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[资源] 刀具材料表面处理的研究现状

刀具材料表面处理的研究现状

随着高强度钢、高温合金、喷涂材料等难加工金属材料以及非金属材料与复合材料的应用日趋增多,对刀具材料及其表面处理技术提出了更高的要求。于是,人们利用表面处理技术开发出了带涂层刀具和硬表面刀具。常用的表面技术主要有气相沉积、离子注入、渗氮、激光改性和电子束改性等,尤其是几种表面处理技术相结合的复合表面处理技术在刀具材料表面处理中发挥着重要的作用。鉴于此,本文对常用刀具材料表面处理技术的研究现状及其发展趋势进行了回顾、探讨及展望。
1　高速钢刀具表面处理
1.1　高速钢刀具
高速钢是一种加入了较多W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢,其含碳量为0.7%～1.05%(质量分数),具有良好的韧性和成形性,可用于制造几乎所有品种的刀具,如丝锥、麻花钻、齿轮刀具、拉刀、小直径铣刀等。但高速钢只能承受600℃以下的切削温度,切削速度只能达(20～25)m/min,故切削效率不够高,它对淬硬钢和冷硬铸铁的加工也不能胜任,且高速钢还存在耐磨性、耐热性较差等缺陷,已难以满足现代切削加工对刀具材料越来越高的要求。而表面处理高速钢刀具的要求是刃口锋利、表面硬度高、富有韧性、表面处理后变形要小,不再磨刃。另外,还要具有红硬性和耐蚀性能,降低零件加工后的表面粗糙度。
1.2　高速钢刀具等离子体表面处理
早在20世纪60年代末离子镀已开始用于高速钢刀具,它兼具了电镀、蒸发镀和溅射镀的优点,其膜层致密均匀、附着强度高、覆盖能力强、无脆性,处理温度低,特别是可镀难熔金属及其化合物,能成功地沉积多种超硬涂层。当前用的高速钢切削刀具经离子镀氮化钛后,寿命可延长几倍至几十倍,而且加工光洁度较高。
70年代,等离子体渗氮开始应用于高速钢刀具。由于高速钢含碳量高,渗氮时容易形成ε相,所得渗层硬度虽高,但较脆,刀口易崩裂。因此,最好能得到γ’相层或纯扩散层,渗氮层厚度最好控制在(0.02～0.05)mm。当渗氮时间在(10～30)min,温度在(480～500)℃,合理控制炉内气氛和压力的情况下,获得渗层深度在0.03mm左右,硬度在(1130～1200)HV0.1左右的无化合物层,此时高速钢刀具使用效果较好。有的高速钢刀具采用离子硫氮共渗,除了具有渗氮刀具的优点外,更有利于减少与被切削金属的粘结,对切削较高硬度的零件更为有利。例如,枪管深孔钻,不进行离子渗氮或硫氮共渗的高速钢刀具无法钻孔,经硫氮共渗后可加工枪管100多件。表尺板专用铣刀经离子渗氮后,使用寿命比常规处理的提高3倍。
离子注入N、C、B、Ti及Ti+C等可改善材料的摩擦学性能,提高刀具的使用寿命,改进加工质量,有明显的经济效益,目前应用最广泛的是离子注入氮技术,高速钢三角花键插刀经离子注入氮后,加工40Cr钢工件上的键槽,耐用度提高4～9倍,高速钢滚齿刀注氮后,加工45钢齿轮,耐用度提高近2倍。
1.3　高速钢刀具复合表面处理
随着生产率的不断提高,单一表面处理技术越来越难以满足切削刀具的要求,复合表面处理技术开始应用于刀具表面处理。超硬高速钢M42制造的齿轮插齿刀[1],经多弧离子镀TiN,再离子注入N,最后离子注入C,在表面形成一层类金刚石膜,经如此处理的插齿刀,加工由35Cr2Ni4Mo钢制造的硬度为52HRC的齿轮,其耐用度较单纯多弧离子镀TiN的提高6倍以上,已在生产中应用。
