8 1.4 研 究的 意义 和内 容. 11 第二章 高 速钢 金刚 石涂 层 热应力 研究. 12 2.1 引言. 12 2.2 金 刚石 涂层 中的 残余 应 力. 12 2.3 热 应力 的计 算理 论. 13 2.3.1 有限 元计 算理 论13 2.3.2 三种 基本 传热 方式. 13 2.3.3 金刚 石涂 层热 应力 计 算14 2.4 热 应力 有限 元分 析. 16 2.4.1 模型 建立. 16 2.4.2 沉积 温度 对热 应力 的 影响. 19 2.4.3 冷却 速度 对热 应力 的 影响. 21 2.4.4 金刚 石涂 层厚 度对 热 应力的 影响. 22 2.4.5 渗硼 层厚 度对 热应 力 的影响 24 2.5 小结. 25 第三章 高 速钢 基体 预处 理 研究. 26 III 基于渗 硼过 渡层 的高 速 钢 CVD 金刚 石涂 层刀 具制 备 基础研 究 3.1 引言. 26 3.2 基 体预 处理 的方 法. 26 3.3 高 速钢 基体 渗硼 工艺 26 3.3.1 实验 方法27 3.3.2 渗硼 层的 检测 和分 析 28 3.4 渗 硼过 渡层 上制 备的 金 刚石涂 层. 30 3.5 小结. 33 第四章 高 速钢 基体 金刚 石 涂层 制 备工 艺 34 4.1 引言. 34 4.2 HFCVD 金刚 石的 形核 和生长 34 4.3 金 刚石 涂层 制备 实验 35 4.3.1 实验 材料 与设 备35 4.3.2 基体 表面 预处 理36 4.3.3 热丝 的选 择和 预处 理 37 4.3.4 实验 步骤 和流 程37 4.4 实 验结 果与 分析37 4.4.1 沉积 温度 的影 响37 4.4.2 甲烷 浓度 的影 响42 4.4.3 沉积 气压 的影 响45 4.4.4 渗硼 工艺 的影 响49 4.5 小结. 52 第五章 高 速钢 金刚 石涂 层 立铣刀 制备 及切 削实 验54 5.1 引言. 54 5.2 高 速钢 立铣 刀的 渗硼 预 处理 54 5.3 金 刚石 涂层 铣刀 制备 54 5.3.1 试件 的安 装. 54 5.3.2 金刚 石涂 层刀 具制 备 参数. 55 5.3.3 金刚 石涂 层铣 刀55 5.4 切 削实 验研 究 57 5.4.1 硅铝 合金 概况 57 5.4.2 金刚 石涂 层刀 具加 工 硅铝合 金57 5.4.3 实验 参数58 IV 南京航空航天大学硕士学位论文 5.4.4 结果 与讨 论. 58 5.5 小结. 61 第六章 总 结与 展望62 6.1 总结 62 6.2 展望 62 参考文 献64 致 谢69 在学期 间的 研究 成果 及发 表的学 术论 文70 V 基于渗 硼过 渡层 的高 速 钢 CVD 金刚 石涂 层刀 具制 备 基础研 究 图表清单 图 1.1 金刚 石晶 体结 构.6 3图 1.2 金 刚石 的 sp 杂 化轨 道.6 图 2.1 高速 钢基 体三 维模 型.17 图 2.2 1PLANE13 单元 结构17 图 2.3 网格 划分18 图 2.4 有限 元模 型计 算结 果.19 图 2.5 不同 沉积 温度 的径 向应力 云图20 图 2.6 不同 沉积 温度 的轴 向应力 云图20 图 2.7 不同 沉积 温度 的周 向应力 云图20 图 2.8 不同 沉积 温度 对热 应力的 影响 规律 曲线.21 图 2.9 不同 换热 系数 的径 向应力 云图21 图 2.10 不 同换 热系 数的 轴 向应力 云图.21 图 2.11 不 同换 热系 数的 周 向应力 云图.22 图 2.12 不 同换 热系 数对 