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關(guān)于切削刀具涂層應(yīng)用管理論文
1引言
硬質(zhì)膜涂層能減少刀具與工件間的摩擦，降低刀具切削過程中的磨損，顯著提高刀具的使用壽命，因此被廣泛地應(yīng)用于刀具涂層。在傳統(tǒng)涂層的制備中，化學(xué)氣相沉積CVD和物理氣相沉積PVD（蒸鍍、濺射、離子鍍）仍是刀具涂層制備的主要技術(shù)。采用CVD技術(shù)可在硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具表面實現(xiàn)TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等單層及多元多層復(fù)合涂層的沉積；采用PVD涂層技術(shù)可在硬質(zhì)合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉(zhuǎn)位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等表面制備多種涂層。隨著各類高效、高速、高精度數(shù)控機床及加工中心的應(yīng)用、普及以及綠色制造理念的提出，為了滿足各種高硬度、高韌性的難切削加工材料的加工需要，干切削技術(shù)越來越受到人們重視，同時也對刀具涂層技術(shù)及涂層材料提出了更高要求。納米薄膜順應(yīng)了干切削條件下對刀具的新要求，因此納米薄膜及其在干切削刀具中的應(yīng)用成為目前刀具涂層制備及表面工程技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。
2納米薄膜技術(shù)的研究及發(fā)展
隨著納米材料的出現(xiàn)，納米薄膜（涂層）技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展。時至今日，已從單一材料的納米薄膜轉(zhuǎn)向納米復(fù)合薄膜的研究，薄膜的厚度也由數(shù)微米發(fā)展到數(shù)納米的超薄膜。目前已經(jīng)制備的薄膜有Ti（N，C，CN）、（V，Al，Nb）N、Al2O3、SiC及Cu、Ni、Al、Ag、Au、金剛石等。其中TiN、Al2O3、TiC是較典型的超硬膜，其顯微硬度分別為HV1950、HV3000和HV3200，抗磨順序是TiC>TiCN>TiN>Al2O3。這些薄膜在刀具、微機械、微電子領(lǐng)域作為耐磨、耐腐蝕涂層及其它功能涂層獲得重要應(yīng)用。自VeprekS等提出超硬納米復(fù)合膜的概念以來，對納米復(fù)合膜的研究更是引起廣泛的重視。超硬納米復(fù)合膜具有表面減摩、耐磨作用，可以改善摩擦副的運動可靠性和壽命，達到與高合金材料相同甚至更佳的使用效果，實現(xiàn)節(jié)能、節(jié)材及提高效率的目的。納米復(fù)合膜是由兩種不同材料組成，這兩種材料可以是納米晶/納米晶，也可以是納米晶/非晶態(tài)，每種材料的粒子尺寸在3～10nm。在復(fù)合薄膜制備方法中，等離子化學(xué)氣相沉積（PACVD）最早應(yīng)用于制備nc-TiN/Si3N4、nc-TiN-BN和nc-TiAlSiN薄膜。
如VeprekS和ShizhiL等人采用PACVD方法，以SiCl4、SiH、TiCl4、H2為反應(yīng)氣體，在550～600℃的沉積溫度下制備了nc-TiN/α-Si3N4薄膜。但制備過程中反應(yīng)氣會腐蝕膜和設(shè)備，有造成環(huán)境污染甚至火災(zāi)的危險。一般來說，CVD沉積技術(shù)需要溫度達500～600℃以促使納米晶粒的生長，而過高的沉積溫度會造成基材軟化、尺寸精度下降等問題，因此嚴重限制了納米復(fù)合膜的應(yīng)用。研究表明，制備納米復(fù)合膜的關(guān)鍵在于快速形成晶核的同時保證晶粒尺寸的低速增長。因此為保證覆膜后的整體性能不至下降，降低沉積溫度便成為其技術(shù)關(guān)鍵。
