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多弧离子镀技术及其在切削刀具镀膜涂层中的应用

发布时间:2016-12-01
  多弧离子镀制备单层涂层
 
  多弧离子镀制备单层涂层TiN为面心立方结构,呈金黄色,是目前最常用于切削刀具的涂层,其应用的刀具涂层设备也很多,该涂层具有高硬度、高黏着强度、低摩擦系数、抗腐蚀性好等特点。但TiN涂层的抗氧化温度较低,使用温度达500℃时,涂层明显氧化而被烧蚀。多弧离子镀由于具备沉积速率高、结合强度好的突出优势,而成为物理气相沉积TiN涂层的主要方法。
 
  实验采用多弧离子镀涂层工艺,制备了TiN涂层高速钢钻头和TiN涂层硬质合金铣刀,进行了有TiN涂层和无涂层刀具的切削对比试验。结果表明:有TiN涂层的高速钢钻头使用寿命是无涂层钻头的5~7倍,有TiN涂层硬质合金铣刀的使用寿命是无涂层铣刀的3~11倍。
 
  作为TiN硬质薄膜最有前景的替代材料,TiAlN涂层比TiN具有更高的硬度、抗高温氧化性、热疲劳性能、耐蚀性能、膜基结合力和低的表面粗糙度。TiAlN涂层刀具寿命比TiN涂层刀具寿命高3~4倍。TiAlN涂层与TiN涂层主要性能比较如表1所示。TiAlN涂层刀具切削高合金钢、不锈钢、钛合金及Ni基高温合金时,比TiN涂层刀具使用寿命提高3~4倍。另外,在TiAlN涂层中Al浓度较高时,切削过程中表面会生成很薄的非晶态Al2O3惰性保护膜,可更有效地用于高速切削。

表 1 TiAlN 涂层与 TiN 涂层主要性能比较
涂层 性能 硬度 Hv 
氧化温度/ ℃
划痕测试临界 负荷黏附力/N
结构特征 
摩擦性能
TiAlN 涂层   2 720  840
80.3
细柱状面心立 方结构 与钢摩擦 系数0.30
TiN 涂层   1 930  620
60.3
面心立方 结构
与钢摩擦 系数 0.41
 
 
  实验采用多弧离子镀技术在高速钢麻花钻上沉积了TiAlN单层涂层,并将TiAlN涂层高速钢麻花钻对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行了干态钻削试验。结果表明:在高速钢麻花钻基体上所制备的TiAlN涂层具有良好的力学性能,可以使高速钢麻花钻的使用寿命提高4倍以上。
 
  多弧离子镀制备多层涂层
 
  随着高速切削、干式切削等机械加工技术的进步,单层涂层已不能满足对刀具涂层日益苛刻的工作要求。采用形成多层结构的方法,可在充分利用单层涂层原有优良综合力学性能优势的条件下,进一步提高其硬度、韧性和高温抗氧化性能,是目前提高刀具涂层切削性能的重要技术措施。目前研究和应用较多的是双层涂层和3~7层的多层复合涂层。涂层的成分更具有针对性且成分更为复杂化,另外涂层的厚度也趋向纳米化,每一层的成分和厚度都可以根据实际情况来控制。
 
  实验采用多弧离子镀技术在高速钢表面制备TiN/AlN纳米多层涂层,通过对比试验表明,TiN/AlN纳米多层膜涂层刀具比TiN单层涂层刀具具有更长的使用寿命,如表2所示。

表 2 涂层刀具寿命试验结果
试样
切削速度/ (m·min-1)
切削深度/ mm 进给量/ (mm· r-1)  切削时间/ min 磨损情况
TiN 涂层刀具  180 1.0 0.2 3.83 刀尖烧损 
TiN/AlN 涂层刀具  180 1.0 0.2 5.08 刀尖烧损 
 
 
  多弧离子镀制备DLC涂层
 
  DLC(DiamondLikeCarbon,类金刚石)涂层是一种非晶态碳涂层,含有sp2和sp3杂化的碳原子空间网络,具有接近金刚石的高硬度,表面非常平滑,粗糙度可达Ra0.01μm好于金刚石涂层的表面粗糙度(Ra=0.53μm)。DLC涂层摩擦系数低(0.005~0.200),只有钢的1/6~1/12,在切削加工中有自润滑功能,有效地解决了切削加工中切削液带来的污染问题,可减少或免除切削液。因此,DLC涂层以其特有的优势广泛应用于切削工具领域,如钻头、铣刀、硬质合金刀片等。
 
  在真实生产环境中,刀具制备了DLC涂层并对高强度铝合金进行了切削,结果表明类金刚石涂层在干切削中具有良好的抗黏铝性。实验采用真空磁过滤电弧离子镀方法,在基体上制备了DLC涂层,结果表明涂层的粗糙度可达0.015μm,纳米硬度约为55GPa。实验采用真空阴极电弧沉积设备在硬质合金刀片上制备了DLC涂层,用于切削铝青铜和共晶铝硅合金,结果表明DLC涂层刀具使用寿命明显高于未涂层刀具。
 
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