快捷搜索:

刀具表面改性应用技术概述hga025手机版:

来源:http://www.workrewired.com 作者:机械设备 人气:144 发布时间:2020-03-24
摘要:随着制造技术全球化发展趋势,特别是以高、精、尖的精加工设备为主流,所以对制造业带来巨大的挑战,而刀具在制造加工中起到关键性的作用。但是中国刀具技术的发展现状不容乐

随着制造技术全球化发展趋势,特别是以高、精、尖的精加工设备为主流,所以对制造业带来巨大的挑战,而刀具在制造加工中起到关键性的作用。但是中国刀具技术的发展现状不容乐观,中国市场需要大量的高性能的刀具。特别是通用机械制造领域,离不开刀具加工。尤其是在汽车制造、飞机制造中应用比例较高,其中汽车工业是消耗机床刀具的大户,占全球总刀具消费量的一半以上。

1 引言

目前刀具表面强化是提高刀具性能的重要技术,主要有表面涂层、离子渗氮、阳极氧化和气相沉积等。新型刀具开发的方向应是更耐热,导热更好,更耐磨,韧性也更高。而单一的刀具表面强化处理方式已不能满足其性能要求,因此,一些新的表面强化技术得以发展,被开始广泛应用于刀具研究领域制造,以适应发展的要求。

随着汽车、航空和航天技术的飞速发展,对材料的性能及加工技术要求日益提高。新型材料,如碳纤维增强塑料、颗粒增强金属基复合材料(PRMMC)及陶瓷材料得到广泛应用。这些材料具有强度高、耐磨性好、热膨胀系数小等特性,这决定了它在机加工时刀具的寿命非常短。开发新型耐磨且稳定的超硬切削刀具是许多高校和科研院所研究的课题。

1 、传统刀具表面改性的方法

金刚石集力学、光学、热学、声学和光学等众多的优异性能于一身,具有极高的硬度、摩擦系数小、导热性高、热膨胀系数和化学惰性低,是制造刀具的理想材料。近年来发展了一些加工方法,本文对当前金刚石刀具的制造方法作了一概述。

1.1 热喷涂

2 金刚石刀具的应用

热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态,并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。使普通材料达到防腐、耐磨、抗高温、抗氧化、隔热等多种功能,并起到节约材料、提高能源的效果。

金刚石优异性能决定了它在机加工中的广泛应用。

近年来对超音速喷涂技术的研究也迅速增多,并取得了很大成果。王海军[1]等人采用超音速等离子喷涂技术制备了在 Al——10Si 合金基体上的纯 Mo 和 Mo+ 30%的涂

加工难加工的有色金属

层,用随机配置的能量色散谱仪分析涂层成分,并利用GENESIS 型 X 射线衍射仪分析涂层的相结构。通过对涂层微观组织、显微硬度、结合强度和环块滑动摩擦磨损等试验表明,Mo+30%的涂层综合性能优于纯 Mo 涂层,涂层中的 Ni——Cr 固溶体对涂层具有固溶强化作用及铬的硼化物( Cr2B) 、碳化物( Cr3C2) 等硬质相的弥散强化,提高了涂层的硬度,起到了耐磨支撑作用。

在加工铜、锌、铝等有色金属及其合金时,这些材料粘附刀具,不宜加工。利用金刚石的摩擦系数低、与有色金属亲和力小而制成的金刚石刀具可防止金属与刀具粘结在一起。由于金刚石的弹性模量大,在切削时刃部变形小,对所切削的有色金属挤压变形小,使切削过程在小变形下完成,可以提高切削的表面质量。

类晶材料是近几年发展的一种新型的热喷涂复合材料,已在汽车、冶金行业得到广泛的应用。林惠令[2]等人在第七届国际热喷涂研讨会上综述了钛酸钾晶须复合材料在热喷涂技术中的应用,酸钾晶须复合材料是世界上新一代高性能复合材料,是一种细小纤维状的亚纳米级材料,具有十分优良的力学性能和物理性能: 高强度、耐磨损、高模量、耐高温、隔热、高电器绝缘及优异的红外反射性能。

加工难加工的非金属材料

1.2 阳极电镀处理

加工含有大量高硬度质点的难加工非金属材料,如玻璃纤维增强塑料、填硅材料、硬质碳纤维/环氧树脂复合材料时,材料的硬质点使刀具的磨损严重,用硬质合金刀具难以加工,而金刚石刀具的硬度高、耐磨性好,因此加工效率高。

阳极电镀是一种化学电镀表面覆盖处理的方法,可以改变产品的外观,改善表面颜色和纹理结构。最常见的是对钛和铝进行阳极电镀表面处理。使用不同的电压,可以产生不同的颜色( 高电压=深颜色,低电压=浅颜色) 。

超精密加工

自电力工程开始使用瓷绝缘子以来,电瓷工业的发展极为迅速,电瓷成形刀具亦愈来愈受到重视。为此,从1937 年始,开展了在电瓷成形刀具上电镀碳化硼粉的研究工作,研究表明通过电镀的方法可以在极性材料上镀上具有高耐磨性的非极性材料,提高了成形刀具使用寿命,并在其他相对滑动磨损较大的场合,也可以采用这种方法提高其耐磨性。