热 应力的 影响 规律 曲线22 图 2.13 不 同涂 层厚 度的 径 向应力 云图.23 图 2.14 不 同涂 层厚 度的 轴 向应力 云图.23 图 2.15 不 同涂 层厚 度的 周 向应力 云图.23 图 2.16 不 同涂 层厚 度对 热 应力的 影响 规律 曲线24 图 2.17 不 同渗 硼层 厚度 的 径向应 力云 图24 图 2.18 不 同渗 硼 层 厚度 的 轴向应 力云 图24 图 2.19 不 同渗 硼层 厚度 的 周向应 力云 图25 图 2.20 不 同渗 硼层 厚度 对 热应力 的影 响规 律曲 线.25 图 3.1 箱式 电阻 炉.27 图 3.2 GEN II 超声槽.28 图 3.3 高 速钢 表面 XRD 分析.28 图 3.4 高速 钢表 面 SEM 照片29 图 3.5 高速 钢断面 金相 图.29 图3.6 金 刚石 涂层 高速 钢 表面 XRD 分析.30 图 3.7 金刚 石涂 层高 速钢 断面31 VI 南京航空航天大学硕士学位论文 图 3.8 金刚 石涂 层能 谱分 析.32 图 3.9 渗硼 层能 谱分 析32 图 3.10 基 体能 谱分 析.32 图 4.1 设备 原理 图.34 图 4.2 HFCVD 金 刚石 涂层 沉积原 理35 图 4.3 EACVD 设备.36 图 4.4 实验 流程 图.37 图 4.5 不同 沉积 温度 下金 刚石涂 层表 面形 貌39 图 4.6 不同 沉积 温度 下金 刚石涂 层的 拉曼 光谱.40 图 4.7 不同 沉积 温度 对金 刚石涂 层残 余应 力的 影响40 图 4.8 不同 沉积 温度 下金 刚石膜 压痕 形貌.41 图 4.9 不同 甲烷 浓度 下金 刚石涂 层表 面形 貌43 图 4.10 不 同甲 烷浓 度下 金 刚石涂 层的 拉曼 光谱44 图 4.11 不 同甲 烷浓 度对 金 刚石涂 层残 余应 力的 影 响.44 图 4.12 不 同甲 烷浓 度下 金 刚石膜 压痕 形貌.45 图 4.13 不 同气 压下 金刚 石 涂层形 貌.47 图 4.14 不 同气 压下 金刚 石 涂层的 拉曼 光谱.47 图 4.15 不 同气 压对 金刚 石 涂层残 余应 力的 影响48 图 4.16 不 同气 压下 金刚 石 涂层压 痕形 貌49 图 4.17 不 同渗 硼温 度下 金 刚石涂 层表 面形 貌.50 图 4.18 不 同渗 硼温 度下 金 刚石涂 层的 拉曼 光谱51 图 4.19 不 同渗 硼温 度对 金 刚石涂 层残 余应 力的 影响.51 图 4.20 不 同渗 硼温 度下 金 刚石膜 压痕 形貌.52 图 5.1 未渗 硼与 渗硼 高速 钢铣刀.54 图 5.2 铣刀 的安 装方 式55 图 5.3 高速 钢金 刚石 涂层 铣刀照 片.55 图 5.4 未渗 硼、 渗 硼以 及高 速钢金 刚石 涂层 铣刀 刀刃 SEM 照片.56 图 5.5 涂层 铣刀 刃口.56 图 5.6 涂层 铣刀 表面 金刚 石膜形 貌.57 图 5.7 未磨 损铣 刀表 面58 图 5.8 涂层 铣刀 侧刃 后刀 面磨损.59 图 5.9 涂层 铣刀 底刃 前刀 面磨损.59 VII 基于渗 硼过 渡层 的高 速 钢 CVD 金刚 石涂 层刀 具制 备 基础研 究 图 5.10 涂 层铣 刀底 刃后 刀 面磨损60 图 5.11 粗 糙度 测试 仪.60 图 5.12 涂 层与 未涂 层铣 刀 加工后 工件 表面 粗糙 比较.61表 2.1 材料 性能 参数.17 表 3.1 M2 高 速钢 显微 硬度 分析.30 表 3.2 元素 原子 数含 量33 