Sato等[2]对SKH57高速钢在450℃进行等离子体渗氮30min,获得40μm厚的扩散层(没有形成化合物层),接着在同一反应室中进行TiN涂层。所得涂层与基体的结合强度高于未经渗氮处理的TiN涂层。经过钻削试验证实,等离子体渗氮与TiN涂层复合处理的工具性能显著优于TiAlN涂层工具。
吴大维等[3]采用直流反应磁控溅射和电弧离子镀相结合的方法在W6Mo5Cr4V2高速钢上沉积C3N4-TiO2复合膜,C3N4以α-C3N4和β-C3N4多晶态存在,晶粒细小,复合膜的显微硬度(HK)为(50.5～54.1)GPa,划痕试验测定的薄膜附着力,其临界载荷(40～80)N,超过JB/T8365—1996《渗氮钛涂层高速钢刀具技术规范》的数值。采用经过复合处理的高速钢刀具切削38CrNi3MoVA高强度钢,调质硬度(36～40)HRC,钻孔深度10mm,切削方式为钻盲孔,干切削,钻床转速600r/min,进给量0.13mm/r,切削用量3mm。结果表明,刃口磨损量均为0.3mm时C3N4-TiO2复合涂层麻花钻的钻孔数是未涂层的十多倍,较优质TiN涂层麻花钻也有明显提高。在立式钻床上进行的钻孔寿命试验表明,钻削40Cr钢,调质硬度210HB,试坯尺寸<150mm×45mm,钻孔深度20mm,切削方式为钻盲孔,切削液为乳化液,钻床转速1820r/min,切削速度36.3m/min,进给量0.22mm/min。复合涂层麻花钻的平均寿命是TiN涂层麻花钻的2.7倍,是未涂层麻花钻的67.8倍,C3N4超硬涂层大大提高了未涂层麻花钻的耐用度,与TiN涂层相比,使用寿命也有大幅度的提高。
2　硬质合金刀具表面处理
2.1　硬质合金刀具化学气相沉积
早在1988年日本旭金刚石工业公司就采用电子激活CVD法,在硬质合金刀具上涂覆了(5～50)μm厚的金刚石膜,用这种材料制作的铰刀和钻头,其寿命可提高10倍。1990年维也纳理工大学的Lux等在烧结硬质合金刀具上沉积金刚石膜,发现这种刀具用于切割印刷线路板,其磨损性能几乎与DeBeers公司SYNDITE多晶人造金刚石复合材料一样好。美国Crystallume、NortinDiamondFilm和Kennametal公司,瑞典Sandvik公司、日本三菱金属公司都研制出了金刚石涂层刀具,包括可转位刀具、金刚石涂层麻花钻、立铣刀等。通过最近十多年的应用研究开发,金刚石薄膜(≤20μm)涂层刀具、金刚石厚膜(≥300μm)焊接刀具已进入实用阶段,美国、日本和欧洲一些国家已有产品在市场上出售。国内的一些高等院校、科研院所和刀具生产厂家也正加紧相关的产品开发研究,实现金刚石刀具的产业化已为时不远。
孙方宏等[4]采用电子增强热丝EACVD法,以WC2Co硬质合金刀具为衬底制备金刚石涂层刀具。结果表明,采用Ar2H2微波等离子体刻蚀脱碳预处理方法对于提高金刚石薄膜涂层的附着力有明显效果,添加适量粘结促进剂,可有效地抑制CVD沉积过程中钴向表层扩散引起的催化石墨化作用。采用分步沉积新工艺是减小金刚石薄膜表面粗糙度的有效方法,所制备的高附着力和低粗糙度的金刚石薄膜涂层刀具切削性能明显改善,对实现高效高精度切削加工有十分重要的意义。
2.2　硬质合金刀具物理气相沉积
Prengel等[5]采用高能离子溅射工艺在硬质合金刀具上沉积的PVD2TiAlN涂层,具有致密的微观结构和高的界面结合强度,经过对铸铁和钢等的切削、钻削和铣削试验,发现其性能显著优于传统的气相沉积涂层。研究表明,高能离子溅射TiAlN涂层与离子镀TiN涂层相比具有更好的性能,主要是由于TiAlN涂层材料具有高的固溶强度、高的化学稳定性、抗氧化性以及高的热硬性。
