硬质合金涂层刀具研究进展_张文毓
CVD金刚石涂层硬质合金刀具研究进展
CVD金刚石涂层硬质合金刀具研究进展发布时间：2021-05-31T13:48:15.743Z 来源：《基层建设》2021年第3期作者：王冲[导读] 摘要：CVD金刚石涂层硬质合金刀具使用金刚石作为刀具制作的重要原料，是提高刀具使用效率和使用质量的重要方法，通过对CVD金刚石涂层硬质合金刀具的研究发现，当前限制这种刀具推广的问题为应用金刚石涂层粘合性较差，金刚石成分与刀具表层贴合度较低的情况。
河冶住商工模具有限公司河北石家庄 050000摘要：CVD金刚石涂层硬质合金刀具使用金刚石作为刀具制作的重要原料，是提高刀具使用效率和使用质量的重要方法，通过对CVD 金刚石涂层硬质合金刀具的研究发现，当前限制这种刀具推广的问题为应用金刚石涂层粘合性较差，金刚石成分与刀具表层贴合度较低的情况。
本文对CVD金刚石涂层硬质合金刀具使用中存在的问题及相应的解决方式进行总结，希望通过对刀具的合理使用来提高CVD金刚石涂层硬质合金刀具的使用范围和使用能力。
关键词：刀具应用；技术应用创新；刀具粗糙程度随着近年来工业应用发展对金属合金材料的刀具的质量要求越来越高，使用硬质合金材料进行刀具建设工作能够有效提高刀具使用效率。
金刚石材料具有硬度高、传导热量的速度快、产生的摩擦性较低，且耐热性能好的特点，能够更好的适应现代工业刀具使用的各项要求。
CVD金刚石是一种化学气相沉积所形成的材料，使用CVD金刚石进行刀具表层的建设能够更好的增强刀具的硬度，改变刀具建设的复杂程序，通过将CVD与各种复杂形状的刀具进行组合，有效的简化刀具制作步骤，降低建设成本。
一、CVD金刚石涂层硬质合金刀具的应用分析CVD金刚石涂层硬质合金刀具利用化学气相沉积的原理，将刀具表层与CVD金刚石进行融合，通过将CVD气相沉积于刀具表面的方式增强刀具的硬度和切割精确度，提高合金刀具原有的使用性能。
CVD金刚石的合金与刀具之间粘合能力较差，不利于硬质合金刀具的顺利制作。
梯度硬质合金金刚石涂层刀具的切削性能研究
梯度硬质合金金刚石涂层刀具的切削性能研究1. 引言- 研究目的- 研究背景- 研究意义2. 实验方法- 实验样本制备- 实验装置介绍- 切削试验参数设置3. 实验结果分析- 切削力分析- 表面质量分析- 切削温度分析- 刀具磨损分析4. 结果讨论- 实验结果分析及比较- 合金材料/涂层对切削性能的影响- 实验结论及局限性分析5. 总结与展望- 研究总结- 研究展望- 应用前景和推广价值注：此为提纲，可根据具体情况进行修改完善。
1. 引言：随着现代制造业的发展，对金属材料加工的需求也越来越大。
在这一背景下，硬质合金金刚石涂层刀具逐渐成为了一种高效且经济实用的刀具，得到了广泛的应用。
这种刀具在切削加工的过程中表现出了良好的耐磨性、高速度、高效率的优点，有效地提高了制造成本的竞争能力。
本研究旨在探究梯度硬质合金金刚石涂层刀具的切削性能，为该领域的进一步研究和实际应用提供理论和实践基础。
1.1 研究目的随着制造业的快速发展，对金属材料加工的追求也时刻不停止。
硬质合金金刚石涂层刀具在加工效率、生产质量等方面优势明显，然而在刀具性能的实际应用中，仍然存在一些困难。
因此，本研究的目的是通过实验分析，探究梯度硬质合金金刚石涂层刀具的切削性能，期望为实际应用提供理论基础和技术支持。
1.2 研究背景刀具的发展与人类生产实践的历史特别长，现代技术的飞速发展，特别是先进材料的广泛应用，为刀具的发展历程注入了更为深刻和持久的动力。
当前，被广泛认识和采用的数种刀具有：高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、多边形刀具、CBN刀具等。
在这一系列刀具中，硬质合金金刚石涂层刀具是一种技术含量高、制造技术难度大的新型刀具。
其优点在于具有高硬度、高韧性、优良的耐磨性和热稳定性，而梯度硬质合金金刚石涂层刀具是在普通硬质合金刀具上进行硬质金刚石涂层化学镀覆的改进，可以根据工艺要求制作出表面具有梯度硬度的刀具。
在获得这种切削刀具类上的成功之后，尤其是在高速切削和干切削中，在模具切削加工领域中有着广泛的应用，因此也受到越来越多研究者的关注。
涂层梯度硬质合金的研究进展