表4.1 沉积 工艺 参数 1.38 表4.2 沉积 工艺 参数 2.42 表4.3 沉积 工艺 参数 3.46 表4.4 沉积 工艺 参数 4.49 VIII 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表AISI 美国钢 铁学 会标 准 PVD 物理气 相沉 积 ASP23 铬钼钒 粉末 钢 q 热流密 度 a 切深 Ra 表面粗 糙度 ea 切宽 Raman 拉曼 peat% 原子数 百分 含量 R 等效结 点载 荷 TB 几何矩 阵 S 换热系数 CBN 立方氮 化硼 SCCM 标况立 方厘 米每 分钟 CVD 化学气 相沉 积 SEM 扫描电 子显 微镜 D 物体刚 度 T 热力学 温度 EACVD 电子辅 助化 学气 相沉 积 T 室温 0EDS 能谱仪 T 沉积温 度 DE 金刚石 杨氏 模量 v 切削速 度 f cf 进给 v 金刚石 泊松 比 z fHFCVD 热丝法 化学 气相 沉积 XRD X 射 线衍 射仪 HRC 洛氏硬 度 热膨胀 系数 HSS 高速钢 金刚石 热膨 胀系 数 fHV 维氏硬 度 Fe B 热膨 胀系 数 s 2K 开尔文 T 温差 M2 W Mo Cr V v 拉曼峰 偏移 量 6 5 4 2MQL 最小量 润滑 本征应 力 IntrinsicPCBD 聚晶立 方氮 化硼 残余应 力 ResidualPCVD 物理与 化学 气相 沉积 热应力 ThermalIX 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 切削加工 技术与 刀具的发 展 在机械 制造 业中 , 虽然 已 发展出 各种 不同 的零 件成 型工艺 , 但目 前仍 有 90% 以上的 机械 零件是通 过机 械加 工制 成的 。 切削 加工 技术 是机 械制 造中最 基本 的技 术之 一, 在工业 生产 中占 有1-2重要地 位 。 切削加工 的 目的是 去除 被加 工对 象上 多余的 材料 , 得 到形 状 、 精度和 表面 质量 都符合要 求的 产品 。 作为 制 造技术 的一 个基 础工 艺 , 切削加 工 在 20 世纪 末获 得 了飞快 地发 展 , 进入了新 的发 展阶 段。 作为 制造业 中的 重要 部门 ,航 空航天 工业 、汽 车工 业和 电子工 业等 部门 都把切削 加工 作为 主要 的加 工技术 ,这 也是 这些 工业 部门能 够飞 速发 展的 重要 原因。 在制 造业 发达的德 国、 日本 、美 国等 国家, 切削 加工 的发 展一 直十分 迅速 。 随着化 学工 业、 航天 航空 工业、 电子 工业 、核 工业 等工业 的发 展, 材料 的要 求越来 越高 ,不断有 各种 新的 工程 材料 产生。 而这 些材 料一 般具 有以下 特性 :1 高强 度;2 高硬 度;3 高韧 性和 高塑 性;4 高脆 性和 低塑 性; 5 低的 导热 性;6 具有 微观 的硬 夹杂 物; 7 非常 活泼 的化 学性 质。材料的 这些 特性 使加 工过 程中的 切削 力迅 速增 大, 刀具的 耐用 度下 降, 并造 成已加 工表 面的质量 恶化 ,最 终使 加工 效率和 质量 降低 。为 了应 对这些 特殊 材料 的特 点, 高生产 率和 高质 量成为了 现代 加工 追求 的两 大目标 。 1.1.1 切削加工技术的发展 当前切 削加 工技 术发 展的 趋势主 要有 以下 几个 方面 : 1 干式 切削 加工 技术 : 干 式切削 加工 技术 是在 没有 冷却或 使用 少许 润滑 油、 剂的情 况下 ,3采用较 高的 切削 速度 进行 切削的 方法 。