武汉大学物理系采用DC磁控溅射方法制备的C3N4涂层硬质合金刀具[6],通过切削和抗冲击性能试验表明,用C3N4涂层YTl4刀片切削淬硬钢CrMnB(60HRC),切削深度ap=0.1mm,进给量f=0.05mm/r,切削速度v=85m/min,干切削。在后刀面磨损均为VB=0.3mm时,C3N4涂层YTl4刀片的切削时间是未涂层的3倍。用YCl0为基体的C3N4涂层硬质合金刀片车削合金钢花键轴(47～50HRC,齿数z=8),切削用量为ap=0.3mm,f=0.1mm/r,v=80m/min。工件每转1圈,刀尖受冲击8次,在上述切削试验条件下统计,刀尖受l032次冲击后,即告崩损。而采用未涂层的YCl0硬质合金与复合陶瓷刀片,作冲击切削试验,冲击次数达5000～l0000次才告破损。可见,C3N4涂层硬质合金刀具的抗冲击性能尚嫌不足。
2.3　硬质合金刀具溶胶2凝胶涂层
陈元春等[7]将异丙醇铝、去离子水和硝酸按一定比例混合均匀,恒温强力搅拌,获得勃姆石溶胶。用浸渍提拉法对YT15硬质合金进行涂层,将基体全部浸入溶胶,片刻后缓缓提出,使之在基体表面形成一薄层溶胶膜,干燥得到凝胶膜。这一过程可以重复多次,以得到较厚的涂层。涂层后的刀片在1200℃下保温1h,硬质合金刀片表面制得表面完整、结构致密的α-Al2O3陶瓷涂层刀片。且涂层中的α-Al2O3结晶和相转变完全,结晶无明显的择优取向,没有一般CVD和PVD方法中存在的形成柱状晶体组织的问题,溶胶-凝胶法制得的涂层刀具磨损寿命比未涂层刀具提高1倍左右。
2.4　硬质合金刀具电子束辐照处理
电子束照射可以改善材料的表面组织形貌,获得不同于基体的新颖性能。Ivanov等[8]对WC-15TiC-6Co金属陶瓷刀片在低能(20keV～30keV)、高电流(102A/cm2)电子束下辐照2.5μs,使近表面约1μm的表层熔融,在粘结相中形成亚晶粒组织,在近边界区域出现纳米碳化物粒子的析出,而且WC发生了同素异构转变。试验证实,刀片的使用寿命提高了3倍。
2.5　硬质合金刀具复合表面处理
硬质合金刀具经过复合表面处理后,其涂层组织、膜基结合强度、使用性能均显著优于单一表面处理的刀具。Larsson等[9]采用电子束气相沉积和磁控溅射复合技术在WC2Co金属陶瓷基体上沉积的多层TiN/NbN涂层,当其厚度为10μm/5μm时,具有超点阵的组织,此类涂层主要为具有立方NaCl结构、组织致密的柱状晶。
Nordin等[10]采用电子束气相沉积和磁控溅射结合起来的复合技术所制备的多层PVD2TiN/CrN涂层,完全是NaCl立方结构,显微组织致密,涂层与基体的结合强度高。研究还发现,获得高质量的涂层的关键是,不仅沉积过程中需要负偏压,而且沉积层应非常薄,他们所制备的TiN层不超过1μm,CrN层不超过5μm,这样有利于阻止立方NaCl相成长时转化为新相,如六角的β2Cr2N和金属Cr。
Perry等[11]采用脉冲强电子束对硬质合金刀具上的PVD-TiN涂层进行快速热处理,虽然由于冷却过程中热收缩不同产生大量裂纹,但是消除了原子水平缺陷、空位、位错以及残余应力,涂层下基体未发生变化。钢的车削试验表明采用试验范围内的最低能量3J/cm2进行的电子束后处理的涂层硬质合金刀具,能显著减小后刀面磨损。