目前的實驗表明，磁控濺射技術(shù)是低溫沉積最有效的方法。所以，目前的研究主要集中在用磁控濺射法制備納米復(fù)合膜。如反應(yīng)磁控濺射沉積廣泛應(yīng)用于制備MeC/DLC（類金剛石碳膜），Me為過渡金屬如Ti等。采用這種技術(shù)，其沉積溫度可低于150℃。KarvánkováP等人應(yīng)用不平衡磁控濺射技術(shù)制備ZrN-Ni和CrN-Ni納米復(fù)合膜，基體溫度分別為300℃和200℃；通過制備試驗還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基體溫度高于400℃時，合成膜的硬度會降低。由此可見沉積溫度對納米復(fù)合膜的硬度影響甚大。
MusilJ用直徑100mm平面球形不平衡磁控管，在總壓0.5Pa的Ar和Ar+N2混合氣體中對TiAl合金靶進行濺射，N2分壓連續(xù)變化導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)和顯微硬度明顯變化，獲得的nc-TiAlN/AlN納米復(fù)合膜顯微硬度高達47GPa，且具有高的彈性回復(fù)（74%）。
同時，多種技術(shù)的復(fù)合在納米復(fù)合薄膜制備中也體現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢（如磁控濺射法與脈沖激光技術(shù)的結(jié)合）。VoevodinAA等人采用脈沖激光沉積技術(shù)（PLD）和磁控濺射技術(shù)相結(jié)合分別制備了TiC/DLC、WC/DLC/WS2納米復(fù)合膜。由于采用這種復(fù)合技術(shù)使得沉積時的基體溫度低于100℃，因而該法成為制備W-C-S系列納米復(fù)合膜的主要方法。MengWJ等人采用射頻耦合輔助（ICP）PVD/CVD技術(shù)與反應(yīng)磁控濺射技術(shù)相結(jié)合制備Ti/α-C:H納米復(fù)合膜也取得良好效果。
由于PVD、CVD等方法工藝復(fù)雜，成本昂貴，不宜用于大面積制備納米復(fù)合薄膜，因此近十多年來，國外對電沉積法制備納米晶體材料進行了較多研究，國內(nèi)近幾年也開始了這方面的研究。電沉積法因設(shè)備簡單、工藝成熟、低溫且參數(shù)可控等突出優(yōu)點而逐漸受到重視。電沉積方法經(jīng)歷了直流、脈沖及選擇性噴射電沉積的發(fā)展，目前已能制備出各種厚度的薄膜。已研究的電沉積納米材料有鎳、銅、鈷等，其中鎳及鎳基合金的復(fù)合沉積是最受關(guān)注的，已沉積的材料有Ni-P、Ni-Fe、Ni-Cu、Ni-Mo、Ni-SiC、Ni-Al2O3、Ni-ZrO2等。在基體上電沉積薄金屬層（厚度100μm以下）以改善表面性能是電沉積技術(shù)最廣泛的應(yīng)用。電沉積的納米結(jié)構(gòu)薄層，具有高耐磨、耐蝕性的同時，又具有高的硬度及與基體極好的結(jié)合力，可作為理想的保護性鍍層；所具有的低磨損率和較低的摩擦系數(shù)，可用于要求高耐磨性的同時又要求低摩擦系數(shù)的場合，如刀具材料、汽車發(fā)動機和液壓活塞的表面涂層等。
有報道表明，近年來許多研究者用溶膠－凝膠法制備了納米薄膜。由于溶膠的先驅(qū)體可以提純且其溶膠－凝膠過程在常溫下可液相成膜，所用的設(shè)備簡單，操作方便，具有化學(xué)計量比易控、成份均勻、成膜面積大等優(yōu)點而被廣泛用于薄膜制備。目前已采用該法制備的納米復(fù)合薄膜主要有Co（Fe，Ni，Mn）/SiO2，CdS（ZnS，PbS）/SiO2等。陳元春等就溶膠－凝膠法制備氧化鋁涂層硬質(zhì)合金刀具進行了研究，可獲得單層凝膠膜的厚度在幾百納米以內(nèi)。試驗結(jié)果說明在干切削狀態(tài)下溶膠－凝膠法制得的涂層刀具壽命比未涂層刀具提高一倍左右。