干 式切 削 分为下 面两 种, 一种 是完 全不使 用切 削液 的切削; 另一 种是 用气 体混 合了微 量润 滑剂 来代 替切 削液的 切削 , 即 最小 量润 滑Minimal Quantity 4Lubrication ,MQL 技术 。 2 低温 切削 加工 技术 :低 温切削 加工 技术 是使 用液 态二氧 化碳 、液 态氮 和冷 风等喷 向切削区域 ,使 切削 区域 处于 局部低 温或 超低 温, 利用 工件的 低温 脆性 ,提 高工 件的加 工性 能、 表 1 基于渗 硼过 渡层 的高 速 钢 CVD 金刚 石涂 层刀 具制 备 基础研 究 5面质量 和刀 具寿 命 。 6 3 高速 加工 技术 :高 速加工 技术 是指 采用 高主 轴转速 、 高 进给 率、 小切 深的加 工技 术 。发达国 家对 高速 加工 的研 究起步 早。 处于 领先 地位 的国家 有美 国、 日本 和德 国等国 家。 逐渐 发展出现 了超 高速 钻、 车、 铣床等 高速 加工 机床 。 4 超精 密加 工技 术: 超 精密 加工技 术是 指工 件表 面的 粗糙 度 Ra 小于 0.025?m , 尺寸 精 度 7高于 0.1?m , 以 及机 床的 定 位和重 复精 度高 于 0.01?m 的亚微 米加 工技 术, 并正 向 纳米级 发展 。 5 硬切 削Hard turning 技 术: 硬 切削 技术 是对 硬度 高于 42HRC 的 金属 材料 直 接进行 加工8-9的先进 切削 加工 技术 。 用这种 新的 工艺 可以 加工 淬硬钢 、 粉 末 冶 金等特 殊 材料。 硬切 削已 经可以代 替磨 削加 工应 用于 表面粗 糙度 要求 较高 的镜 面等加 工当 中。 1.1.2 刀具的发展 在切削 加工 工艺 系统 中, 刀具是 最活 跃的 因素 。从 切削加 工的 发展 趋势 可以 看出, 制约 切削加工 发展 的一 个关 键因 素就是 刀具 。传 统的 刀具 已经越 来越 不能 满足 切削 加工的 要求 了, 必须开发 出新 型的 刀具 才能 适应这 些要 求。 开发 新型 的刀具 就要 从以 下几 个方 面来展 开: 1 新型 刀具 材料 研究 刀具材料是切削加工中的重要因素。刀具材料的发展有以下两大趋势: 一是硬质合金刀 具的应用 范围 不断 扩大 ,梯 度结构 硬质 合金 、金 属陶 瓷以及 由高 速钢 与 硬 质合 金两种 粉末 混合 而成的材 料将 逐步 取代 一部 分的高 速钢 刀具 ,包 括丝 锥、钻 头和 立铣 刀等 为代 表的简 单刀 具和 齿轮滚刀 、拉 刀等 为代 表的 复杂刀 具, 提高 切削 速度 。二是 超硬 刀具 材料 的使 用将明 显增 加。 超硬刀具 主要 包 括 CBN 刀 具 和金刚 石刀 具 。 现 在,PCBN 刀 具切 削硬 质钢 , 已 成 为磨削 工艺 的一10种真正 的替 代手 段, 其比 磨削工 艺具 有降 低成 本和 保护环 境的 双重 效益 。 金刚石 具有 极高 的硬度和 耐磨 性。 在加 工高 硬度材 料时 ,金 刚石 刀具 的耐用 度是 硬质 合金 刀具 的几十 到几 百倍 。切削刃 可以 磨得 很锋 利, 可以精 密和 超精 密加 工有 色金属 ,加 工后 材料 表面 的粗糙度 Ra 可达110.010.1m 。 2 涂层 技术 的开 发应 用 涂层刀 具是 在强 度和 韧性 较好的 硬质 合金 或高 速钢 (也可 涂覆 在陶 瓷、 金刚 石和立 方氮 化硼等超 硬材 料上 )基 体表 面上, 利用 气相 沉积 等方 法制备 单层 或多 层难 熔的 金属或 非金 属的 化合物。 