通过离子注入后处理可以提高TiN涂层工具的寿命,但是其机理还不清楚。Perry等[12～16]以不同的剂量和加速能量对在硬质合金上的CVD2TiN涂层进行N、Ni2Ti和Y离子注入。结果表明,离子注入使注入区TiN的粒子直径减小,但是没有非晶化现象。高的注入剂量会形成氮气泡,进而导致软化和表面分离。没有证据证明残余应力的变化或涂层与基体之间的结合强度对磨损性能有贡献。他们认为离子注入后摩擦减小或许由于注入机中大量的扩散泵油中的碳进入TiN表面。Perry等的研究结果证实,离子注入后材料残余应力和应变的分布变化很大,超出了注入区,在注入影响区产生了密集的位错网络,应力曲线延伸到涂层2.6μm深处,在0.2GPa拉应力～-2GPa压应力之间,宽的应力分布是由于高的位错密度或晶粒细化。在高剂量和能量注入Y的试样中,残余应力为很高的压应力(-4GPa～-6GPa),由于高度无序而具有很高的应变。此外,位错密度引起的材料硬化,在这一区域下面形成一个拉应力。在高剂量和能量条件下,高的压应力和高的位错密度是由于过量注入引起的晶格机械破坏。随着离子动量的提高,位错密度提高,残余应力变为压应力,这一结果符合分子动力学计算。
文献[17]对WC2Co金属陶瓷进行ArF和CO2激光辐照后,Co从基体中去除,并使基体表面粗糙,为沉积金刚石薄膜准备合适的物理表面和良好的化学相容性,可得到很好的膜的组织及结合强度。
3　金属陶瓷刀具表面处理
3.1　金属陶瓷刀具
金属陶瓷是由至少一种金属相和至少一种通常为陶瓷性质的非金属相组成的烧结复合材料。如Ni、Co粘结的TiC和TiN基复合材料均为金属陶瓷。金属陶瓷由于高的硬度和稳定的相组织,以及优异的抗蠕变性能和抗磨损性能,主要应用于切削刀具、拉丝模、耐磨零件和矿用工具等。
3.2　金属陶瓷刀具化学气相沉积
Suzuki等[18]采用CVD法在1200℃对WC26%Co金属陶瓷刀片进行沉积,获得(3～4)μm的TiC涂层。分析发现,在涂层与WC2Co界面周围形成了Co6W6C,其上面是(50～100)nm的TiC薄膜,在薄膜中还探测到有W原子存在。
3.3　金属陶瓷刀具渗氮处理
初步研究表明,金属陶瓷烧结后进行渗氮处理,可在表面形成一定厚度的渗氮层[19～21],而且表面区域晶粒明显细化,表面硬度和耐磨性大幅度提高,高温下抗塑性变形能力明显增强。
20世纪90年代中期,Tsuda等[22]将TiCN-40WC-10Co-5Ni素坯在含氮气的烧结气氛下进行原位烧结表面改性,材料表面形成了一层极薄的、由WC和金属粘结相组成的表层,虽然材料内部含有大量的WC,而次表层几乎不含WC。表面硬度高达2200HV,并且从表面到距表面20μm的表层硬度大于2000HV,高于具有组织均匀的金属陶瓷的最大硬度(1800HV)。在距表面50μm的范围内,从表面向材料内部,金属粘结相的含量显著下降,在近表面区域几乎不含粘结相,并且,随着粘结相含量的降低,残余应力升高,在距表面20μm处,残余应力高达0.8GPa。通过切削试验表明,原位表面改性金属陶瓷的韧性和抗磨损性能远远高于传统金属陶瓷,稍低于具有相同基体的多层TiC/TiCN/TiN/Al2O3涂层金属陶瓷。最新研究表明[11],原位表面改性的金属陶瓷的使用寿命是相同成分的传统烧结金属陶瓷的10倍。
Konyashin等[23]开发了TiCN-Ni-Mo和TiCN-WC-Ni-Mo金属陶瓷在含氧氮气中进行渗氮的新技术。该技术与传统的渗氮处理技术相比,可以缩短渗氮时间,加速表面渗氮层形成的进程,大幅度提高金属陶瓷工具的寿命。他们将金属陶瓷在含有一定量氧气的氮气混合气体中进行渗氮处理,氧气量通过改变混合气体的流量来控制。经过渗氮处理使金属陶瓷表面形成了厚度大于20μm、富含TiN的表层,其维氏硬度接近TiN的硬度,在硬化层下面的硬度低于材料内部的硬度。硬化层中几乎不含Ni基粘结相,富含Ti;而硬化层下面的软化层却富含Ni和Mo及少量的Ti基硬质相。通过对碳钢的精加工试验,发现经过渗氮处理的刀具的使用寿命比未经渗氮处理的刀具的使用寿命提高了1.5～2.5倍,而横向断裂强度和韧性没有下降。