3納米薄膜在干式切削刀具中的應(yīng)用
涂層技術(shù)的發(fā)展是干式切削加工得以推廣應(yīng)用的重要條件之一。在干式切削過程中，具有納米薄膜的刀具涂層可起到明顯作用：①在刀具與被切削材料之間形成隔離層；②通過抑制從切削區(qū)到刀片的熱傳導(dǎo)來降低熱沖擊；③減少摩擦力及摩擦熱。刀具通過涂層處理，可實現(xiàn)固體潤滑，減少摩擦和粘結(jié)，使刀具吸收熱量減少，可承受更高的切削溫度。
目前，采用封閉場非平衡磁控濺射（CFUMS）技術(shù)，可在硬質(zhì)合金刀具和HSS鉆頭上涂覆上B4C/W多層納米涂層。涂層總層數(shù)100層，每層由厚度為13埃的B4C涂層材料及18埃的W涂層材料組成。在105m/min的切削速度下，分別用B4C/W多層納米涂層刀具與未涂層刀具、普通單涂層（TiAlN）刀具、三涂層（TiC/TiCN/TiN及TiC/Al2O3/TiN）刀具對中碳鋼進行了干切削對比試驗。試驗結(jié)果表明，納米涂層刀具的后刀面磨損量比未涂層刀具和常用的TiC/Al2O3/TiN三涂層刀具大大減小。此外，隨著切削時間的延長，納米涂層刀具的切削力與未涂層刀具、TiC/TiCN/TiN三涂層刀具和TiAlN涂層刀具相比也顯著減小。試驗進一步說明了采用封閉場非平衡磁控濺射技術(shù)生產(chǎn)的刀具涂層具有重復(fù)性好、涂層與基體粘結(jié)強度更高、摩擦系數(shù)小等特點，因而在干切削中具有更長的使用壽命。
層狀結(jié)晶的二硫化鉬具有較小的摩擦系數(shù)，是常用的固體潤滑劑。將MoS2與耐熱金屬Mo組合成復(fù)合涂層MoS2/Mo，具有優(yōu)異的減摩耐熱的效果。研究者采用MoS2/Mo雙材料涂層結(jié)構(gòu)在HSS鉆頭表面制備了層厚80埃、總厚度為3.2μm（共400層）的納米涂層。用該涂層鉆頭與未涂層HSS鉆頭進行了TI6Al4V合金工件干切削對比試驗。試驗用鉆頭直徑為φ9.5mm，名義鉆削速度2200rpm。試驗結(jié)果表明，未涂層鉆頭鉆進時，由于鉆削力急劇增大，導(dǎo)致鉆頭卡入工件中；測得多層納米涂層鉆頭鉆進時的鉆削力減小約33%，在相同的鉆削時間內(nèi)能保證正常鉆削，鉆削性能顯著優(yōu)于未涂層鉆頭。說明采用MoS2/Mo雙材料涂層結(jié)構(gòu)的納米涂層刀具是適用于干切削的理想刀具。
此外，刀具表面涂覆納米（Ti50Al45Si5）N、（Ti50Al45Si5）N+（Ti80Al15Si5）N和Ti-B-N四種納米復(fù)合涂層后，對ASTM1043標(biāo)準(zhǔn)鋼工件進行的切削試驗（切削速度為150～310m/min，切深為2mm，進給量為0.219mm/rev）也表明這幾種納米復(fù)合涂層在高速切削測試中具有極其優(yōu)異的耐磨性，可用作干切削刀具的涂層材料。
4展望
目前薄膜技術(shù)發(fā)展迅速，所制備的薄膜越來越薄，晶粒尺寸1納米的薄膜是制備納米超薄膜的研究目標(biāo)；由于單一涂層材料難以滿足提高刀具綜合機械性能的要求，因此為滿足干式切削加工對涂層的要求，出現(xiàn)了多樣化的制備工藝，且朝著多種技術(shù)的復(fù)合、化學(xué)組分的多組元化等方向發(fā)展；涂層工藝溫度將越來越低，刀具涂層工藝將向更合理的方向發(fā)展。無疑，這些薄膜新技術(shù)的研究和開發(fā)，在刀具涂層制備中具有極為廣泛的應(yīng)用前景，但PVD、MTCVD工藝仍為刀具涂層制備的主流技術(shù)。
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