涂层 作为 一个 化学 和热的 屏障 ,减 少了 刀具 与工件 间的 化学 反应 和扩 散,从 而减 少了 月牙槽磨 损。 涂层材 料主 要是 由较 高硬 度和耐 磨性 的化 合物 组成 ,常用 的材 料有 氮化 物、 碳化物 、碳 氮12化物、 硼化 物、 氧化 物、 金刚石 、硅 化物 及复 合涂 层这八 大类 数十 个品 种 。 近年来 , 涂层 技术 的发 展 十分迅 速 。 在 涂层 材料 上 , 从 最早 的 TiN 涂 层起 已 开发出 TiCN 、13TiAlN 、Al O 、CrN 、C N 、ZrN 等硬 涂层 以及 超 硬的涂 层材 料如 金刚 石 和 CBN 涂层 等, 以2 3 3 42 南京航空航天大学硕士学位论文 及 MoS 、WS 等 软的 涂层 材料来 满足 各种 切削 的要 求。作 为现 代刀 具标 志的 涂层刀 具, 它在2 2刀具中 所占 的比 例已 经超 过了 50% 。 随着 涂层 技术 的进一 步发 展, 有望 突 破 CBN 涂层 技术 ,使 CBN 材 料的 优良 性能 在 更多的 刀具 中得 到广 泛应 用,甚 至是 成形 刀具 和精 密复杂 刀具 ,这将提高 黑色 金属 的加 工水 平。另 外, 纳米 级的 超薄 涂层以 及氮 化碳 等新 型涂 层的开 发和 运用 的14速度会 加快 ,涂 层 将 会是 改善刀 具性 能的 主要 途径 。 当前, 刀具 涂层 技术 的发 展主要 有三 种方 式: 1 涂层 的个 性化 和多 元化。 相比上 世 纪 90 年代, 进入 21 世 纪以 后, 涂 层技 术已 发生 了 很 大变化 , 从单 一的 TiN 发 展到现 在的 数十 种涂 层, 针对各 种加 工条 件 , 可以 选择不 同的 涂层 结15构和成 分 , 采 用合 适的 工 艺, 得到 理想 的加 工效 果 。 比如 在齿 轮的 加工 过程 中, 除了 对刀 具的使用 寿命 有严 格要 求外 ,齿轮 的表 面质 量与 精度 同样很 重要 ,所 以目 前通 常采用 硬涂 层+ 软涂层的 复合 膜层 。 2 干式 切削 涂层 技术 的发 展 。 在 干式 切削 中 , 影 响涂 层 刀具使 用寿 命的 一个 重要 因素是 温 度,因 此如 何提 高涂 层的 高温性 能已 经成 为近 几年 涂层技 术的 开发 热点 。从 近期的 发展 来看 ,涂层公 司已 通过 相关 技术 解决了 干式 切削 加工 中的 问题, 例如 瑞士 Balzers 公 司的 AlCrN 涂层、德国 CemeCon 的 TINALOX 涂 层和 瑞士 Sulzer Metaplas 的 AlTiN-Saturn 涂层都 具有优 良高 温性16能,已 成功 应用 于干 式切 削加工 当中 。 3 涂层 组织 结构 的改 善。 目 前在 PVD 市场 中几 乎所 有 的公司 ,都 试图 通过 工艺 的调整 和 硬件的 开发 来改 善涂 层的 组织结 构, 避免 柱状 晶和 液滴的 产生 。随 着纳 米概 念的出 现, 涂层 组织发生 了根 本的 改善 ,涂 层表面 的粗 糙 度 Ra 值已 经 小于 0.15m ,综合 性能 较 高,并 被广 泛应用。 3 多功 能及 专用 刀具 的应 用 复杂的 零件 要求 能进 行多 工序的 集中 加工 ,并 逐渐 淡化传 统的 镗、 铣、 车等 工艺的 界限 。因此开 发多 功能 刀具 和专 用刀具 是当 前加 快产 品开 发、提 高机 床效 率的 有效 途径。 要求 一把 刀具能完 成一 个零 件上 不同 工序的 加工 ,减 少换 刀的 时间和 次数 ,从 而减 少刀 具的数 量, 降低 管理的成 本。 