常用涂層材料進展及超硬涂層技術

常用涂層材料進展及超硬涂層技術

硬質涂層材料中,工藝最成熟、應用最廣泛的是TiN。目前,工業發達國家TiN涂層高速鋼刀具的使用率已占高速鋼刀具的50%～70%,有的不可重磨的復雜刀具的使用率已超過90%。由于現代金屬切削對刀具有很高的技術要求,TiN涂層日益不能適應。TiN涂層的耐氧化性較差,使用溫度達500℃時,膜層明顯氧化而被燒蝕,而且它的硬度也滿足不了需要。TiC有較高的顯微硬度,因而該材料的耐磨性能較好。同時它與基體的附著牢固,在制備多層耐磨涂層時,常將TiC作為與基體接觸的底層膜,在涂層刀具中它是十分常用的涂層材料。

TiCN和Ti Al N的開發,又使涂層刀具的性能上了一個臺階。TiCN可降低涂層的內應力,提高涂層的韌性,增加涂層的厚度,阻止裂紋的擴散,減少刀具崩刃。將TiCN設置為涂層刀具的主耐磨層,可顯著提高刀具的壽命。TiAl N化學穩定性好,抗氧化磨損,加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金時,比TiN涂層刀具提高壽命3～4倍。在Ti Al N涂層中如果有較高的Al濃度,在切削時涂層表面會生成一層很薄的非品態Al2O3,形成一層硬質惰性保護膜,該涂層刀具可更有效地用于高速切削加工。摻氧的氮碳化鈦TiCNO具有很高的顯微硬度和化學穩定性,可以產生相當于TiC十Al2O3復合涂層的作用。

目前硬質薄膜材料中,顯微硬度HV能夠超過50GPa的有3種:金剛石薄膜、立方氮化硼cBN、氮化碳。

許多沉積金剛石薄膜的溫度要求為600℃～900℃,因此該技術常用于硬質合金刀具表面沉積金剛石薄膜。金剛石硬質合金刀具的商品化,是近幾年涂層技術的重大成就。

cBN在硬度和導熱率方面僅次于金剛石,熱穩定性極好,在大氣中加熱至1000℃也不發生氧化。cBN對于鐵族金屬具有極為穩定的化學性能,與金剛石不宜加工鋼材不同,它可以廣泛用于鋼鐵制品的精加工、研磨等。cBN涂層除具有優良的耐磨損性能外,還可以在相當高的切削速度下加工耐熱鋼、鈦合金、淬火鋼,能切削高硬度的冷硬軋輥、摻碳淬火材料和對刀具磨損非常嚴重的Si—Al合金等。低壓氣相合成cBN薄膜的方法主要有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。cBN的合成技術,在基礎研究和應用技術方面都還有不少工作要做,包括反應機制和成膜過程、等離子體診斷和質譜分析、最佳工藝條件的確定、高效率設備的開發等。

氮化碳有可能具有達到或超過金剛石的硬度。合成氮化碳的成功,是分子工程學十分杰出的范例。作為超硬材料的氮化碳,預期還有其它許多寶貴的物理化學性質,研究氯化碳成為世界材料科學領域的熱門課題。(中國刀具商務網)