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张 武 装 等 ： 层 梯 度 硬 质 合 金 的 研 究 进 展 涂
涂层 梯 度 硬 质 合 金 的研 究 进 展
张武 装 ， 咏 ， 刘 贺跃 辉 ， 伯 云 黄
（ 中南 大 学 粉 末 冶金 国家重 点实 验室 ， 湖南 长沙 ４ ０ ８ ） １ ０ ３
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超细晶粒硬质合金在刀具材料中的研究进展
超细晶粒硬质合金在刀具材料中的研究进展摘要：基于Gurland的WC-Co合金强度-钴相平均自由程关系模型，开发了超细晶硬质合金。
本文详细探讨了超细晶粒硬质合金刀具材料的研究进展。
关键词：超细晶粒硬质合金；刀具材料；研究进展超细晶粒硬质合金能满足现代加工工业和特殊应用领域对新材料性能的更高要求，极大地促进了硬质合金及其应用领域的技术进步与产业发展水平。
因此，开发高性能超细晶粒硬质合金仍是硬质合金刀具材料研究的热点。
一、超细晶粒硬质合金概述超细晶粒硬质合金是相对细晶粒及亚微细晶粒硬质合金而言，其晶粒尺寸在0.5微米以下。
超细晶粒硬质合金与普通硬质合金在硬度相同的条件下，强度较高；强度相同情况下，硬度较高。
其机理是因粒子变小、WC与WC间的钴会变薄，从而抵抗塑性变形的抗弯强度增加。
二、超细晶粒硬质合金的制备工艺现状1、棒料的成型工艺。
整体硬质合金立铣刀的制造需用超细晶粒硬质合金棒料作为原料,因此超细晶粒硬质合金棒料综合力学性能的提高对立铣刀刀具材料的切削性能具有重要作用。
随着科技的发展,硬质合金棒材的需求量越来越大,成型技术由冷等静压、模压等传统工艺发展到更为现代、经济的挤压成型工艺,质量越来越好,品种越来越多，性能越来越高。
2、超细晶粒硬质合金的烧结工艺1)烧结工艺方法。
烧结是粉料生产致密材料的一个重要过程,经烧结能使材料具有确定的结构和既定的性能。
超细晶粒WC-Co基硬质合金烧结的一个问题是控制晶粒长大并达到完全致密化,因此应尽量降低烧结温度和缩短烧结时间。
可通过添加晶粒长大抑制剂、改变WC-Co内外受热方式和缩短烧结时间、保温时间等因素,降低WC晶粒长大的时间和速度,从而生产出超细晶粒的硬质合金。
目前,用于超细晶粒WC-Co基硬质合金规模化生产的成熟烧结方法有:真空烧结法、低压烧结、真空烧结+热等静压热处理等。
烧结过程的优化控制,对超细晶粒硬质合金材料的显微结构和综合力学性能的优劣起决定性作用。
涂层硬质合金刀具磨损机理的研究
收稿日期:2005年3月涂层硬质合金刀具磨损机理的研究贾庆莲 乔彦峰中国科学院长春光学精密机械与物理研究所摘 要:通过高速切削试验,观察了涂层刀片的磨损过程,描述了其磨损形态,分析了涂层刀片磨损率不同的原因,提出了涂层硬质合金刀具的磨损机理模型以及涂层硬质合金刀具的磨损类型。
关键词:T i N 涂层, 硬质合金刀具, 磨损机理, 高速切削S tudy on Wearing Mechanism of C oated C emented C arbide ToolJia Qinglian Qiao YanfengAbstract:Based on experiments of hi gh speed cutting,the wear process and wear appearance of the coated cemented carbide tools are studied.T he causes of different quanti ties of wear in the experiments are analyzed.T he model of wear mechanism of the coated cemented carbide tools and the wear styles of the coated cemented carbide tools such as di ffuse wear,plastic distortion wear and fatigue flake are presented.Keywords:TiN coating, cemented carbide tools, wearing mechanism, high -speed cutting1 引言用化学气相沉积法(CVD 法)在WC 基硬质合金表面涂覆一薄层高硬度的难熔金属化合物(如TiC 、TiN),所制备的涂层硬质合金具有高耐磨性的表层和足够韧性的基体。