比较 常见 的有 镗铣刀 、钻 铣刀 、钻- 铣- 螺纹- 倒角等多 功能 刀具 。同 时,在 大批 量生产上, 使用 针对 某种 特殊 工艺需 求开 发的 专用 刀具 可以提 高加 工精 度和 效 率 ,降低 成本 。某 些14专用刀 具可 以将 零件 的加 工时间 降低 到原 来 的 1/10 ,效果 明显 。综 上所 述: 随着 技术 的发展 ,切 削加 工所 面对 的挑战 将越 来越 高。 随着 难切削 加工 的材 料使用越 来越 广泛 ,很 多发 达国家 都在 研究 新的 刀具 材料、 涂层 技术 、刀 具结 构以及 加工 工艺 ,希望达 到高 速高 效切 削。 国内外 的研 究显 示, 只占 制造成 本 2.15%4% 的刀 具费用 会直 接影 响到占制 造成 本 38% 的 人工 费用 和 20% 的机 床费 用。 因此, 每提 高 15%20% 的 切削和 进给 速度可降 低 10%15% 的制 造成 本。 这 说明 虽然 使用 好的 刀具会 增加 一定 的刀 具费 用, 但 整体 效率 的提高会 使人 工费 用和 机床 费用大 大降 低, 从而 使制 造总成 本降 低。 3 基于渗 硼过 渡层 的高 速 钢 CVD 金刚 石涂 层刀 具制 备 基础研 究 因此, 为了 实现 现代 切削 加工的 要求 ,就 必须 要有 适合切 削的 刀具 技术 来支 持。目 前适 合现代切 削加 工的 刀具 材料 主要有 金属 陶瓷 材料 、聚 晶立方 氮化 硼、 聚晶 金刚 石、涂 层材 料等 ,特别是 聚晶 立方 氮化 硼刀 具、聚 晶金 刚石 刀具 和涂 层材料 刀具 的发 展和 应用 ,极大 地推 动了 现代切削 加工 的发 展。 1.2 高速钢涂 层刀具 的发展高速 钢是 一种 加入 了 较多的 钨 、铬 、钒 、铝 等 合金元 素的 高合 金工 具钢 ,有 良好 的综 合性能,它 的强 度和 韧性 是现 有刀具 材料 中比 较高 的。 高速钢 的制 造工 艺简 单, 价格便 宜, 容易 刃磨出锋 利的 切削 刃, 锻造 和热处 理的 变形 小。 目前 在复杂 刀具 ,如 麻花 钻、 拉刀、 丝锥 、成 形17刀具和 齿轮 刀具 的制 造中 , 占 有主 要地 位 。 但是 随着材 料科 学的 迅速 发展 , 陶 瓷 、 高 硅铝 合金、钛 合金 及各 种复 合增 强材料 等具 有高 耐磨 、高 强度的 难加 工材 料的 相继 出现, 这些 难加 工材料在 汽车 、造 船、 航空 和航天 等高 科技 产业 中被 广泛使 用, 同时 也对 加工 这些材 料的 切削 工具提出 了越 来越 高的 要求 ,以高 速钢 为主 体的 传统 刀具面 临着 严峻 的挑 战。 刀具质 量的 优劣 将18直 接 影 机 械 工 业 及 相 关 行 业 的 生 存 与 发 展 。 普 通 高 速 工 具 钢 已 不 能 胜 任 这 些 材 料 的 机 械 加工,迫 切需 要一 种耐 磨性 更好、 寿命 更长 ,能 稳定 实现精 确、 高效 、长 时间 机械切 削这 些难 加工材料 的刀 具。 对刀具 进行 涂层 处理 是提 高刀具 性能 的一 个重 要途 径。它 是在 韧性 较好 的刀 具基体 材料 上涂覆一 层或 多层 耐磨 性高 的高硬 度材 料, 使刀 具既 具有良 好的 韧性 ,又 具有 很高的 表面 硬度 和耐磨性 。涂 层刀 具是 刀具 发展上 的一 个重 大突 破, 它具有 良好 的切 削加 工性 能,而 且涂 层材 料作为热 屏障 和化 学屏 障减 小了月 牙洼 磨损 ,耐 磨性 更好。 