随着现代集成技术的问世,机加工向高精度方向发展,对刀具性能提出了相当高的要求。由于金刚石摩擦系数小、热膨胀系数低、导热率高,能切下极薄的切屑,切屑容易流出,与其它物质的亲和力小,不易产生积屑瘤,发热量小,导热率高,可以避免热量对刀刃和工件的影响,因此刀刃不易钝化,切削变形小,可以获得较高质量的表面。

近几十年发展起来的脉冲电镀 Ni——Co 合金技术有了较大发展,合金镀层具有良好的物理、化学和机械性能。宫晓静[3]等在高频( 20 —— 40 kHz) 下,采用脉冲电镀法在

3 金刚石刀具的制造方法

1Cr18Ni9Ti 不锈钢上制备了镍钴合金,结果表明高频脉冲镀 Ni——Co 合金的显微硬度均比直流镀层高; 镀层的显微硬度随着硫酸钴浓度的增加而提高; 直流脉冲制得的镀层在不同温度热处理时有最大值; 脉冲频率与镀层的致密性有着紧密关系,随着频率的增加而变得致密。

目前金刚石的主要加工方法有以下四种:薄膜涂层刀具、厚膜金刚石焊接刀具、金刚石烧结体刀具和单晶金刚石刀具。

1.3 气相沉积

薄膜涂层刀具

a) 化学气相沉积( CVD)

薄膜涂层刀具是在刚性及高温特性好的集体材料上通过化学气相沉积法(CVD)沉积金刚石薄膜制成的刀具。由于SiN4系陶瓷、WC+Co系硬质合金以及金属W的热膨胀系与金刚石接近,制膜时产生的热应力小,因此可作为刀体的基体材料。WC+Co系硬质合金中,粘结相Co的存在易使金刚石薄膜与基体之间形成石墨而降低附着强度,在沉积前需进行预处理以消除Co的影响(一般通过酸腐蚀去Co)。

化学气相沉积( chemical vapor deposition,CVD) 是利用气态物质在固体表面进行化学反应,生成固态沉积物的过程。美国在 CVD 法提高金属线或金属板的耐热性与耐

化学气相沉积法是采用一定的方法把含有C源的气体激活,在极低的气体压强下,使碳原子在一定区域沉积下来,碳原子在凝聚、沉积过程中形成金刚石相。目前用于沉积金刚石的CVD法主要包括:微波、热灯丝、直流电弧喷射法等。

磨损性方面进行了深入的研究,20 世纪 60 年代后,CVD法应用于宇航工业的特殊复合材料、原子反应堆材料、刀具、耐热耐腐蚀涂层、半导体工业等领域。

金刚石薄膜的优点是可应用于各种几何形状复杂的刀具,如带有切屑的刀片、端铣刀、铰刀及钻头;可以用来切削许多非金属材料,切削时切削力小、变形小、工作平稳、磨损慢、工件不易变形,适用于工件材质好、公差小的精加工。主要缺点是金刚石薄膜与基体的粘接力较差,金刚石薄膜刀具不具有重磨性。

采用化学气相沉积硬质合金刀具,提高了刀具的使用寿命和生产效率。在硬质合金衬底上涂覆的金刚石薄膜可制成涂层刀具,涂层拉丝膜、涂层喷嘴和其他涂层零部件,涂层的物理和化学性能都能达到或非常接近天然金刚石的水平。且 CVD 涂层刀具的抗冲击性能优于 PCD 刀具,适用于非铁材料的粗加工和半精加工,其刀具寿命比硬质合金刀具提高 3 —— 10 倍,被加工工件越硬,刀具使用寿命越长。化学气相沉积技术主要应用于硬质合金类刀具的表面涂层,这种涂层刀具主要适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工中。

金刚石厚膜焊接刀具

采用不同的预处理方式浸蚀 YG6 硬质合金基体表面,随后在热丝化学气相沉积装置上沉积了金刚石薄膜。结果表明,硬质合金基体表明粗糙,金刚石薄膜形核密度高,结晶品质好,金刚石涂层与硬质合金基体结合良好。

金刚石厚膜焊接刀具的制作过程一般包括:大面积的金刚石膜的制备;将金刚石膜切成刀具需要的形状尺寸;金刚石厚膜与刀具基体材料的焊接;金刚石厚膜刀具切削刃的研磨与抛光。

采用偏压增强热丝化学气相沉积法,以硼酸三甲酯为掺杂源,以 WC——Co 硬质合金刀具为衬底,制备了不同掺硼浓度的金刚石薄膜涂层刀具,分析了硼元素对薄膜质量和刀具性能的影响。结果表明: 硼掺杂可以有效抑制刀具表明钴的扩散,改变金刚石薄膜的成分,随着掺硼浓度的增加,金刚石薄膜的晶粒变小。通过对碳化硅颗粒增强铝基复合材料的切削加工实验表明,在适当的掺硼浓度下金刚石薄膜涂层刀具的切削性能得到显著的改善。

