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刀具涂層材料:超硬材料涂層

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1.金剛石、類金剛石(DLC)涂層


金剛石涂層是新型刀具涂層材料之一。它利用低壓化學氣相沉積技術在硬質合金基體上生長出一層由多晶組成的金剛石膜,用其加工硅鋁


合金和銅合金等有色金屬、玻璃纖維等工程材料及硬質合金等材料,刀具壽命是普通硬質合金刀具的50~100倍。金剛石涂層采用了許多金剛石


合成技術,最普通的是熱絲法、微波等離子法和DC等離子噴射法。通過改進涂層方法和涂層的粘結,已生產出金剛石涂層刀具,并在工業上得


到了應用。


類金剛石涂層在對某些材料(Al、Ti及其復合材料)的機械加工方面具有明顯優勢。通過低壓氣相沉積的類金剛石涂層,其微觀結構與天然


金剛石相比仍有較大差異。九十年代,常采用激活氫存在下的低壓氣相沉積DLC,涂層中含有大量氫。含氫過多將降低涂層的結合力和硬度,增


大內應力。DLC中的氫在較高的溫度下會慢慢釋放出來,引起涂層工作不穩定。不含氫的DLC硬度比含氫的DLC高,具有組織均勻、可大面積沉積


、成本低、表面平整等優點,已成為近年來DLC涂層研究的熱點。美國科學家A.A.Voevodin提出沉積超硬DLC涂層的結構設計為Ti-TiC-DLC梯度


轉變涂層,使硬度由較軟的鋼基體逐漸提高到表層超硬的DLC涂層。這類復合涂層既保持了高硬度和低摩擦系數,又降低了脆性,提高了承載力


、結合力及磨損抗力。


經過多年的研究表明:由于類金剛石涂層的內應力高、熱穩定性差及與黑色金屬間的觸媒效應使SP3結構向SP2轉變等缺點,決定了它目前


只能應用于加工有色金屬,因而限制了它在機加工方面的進一步應用。但是近年來的研究表明,以SP2結構為主的類金剛石涂層(也稱為類石墨


涂層)硬度也可達到20~40GPa,卻不存在與黑色金屬起觸媒效應的問題,其摩擦系數很低又有很好的抗濕性,切削時可以用冷卻劑也可用于干


切削,其壽命比無涂層刀有成倍的提高,可以加工鋼鐵材料,因而引起了涂層公司、刀具廠家的極大興趣。假以時日,這種新型的類金剛石涂


層將會在切削領域得到廣泛的應用。


2.立方氮化硼(CBN)涂層


CBN是繼人工合成金剛石之后出現的另一種超硬材料,它除了具有許多與金剛石類似的優異物理、化學特性(如超高硬度,僅次于金剛石,


高耐磨性,低摩擦系數,低熱膨脹系數等)外,同時還具有一些優于金剛石的特性。CBN對于鐵、鋼和氧化環境具有化學惰性,在氧化時形成一


薄層氧化硼,此氧化物為涂層提供了化學穩定性,因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時耐熱性也極為優良,在相當高的切削溫度下也能切削耐熱


鋼、淬火鋼、鈦合金等,并能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對刀具磨損非常嚴重的硅鋁合金等難加工材料。


自1987年成功地制備了出純的CBN涂層以來,在國際上掀起了CBN硬質涂層的研究熱潮。低壓氣相合成CBN涂層的方法主要有CVD和


PVD法。CVD包括化學輸運PCVD,熱絲輔助加熱PCVD,ECR-CVD等;PVD則有反應離子束鍍、活性反應蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。研究


結果表明:在合成CBN相、對硬質合金基體的良好粘結和合適的硬度等方面已取得了進展,目前沉積在硬質合金上的立方氮化硼最大僅為0.2~


0.5μm,若想達到商品化,則必須采用可靠的技術來沉積高純的經濟的CBN涂層,其厚度應在3~5μm,并在實際金屬切削加工中證實其效果。


3.CNx涂層


二十世代八十年代,美國科學家Liu和Cohen設計了類似β-Si3N4新型化合物β-C3N4,采用固體物理和量子化學理論,計算出它的硬度可能


達到金剛石,這引起了世界各國科學家的關注。合成氮化碳成為世界材料科學領域的熱門課題。日本Okayama大學的FFujimoto采用電子束蒸發


離子束輔助沉積法獲得的氮化碳涂層達到63.7Gpa。武漢大學合成的氮化碳硬度分別達到50GPa,并沉積到高速鋼麻花鉆上,獲得非常好的鉆孔


性能。合成氮化碳的主要方法有真流和射頻反應濺射法、激光蒸發和離子束輔助沉積法ECR-CVD法、雙離子束沉積法等。


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