4　陶瓷刀具表面处理
与金属陶瓷相比,陶瓷材料具有更高的硬度、红硬性和耐磨性。因此,加工钢材时陶瓷刀具的耐用度为金属陶瓷刀具的10～20倍,其红硬性比金属陶瓷高2～6倍,且化学稳定性、抗氧化能力等均优于金属陶瓷。陶瓷刀具由于具有很高的室温与高温硬度,优良的化学稳定性等特点,在强度和韧性达到一定要求后,特别适合进行耐磨铸铁、合金钢与淬火钢的高速切削,同时也常应用于超高强度钢、镍基合金与镍基喷涂材料等难加工材料的切削加工。陶瓷材料的缺点是脆性大、横向断裂强度低以及承受冲击载荷能力差,这也是近几十年来人们不断对其进行改进的重点。由于有些陶瓷与金刚石的热膨胀系数相差不大,具有较好的相容性和较高的粘结强度,在具有较高韧性的陶瓷基体上沉积金刚石薄膜,可以获得很好的切削性能。
DeBeers公司新开发的金刚石薄膜刀具牌号为CVDITE[24],它的制造方法是用CVD法将金刚石沉积到专用的碳化硅基体上,这种基体韧性极好,且与金刚石薄膜的相容性较好,粘结强度较高。该刀具对Al-18%Si合金棒材进行车削试验(v=1500m/min,f=0.1mm/rev,ap=0.25mm,加冷却液)结果表明,切削10min,金刚石薄膜没有出现任何磨耗或剥离等形式的刀具损坏现象。显然,在较低的切削速度下,刀具寿命可望延长。
湖南大学杨巧勤[25]等采用热丝CVD法在氮化硅刀具上沉积120μm厚的金刚石膜,经内应力消除处理、机械研磨和抛光,制成超精加工刀具。用它在武汉复印光电导材料厂车削复印硒鼓(铝合金),结果表明,被加工的表面不平度<0.1μm,粗糙度达到了Ra0.04μm,加工光洁度和刀具寿命达到了单晶金刚石刀具的水平,实现以车代磨,直接加工成镜面。
5　刀具材料表面处理发展趋势
单一的表面处理技术和单一的表面涂层越来越难以满足高速、精密和超精密切削等先进切削加工技术对高性能刀具提出的要求,多涂层及复合表面处理技术在刀具材料表面处理方面表现出极大的优越性。
从技术上讲,制备由上百层每层厚度为(50～1000)nm组成的多层涂层,在PVD工艺中容易实现。单层厚度为(20～50)nm时,这种涂层的耐磨性最佳。目前,TiN/TiCN、TiC/TiCN/TiN、TiN/ZrN等多层涂层通过PVD工艺已在硬质合金刀具和部分高速钢刀具涂层中加以应用,使用寿命比单一的TiN2PVD涂层提高1倍以上。TiAlN/Al2O3多层PVD涂层已在实验室中研究成功,已可制备有400层(总厚度5μm)的多层涂层硬质合金刀具,这种刀具的涂层硬度达4000HV,其切削性能优于TiC/Al2O3/TiN涂层刀具。可以预期,进一步研究表面工艺技术,扩大多种多层涂层在不同刀具上的应用,必将取得更大的技术经济效益。
刀具材料表面处理开始采用复合表面处理技术,实现成分、组织结构的梯度过渡,获得性能更好的涂层组织,更高界面结合强度,在此基础上,进一步减少操作环节,降低成本。复合表面处理技术不仅适用于高速钢刀具、金属陶瓷刀具的表面强化,而且由于预处理或后处理使涂层与基体的结合强度更高、涂层材料的组织性能更好。复合表面处理刀具已开始由实验室研究进入工业应用,随着复合处理研究的不断深入,基体、膜及其配合不断优化、发展,复合处理在刀具中的应用效果将更佳,应用领域将会进一步扩大。

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