硬质合金木工刀具涂层制备工艺优化
岬究与裸索|#遣■农杈1WAm I FUJIAN NONGJI 硬质合金木工刀具涂层制备工艺优化*陈向文庄哲峰孟素各吴传宇(福建农林大学机电工程学院，福建福州350002)摘要:为改善分体焊接式硬质合金木工刀具的使用性能，采用激光熔覆工艺直接在塑性良好的金属基体 表面制备硬质合金涂层。
涂层与基体间可达到稳定牢固的冶金结合状态，涂层表面到基体的组织、成分、力学 性能呈现平缓过渡，更加适应木工刀具受强烈冲击载荷作用的工作环境。
通过正交试验优化激光熔覆参数，发 现对涂层质量影响最显著的是激光功率,其次为熔覆轨迹间距，扫描速度的影响最弱。
关键词:木工刀具;硬质合金;冶金结合;激光功率中图分类号:TG135.5文献标识码:A随着人造板工业和木材加工自动化的快速发展，具有高硬度与高耐磨性的硬质合金材料在木工 刀具中的应用比例逐年加大[1，2]。
与金属材料不同，木质材料力学性能呈现各向异性，由于切削过程受 力变化大,对刀具抗冲击性能要求更高。
目前木材 加工多采用分体焊接式刀具,硬质合金刀具在焊接 界面处力学性能突变，由于焊料和焊剂选用等原因，焊接强度不稳定。
在强烈冲击载荷的作用下，易出 现崩刃、脱焊现象。
运用新发展的激光熔覆技术，可直接在具有强 軔性金属基体表面熔覆硬质合金涂层，涂层与基体 间为冶金结合,材料化学成分、力学性能过渡平缓,更符合木工刀具的使用要求[3_\针对硬质合金激光熔覆时常出现裂纹与气孔缺陷等问题，本文设计一 个正交试验对激光工艺参数进行优化，以达到改善 硬质合金涂层质量，提升木工刀具使用性能的目的。
1材料与方法硬质合金粉末由15% TiC、77%WC、8%Co组成，硬质相含量超过90%，以保证熔覆涂层的硬度与 耐磨性，粉末混合后在球磨机中球磨细化。
基体材料 选用軔度与强度适中的45钢。
试验设备采用IS-500CBOO固体激光器，最大 输出功率0.5 kW。
采用预制粉末法进行激光熔覆，吹氩气对熔池进行保护。
硬质合金刀具涂层技术的研究进展
Ξ 文章编号:100622777(2004)022*******硬质合金刀具涂层技术的研究进展傅小明,吴晓东(江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江 212013) 摘 要: 随着涂层技术的进步,使得硬质合金刀具涂层方法在不断地进步,日趋复杂化和多样化;硬质合金刀具涂层种类也在不断地更新,从单一的化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展,涂层层数也从几层到十几层发展。
本文简要地综述了目前国内外涂层硬质合金刀具的特点,高温化学气相沉积涂层(HT C VD或简称C VD)、物理气相沉积涂层(PVD)、等离子化学气相沉积涂层(PC VD)、中温化学气相沉积涂层(MT C VD)和离子辅助物理气相沉积涂层(I BVD)这5种硬质合金刀具涂层方法的机理、特点和缺点,以及单渗层涂层硬质合金、多渗层涂层硬质合金和新渗层涂层硬质合金这3种硬质合金刀具涂层的特点和应用。
关 键 词: 化学气相沉积;物理气相沉积;涂层;硬质合金;刀具中图分类号: TG1741444 文献标识码: AR esearch on Coating T echniques of Cemented C arbide ToolsFU X iao2ming,W U X iao2dong(School of Materials Science and Engineering of Jiangxu University,Jiangsu Zhenjiang212013,China) Abstract: With the advancement of coating techniques,coating methods of cemented carbide tools make progress continually,the techniques become com