金刚石厚膜的制备与切割

采用辅助加热 PVCD 装置对直齿铣刀进行涂敷氮化钛处理。试验结果表明: 高速钢基体上沉积的TiN 膜与基体结合良好,PCVD——TiN 膜显微硬度可以达到2 000HV,未经涂镀的铣刀刃角磨损很大,经过涂镀后的铣刀刃磨较均匀,镀膜处理后铣刀的使用寿命是不镀膜铣刀的 2.5 倍,大大提高了刀具的使用寿命。

常用的制备金刚石厚膜的工艺方法是直流等离子体射流CVD法。将金刚石沉积到WC+Co合金(表面进行镜面加工)上,在基体的冷却过程中,金刚石膜自动脱落。此方法沉积速度快(最高可达930m/h),晶格之间结合比较紧密,但是生长表面比较粗糙。金刚石膜硬度高、耐磨、不导电决定了它的切割方法是激光切割(切割可在空气、氧气和氩气的环境中进行)。采用激光切割不仅能将金刚石厚膜切割成所需要的形状和尺寸,还可以切出刀具的后角,具有切缝窄、高效等优点。

b) 物理气相沉积( PVD)

金刚石厚膜刀具的焊接

物理气相沉积是利用电弧、高频电场或等离子体等高温热源将原料加热至高温,使其气化或者形成等离子体,然后通过骤冷,使之凝聚成各种形态的材料( 如晶须、薄膜、晶粒等) 。其原理一般基于纯粹的物理效应,但有时也与化学反应相关联。

金刚石与一般的金属及其合金之间具有很高的界面能,致使金刚石不能被一般的低熔点合金所浸润,可焊性极差。目前主要通过在铜银合金焊料中添加强碳化物形成元素或通过对金刚石表面进行金属化处理来提高金刚石与金属之间的可焊性。

与化学气相沉积相比,物理气相沉积具有镀膜材料广泛,镀料汽化方式不受温度的限制,沉积粒子能量可以调节反应活性高,可沉积各种类型薄膜,无污染,有利于环境保护等优点。

活性钎料法

最早利用 TIC 和 TIN 2 种材料进行物理气相沉积的刀具,具有抗磨料磨损能力强,有高的抗刀面磨损和抗月牙洼磨损的能力,适于加工钢材或切削易于粘在前刀面上的材料,

焊料一般用含Ti的铜银合金,不加助熔剂在惰性气体或真空中焊接。常用的钎料成分Ag=68.8wt%,Cu=26.

采用物 理 气 相 沉 积 技 术 在 硬 质 合 金 刀 具 上 作 的TiALN 涂层刀具,由于 TiALN 具有很高的高温硬度和抗氧化能力,故刀具能抗 900℃高温,同时在高速加工时,涂层表面会产生非晶态的 Al2O3薄膜,对涂层起到了保护的作用。Balzers 公 司 试 验 的 AlCrN 涂层刀具硬度可达3 200 HV,当温度达到 1 000 ℃ 时,刀具能保持原有的硬度,同时这层涂层还能保护刀具基体不氧化; 在 AlCrN 涂层的基础上,又推出 TiAlN+AlCrN 基的涂层刀具,赋予刀具良好的红硬性和抗高温氧化的能力。

在刀具传统表面改性的方法中,常用化学气相沉积法( CVD) 和物理气相沉积法( PVD) 为主,虽然这 2 种方法在生产实践中已日渐成熟,但仍存在一些不足,其中较突

出的问题是刀具的表面涂层与基体间的界面结合强度较低,涂层易剥落,因此涂层不能做得太厚,以免使涂层刀具使用寿命的提高受到限制,切削中一旦涂层被磨掉,刀具就会迅速磨损。此外,涂层刀具基本上不具备重磨性,这将限制其在粗加工和大型加工设备中的应用。

蔡志海等[7]利用多弧离子镀技术在 YT14 硬质合金刀具上 制 备 了 CrTiAlN 复 合 涂 层,对不同偏压条件下CrTiAlN 复合膜的表面形貌、硬度、结合性能进行了系统研究,试验表明: CrTiAlN 复合涂层的主要成分为 Cr、Ti、Al、N、O,相组成为 Cr、CrN、Cr2N 和 TiN 晶体相与 AlN 非晶相。在干式切削条件下,不同涂层刀具的切削寿命的排序依次为 CrTiAlN>TiAlN>TiN 未涂层。

2 、新型刀具表面改性的方法

2.1 离子注入技术

离子注入法是指在离子注入机中把离子加速成具有几万到几十万( 甚至几百万) 电子伏能量的束流,注入到固体材料的表层内,获得高硬度( 2 000 —— 4 000 HV) 的硬

本文由hga025手机版发布于机械设备,转载请注明出处:刀具表面改性应用技术概述hga025手机版:

关键词:

最火资讯