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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(lèi)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(xué)氣相沉積技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上生長(cháng)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(zhì)合金等材料,刀具壽命是普通硬質(zhì)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(shù),最普通的是熱絲法、微波等離子法和DC等離子噴射法。通過(guò)改進(jìn)涂層方法和涂層的粘結,已生產(chǎn)出金剛石涂層刀具,并在工業(yè)上得


        到了應用。


        類(lèi)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(yōu)勢。通過(guò)低壓氣相沉積的類(lèi)金剛石涂層,其微觀(guān)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(guò)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(huì )慢慢釋放出來(lái),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(yōu)點(diǎn),已成為近年來(lái)DLC涂層研究的熱點(diǎn)。美國科學(xué)家A.A.Voevodin提出沉積超硬DLC涂層的結構設計為T(mén)i-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(lèi)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(jīng)過(guò)多年的研究表明:由于類(lèi)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(diǎn),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(jìn)一步應用。但是近年來(lái)的研究表明,以SP2結構為主的類(lèi)金剛石涂層(也稱(chēng)為類(lèi)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(wèn)題,其摩擦系數很低又有很好的抗濕性,切削時(shí)可以用冷卻劑也可用于干


        切削,其壽命比無(wú)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(chǎng)家的極大興趣。假以時(shí)日,這種新型的類(lèi)金剛石涂


        層將會(huì )在切削領(lǐng)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(lèi)似的優(yōu)異物理、化學(xué)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(shí)還具有一些優(yōu)于金剛石的特性。CBN對于鐵、鋼和氧化環(huán)境具有化學(xué)惰性,在氧化時(shí)形成一


        薄層氧化硼,此氧化物為涂層提供了化學(xué)穩定性,因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時(shí)耐熱性也極為優(yōu)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(lái),在國際上掀起了CBN硬質(zhì)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(xué)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(zhì)合金基體的良好粘結和合適的硬度等方面已取得了進(jìn)展,目前沉積在硬質(zhì)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(shù)來(lái)沉積高純的經(jīng)濟的CBN涂層,其厚度應在3~5μm,并在實(shí)際金屬切削加工中證實(shí)其效果。


        3.CNx涂層


        二十世代八十年代,美國科學(xué)家Liu和Cohen設計了類(lèi)似β-Si3N4新型化合物β-C3N4,采用固體物理和量子化學(xué)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(xué)家的關(guān)注。合成氮化碳成為世界材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門(mén)課題。日本Okayama大學(xué)的FFujimoto采用電子束蒸發(fā)


        離子束輔助沉積法獲得的氮化碳涂層達到63.7Gpa。武漢大學(xué)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(fā)和離子束輔助沉積法ECR-CVD法、雙離子束沉積法等。


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