plicatedly and diversificatedly.The coating categ ories of cemented carbide tools renewal continually,they develop from single com pounds to com plicated com pounds,coating layers develop from several layers to m ore layers.Mechanisms,virtues and shortcomings of HT C VD(C VD),PVD,PC VD,MT C VD and I BVD are introduced.T raits and appliances of single coating layer,several coating layers and new coating layers are introduced in the article. K ey Words: C VD;PVD;coat;cemented carbide;tool 随着现代机械加工业朝着高精度、高速切削、硬加工代研磨、干加工(无冷却液)保护环境以及降低成本等方向发展,对刀具性能提出了相当高的要求。
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第36卷第1期2008年3月稀有金属与硬质合金Rar e M etals and Cemented Carbide sVo l.36 №.1M a r. 2008·专题论述·硬质合金涂层刀具研究进展张文毓(洛阳船舶材料研究所,河南洛阳471039) 摘 要:在概述硬质合金刀具基本情况的基础上,介绍了硬质合金涂层刀具的研究现状、涂层方法、涂层类型和工艺,以及多元、复合涂层材料应用等方面的情况,并对硬质合金涂层刀具的发展方向进行了展望。
关键词:硬质合金;涂层;刀具;研究进展 中图分类号:TG711 文献标识码:A 文章编号:1004-0536(2008)01-0059-05Latest Development of Coated Cemented Carbide T oo lsZH ANG Wen-y u(Luoyang Ship M aterial Research Institute,Luoyang471039,China)A bstract:Brief description is made of the cemented carbide too ls g eneral situation,latest development,coat-ing metho d and categ ory of the cemented carbide coating too ls as w ell as the applicatio ns of multi-element and co mposite co ating materials.Its prospect of future development is predicted.Keywords:cemented carbide;coating;tool;la test development 硬质合金由难熔金属硬质化合物和金属粘结剂经粉末冶金方法而制成,其硬度(H RA)为89～94,远远高于高速钢;在540℃时硬度(H RA)为82～87,与高速钢常温时的硬度(H RA83～86)相当,同时还具有化学稳定性好、耐热性高等优点。
目前供使用的刀具材料品种虽然很多,新型的刀具材料也不断出现,但硬质合金仍是很受欢迎的一种刀具材料。
据报道,有的国家90%以上的车刀、55%以上的铣刀都采用了硬质合金制造,而且这种趋势还在增加。
同时,硬质合金还是制造钻头、端铣刀等通用刀具的常用材料。
此外,加工硬齿面的中、大模数齿轮刀具和铰刀、立铣刀、拉刀等复杂刀具使用硬质合金的也日益增多。
我国常用的硬质合金为碳化钨(WC)基硬质合金。
随着生产发展的需要,近些年来,又推出了碳化钛(TiC)基硬质合金、超细晶粒硬质合金、表面涂层硬质合金等新品种[1]。
在刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜(如TiC,TiN, A12O3等)的涂层刀具,结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点,降低了刀具与工件之间的摩擦因数,提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。
因此,涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性,延长了刀具的寿命,这是切削刀具发展的又一次革命。
1 硬质合金刀具概况硬质合金产品按其特征和用途可分为切削刀片、矿用合金、耐磨异型产品三大类,其中切削刀片约占45%,矿用合金约占19%,耐磨异型产品约占36%[2]。
在我国的硬质合金产品中,切削工具用硬质合金约占27%,年产量约3400t,其中焊接刀片和可转位刀片分别约为2600t和800t。
切削工具用硬质合金的高档高附加值产品是高性能高精度研磨涂层刀片,据统计,我国目前市场的年流通量约250t,收稿日期:2007-06-13;修回日期:2007-10-24作者简介:张文毓(1968-),女,学士,高级工程师,从事钛及其合金研究及有关技术信息工作。
稀 有 金 属 与 硬 质 合 金第36卷其中国产约120t,进口约130t。
从我国市场切削工具用硬质合金的产品结构来看,机加工的生产规模很大,但加工技术和装备的整体水平不高[3]。
据不完全统计,近年来国内10多家硬质合金企业先后开发出30多种深加工产品,主要有可转位精磨刀片、涂层刀片、可转位刀具、焊接刀具、矿用钎头、镶套拉拔模、铰刀、螺旋立铣刀、玉米铣刀、钻头、自动车刀、轧辊、顶锤、圆片切刀、锯片铣刀等[4]。
2 硬质合金涂层刀具研究现状2.1 涂层硬质合金涂层硬质合金发展迅速,其产量大幅度增加,应用范围不断扩大,已成功地应用于铣削等重要加工工具。
目前涂层硬质合金刀片产量已占切削刀片总产量的一半以上,一些先进厂家涂层刀片已占可转位刀片的85%以上。
目前,涂层硬质合金已由早期的TiC(1969年)、TiN(1971年)、Al2O3(1972年)等单涂层发展到TiC-TiN,TiCN-TiN等双涂层及TiC-TiN-Al2O3等三涂层,最多的可达13层涂层(如联邦德国的Widalon刀片)。
同时,涂层材质也有了新的发展,金钢石涂层、立方氮化硼涂层等超硬涂层及其他新涂层也已出现并得到应用,如日本住友电工的非晶体金刚石涂层产品。
当然,不同涂层其性能和特点也不相同,而对于不同的涂层最好采用与其匹配的硬质合金基体,以便获得良好的使用性能。
瑞士PLA TIT公司推出的最新涂层有:TiAlN 单层、TiAlN多层、TiCN-M P(高韧性通用涂层)、MOVIC(M oS2基涂层)、CrN、TiAlCN、CBC(DLC,润滑涂层)、GRADVIC(TiAlCN+CBC)、A lTiN、AlTiN/SiN等。
20世纪90年代中期开发成功的(Ti,Al)N涂层硬质合金刀具对高速切削加工和高硬材料加工作出了重要贡献,但这些涂层在抗高温扩散性能、润滑性能等方面还不够理想。
不久前,日本成功研发了号称跨世纪水平的CrSiN、TiSiN、TiBON等新型刀具涂层材料[5]。
日本的岛顺彦等开发了添加B、O元素的Ti-BON系列涂层材料,与(Ti,Al)N涂层相比,其涂层刀具的前刀面在高温下铁元素扩散极少,显示出优良的润滑性能,切屑不粘刀;在富氧氛围中使用Ti-BON涂层硬质合金刀具时,涂层的润滑效果更为显著,延长了刀具使用寿命,这是因为在富氧氛围中生成的氧化物具有良好润滑性能。
这种利用富氧氛围生成氧化物以消除或减少粘刀,延长刀具寿命和提高加工质量的方法适用于钛合金及718镍铬铁耐热合金的切削加工。
在富氧氛围和不加冷却液条件下,用TiBON涂层硬质合金立铣刀加工718镍铬铁耐热合金时,取得了改善粘刀和减少刀具磨损的良好效果。
2.2 涂层基体材料在涂层基体方面,不仅有各种专用涂层基体,而且日本、瑞典等国还开发出带富钴层的涂层基体,从而明显地提高了涂层合金的强度和使用性能,扩大了涂层合金的应用范围。
改善涂层基体合金成分和组织有不同方法,其一是使基体表面形成梯度组织,即合金基体表面是一个实际上没有立方碳氮化物相的粘结相富集层,基体的成分(质量分数,下同)为:1.69%TiC、1.28%TiN、1.21%TaC、0.77%NbC、7.5%Co,余为WC;其二是采用富钨粘结相。