相比 未涂 层刀 具, 涂层刀 具加 工精 度提高0.51 级, 刀具 消耗 费 降低20%50% , 切削 速度 提高25%70% , 耐磨 性提 高210 倍 ,使 用19寿命更 是延 长35 倍 。 1.2.1 高速钢刀具涂层的分类 高 速 钢 刀具 涂 层主 要 分为单 层 和 复合 涂 层。 常 用的单 层 材 料主 要 有碳 化 钛和氮 化 钛 。TiC的硬度很 高(可 达HV3200 左右) , 耐磨性 好,可 以用 在容易产 生剧烈 磨损 的加 工环境中 ;但 氮化钛性 脆, 膜层 内部 的内 聚 力相对 较低 , 并 且在300 下就会 开始 分解 。 TiN 的 硬 度可达HV2000 ,相当于HRC8085 ,虽比TiC 低,但氮化钛的化学稳定性好,与金属的 亲和力小,润滑性好 ,在 空 气中 抗 氧化 性能 比TiC 好 , 切削 时 可大 大减 少 刀具 的 磨损 , 防止 黏结 , 并且 涂 层颜 色 为金黄色、 外观 较好 , 因 而TiN 是 一种比 较理 想的 涂层 材料 。 例如, 某机 械厂 在6050.510和4839.58高速钢 材料 的花 键滚 刀上 制备TiN 涂层 后, 相比 未涂 的滚刀 耐用 度提 高了5到7 倍。 使用 了TiN 涂层 后 的高 速 钢拉 刀 比未 涂层 拉 刀耐 用 度提 高 了5 到10倍 , 并且 加 工的 孔的 表 面粗 糙 度有 大 幅减小。成 都工 具研 究所 对涂 层高速 钢刀 具进 行了 切削 实验, 结果 表明 涂层 刀比 未涂层 刀的 寿命 提4 南京航空航天大学硕士学位论文 高了3 到5倍 。因 此涂 层刀 具不仅 仅可 以用 在连 续加 工的刀 具上 ,也 适用 于插 齿刀和 铣刀 等断 续加 工的 刀具 上。 但TiN 涂层 刀具 不适 合用 来加 工钛合 金, 否则 涂层 会与 钛合金 材料 产生 反应 ,影响使 用效 果。 复合涂 层是 刀具 涂层 发展 的一种 趋势 ,根 据两 种不 同的工 艺对 复合 涂层 的贡 献可分 为两 类19: 一类指两 种不 同工 艺 技术相 互补 充 , 其 最终 性 能是两 种工 艺共 同作 用的 结果 ; 另 一类 指一种工艺 增强 和补 充另 一种 工艺, 前者 作为 前处 理或 预处理 ,最 终性 能主 要取 决于后 一类 工艺 。20-23它的优 点主 要在 于 :1 通过 对刀 具的 基体 进行 预处理 以提 高基 体对 涂层 的支撑 能力 , 这 是为了防 止在 切削 载荷 的作 用下基 体发 生塑 性变 形而 导致涂 层失 效 ;2 利 用多 种处理 技术 或涂 层复合产 生协 同效 应, 在刀 具表面 获得 性 能 较好 的复 合涂层 。 24肖继明 等用 闭合 场非 平 衡磁控 溅射 离子 镀工 艺在 高速钢 材料 的麻 花钻 上成 功地沉 积了Cr-Al-Ti-N 梯度涂层 。 在 干 式切削 的条 件下 , 钻 削45# 钢,D406 钢和30CrMnSiA 钢时, 钻头 的磨损性能 显著 改善 ,产 生崩 刃破损 和积 屑瘤 的现 象减 少,钻 头的 平均 寿命 比未 沉积涂 层时 分别 提高了7.2倍,11.8倍和5倍。 除了上 述涂 层以 外, 适用 于高速 钢的 涂层 还有TiAlN 、TiCN 涂层 等。 近年 来国 内外对 在高速钢材 料上 制备 金刚 石涂 层有了 较大 的研 究。 1.2.2 高速钢刀具的涂层制备技术 目前制备涂层 的 方法 主要 有化学 气相 沉积CVD 、 物 理气相 沉积PVD 、 等 离子 体化学 气相沉积PCVD 、 盐浴 浸镀 、 等离子 喷涂 、 化 学涂 敷及 热解沉 积涂 层等 , 其 中以CVD