多项专利表明,用于球墨铸铁及灰口铸铁、不锈钢和中、低合金钢的断续车削及铣削加工,以及上述材料的铸件、锻件、热轧及冷轧坯料表面加工的涂层刀片,其基体以采用高钨合金化的粘结相比较有利。
加工铸钢、铁锻件外皮及铣削时,基体不加TiC,且TaC+NbC的含量低于2%,其中N bC含量低于0.3%。
加工球墨铸铁(包括断续车削)时,则用单一的WC-Co合金作基体。
加工低合金钢及不锈钢(包括锻件及断续车削)则一般加入含量低于3%的TiC及3%左右的TaC[6]。
涂层与合金基体之间的结合强度是制约涂层刀具使用寿命的关键因素。
涂层必须与合适的基体相结合才能达到预期的性能。
比如说,具有较高红硬性的耐磨基体通常为细晶低钴的碳化钨基合金,并通常加入少量的TiC、TaC和NbC,使基体具有更高的抗变形能力。
粗晶、高钴合金和通过热处理或添加Ru、Zr,使粘结相性能得以改善的合金也具有较高的韧性。
为了尽可能防止由于裂纹扩展而导致的材料失效,并有利于获得高性能的硬质合金切削工具材料,可对基体进行梯度处理,使涂层基体表面区域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域,此区域的粘结剂含量高于涂层基体的名义粘结剂含量;当涂60 第1期张文毓:硬质合金涂层刀具研究进展层中形成的裂纹扩展到该区域时,由于其良好的韧性,可以吸收裂纹扩展的能量,因而能够有效地阻止裂纹向合金内部扩展,提高硬质合金切削工具的使用性能。
目前,这种具有梯度结构基体的涂层刀片在我国已有研究,并已在部分硬质合金企业形成了产品[7]。
3 硬质合金刀具的涂层方法、种类和工艺3.1 涂层方法目前硬质合金刀具涂层的方法仍以化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)为主,这两种方法比较突出的问题是涂层与基体间的结合强度低,涂层容易剥落,这样就使涂层不能做得太厚,而涂层一旦被磨掉,刀具就会迅速磨损。
近年来,已有一些新的涂层方法出现,如等离子辅助化学气相沉积(PACVD)、中温化学气相沉积(M TCVD)、溶胶-凝胶(Sol-Ge1)法、高速氧-燃气热喷涂(H VOF)、真空阴极电弧沉积(VCAD)等方法[8]。
在韧性较好的硬质合金基体上,通过CVD、PVD、H VOF等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物,可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合而提高硬质合金刀具的综合性能。
3.2 涂层种类自20世纪70年代以来,涂层材料已从单一涂层(TiC、TiN)经历了TiC-A l2O3-TiN多层涂层和TiCN、TiA1N、A1TiN等多元复合涂层发展阶段,发展到了TiN/NbN、TiN/CN等多元复合薄膜纳米涂层材料。
近年还出现了金刚石涂层、立方氮化硼(CBN)涂层、软涂层(MoS、WS)以及硬软组合涂层,使涂层刀具切削性能大大提高[9]。
硬质合金涂层种类从单一化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展,涂层层数也从几层增加到十几层的多层涂层,而多元复合涂层、多元复合纳米涂层、金刚石涂层、CBN涂层将是未来涂层刀具的发展方向。
3.3 涂层工艺3.3.1 化学涂层化学气相沉积(CVD)涂层仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,现今开发了中温CVD、厚膜Al2O3和过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高。
CVD金刚石涂层也不断取得进展,使涂层表面光洁度提高,并已进入了实用的阶段。
目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。
CVD的Al2O3涂层的工业产品大都呈织构组织。
这种涂层刀具可用于各种金属材料的加工,如钢、低碳钢、低合金钢、不锈钢、铸铁的车削、铣削和钻削加工[6]。