硬质合金涂层技术

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涂层梯度硬质合金的研究进展

涂层梯度硬质合金的研究进展

张武装等:涂层梯度硬质合金的研究进展 

涂层梯度硬质合金的研究进展 

张武装,刘 咏,贺跃辉,黄伯云 

(中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙410083) 

摘要: 主要综述了涂层梯度硬质合金的发展,对涂 

层梯度硬质合金基体的制备、基体涂层技术、基体表层 碳含量的控制等进行了阐述。展望了梯度硬质合金的 

前景和发展方向。 关键词: 梯度硬质合金;梯度烧结;涂层;化学气相沉 

积:物理气相沉积 中图分类号:TF125.3 文献标识码:A 

文章编号:100卜9731【2006)10—1531一O4 

1 引 言 

硬质合金作为一种工具材料,由于其具有高硬度、 

高强度、高弹性模量、耐磨损和耐腐蚀等性能,已广泛 

应用于各种切削工具、矿用工具和耐磨耐蚀零部 件 ]。为适应各种服役条件,提高使用效率,针对传 

统硬质合金存在硬度高而韧性低的矛盾,人们开发了 

诸如梯度硬质合金、超细硬质合金材料 。近年来, 

随着功能梯度材料概念的提出,功能梯度硬质合金正 

在发展成为当前硬质合金领域的重要研究内容之 

一[8-t 23。为了提高硬质合金切削工具的切削性能和使 

用寿命,可在合金的表面涂上薄层高硬度耐磨材 

料[1 。由于不同材料的热膨胀系数不同,涂层材料 

在冷却过程中可能因热应力而产生裂纹。由于涂层材 料的脆性通常裂纹更容易在涂层表面产生并向基体中 

扩展。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,使在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 

量高于基体的名义粘结剂含量。当涂层中形成的裂纹 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L】卜 ]。 

本文主要综述了梯度硬质合金涂层基体的制备、 

基体涂层技术、基体表层碳含量的控制等。 

2梯度硬质合金基体的制备 

激光熔覆技术的原理和应用

激光熔覆技术的原理和应用

激光熔覆技术的原理和应用

1. 激光熔覆技术的简介

激光熔覆技术是一种常用于金属表面改性和复合材料制备的先进加工技术。它利用高能激光束对工件表面进行局部熔化,使金属或合金液态化并与基材相互混合,形成一层高质量的涂层。激光熔覆技术具有熔化速度快、固化快、热影响区小、涂层与基材结合强等优点,因而在航空航天、汽车制造、能源装备等领域得到广泛应用。

2. 激光熔覆技术的原理

激光熔覆技术的实质是利用高能激光束对工件表面进行局部加热,使其达到熔点,然后进行快速冷却,使其凝固成为一层均匀致密的涂层。其原理主要包括以下几个方面:

2.1 激光加热

高能激光束在与工件表面接触时,光能转化为热能,使工件局部区域温度升高。激光加热具有高度集中的特点,可以实现对工件表面的高温局部加热,而对其他区域几乎没有热影响。

2.2 金属熔化

通过激光加热,金属或合金在达到熔点的条件下发生熔化。激光熔化的特点是熔池温度高、熔池容积小、凝固速度快。这使得熔化的金属能够在非常短的时间内冷却并固化,形成一层均匀致密的涂层。

2.3 冷却和凝固

金属熔池在短时间内冷却并凝固形成固体涂层。冷却速度的快慢直接影响涂层的组织结构和性能。激光熔覆技术的快速冷却速度可以避免大晶粒的形成,并在晶界处形成细小的析出相,提高涂层的强度和硬度。

3. 激光熔覆技术的应用

激光熔覆技术在多个领域有着广泛的应用,下面列举了其中一些典型的应用:

3.1 表面修复和修饰

通过激光熔覆技术可以对损坏的金属零件进行修复和修饰。激光熔覆可以填充表面缺陷、修复裂纹,提高零件的使用寿命和性能。 3.2 硬质合金涂层制备

激光熔覆技术可以在金属基材表面涂覆硬质合金材料,提高金属零件的耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性。硬质合金涂层广泛应用于机械零件、切削工具等领域。

3.3 功能性涂层制备

通过激光熔覆技术可以在金属基材表面制备各种功能性涂层,如热障涂层、阻尼涂层、导电涂层等。这些涂层可以为金属零件赋予新的性能和功能,拓展其应用范围。

金刚石涂层用硬质合金基体表面预处理方法的研究

金刚石涂层用硬质合金基体表面预处理方法的研究

金刚石涂层用硬质合金基体 

吴 雷 

(河南理工大学,河南焦作454000) 厂_] 董 

摘要:本文分析和综述了影响金刚石涂层与硬质合金基体粘结性的主要因素。按照其原理来分,预处理方法可分为物 理预处理法、化学预处理法以及中间层法。通过适当的预处理能有效消除或抑制基体中钴粘结相的负面影响,提高金刚 石涂层与硬质合金基体间的粘结强度。 

关键词:金刚石涂层;硬质合金;表面预处理 

DOI:1 o.3969/J.issn.1 671—6396.201 O.25.007 

Research on Surfawe Pretreatment Method of Diamond Coatings Carbide Substrate WU Lei (Henan Polytechnic University.1iaozuo,Henan 454000) Abstract:In this paper,mainly analysis and summarizes the main factors of impacting the adhesion between diamond coatings and carbide substrate.According to the principle the surface pretreatment method can be divided into physical pretreatment method,chemical pretreatment method,and the middle layer method.Through the appropriate pretreatment can eliminate or inhibit the negative impact of cobalt binder phase in the substrate and increase the strength between the diamond coating and the cemented carbide substrate. Key words:Diamond coatings;Cemented carbide;Surfaca pretreatment 

国内PVD技术应用与研究现状

国内PVD技术应用与研究现状

国内PVD技术应用与研究现状

作者:四川大学 梁红樱 赵海波 来源:《工具技术》

1 引言

当前,制造业已发生了革命性的转变,以数控机床为基础的现代制造技术正朝着高速、干式切削加工的方向迈进。在该领域中,切削刀具制造技术的发展至关重要。由于刀具涂层技术可大幅度地提高切削刀具的综合性能,尤其是近年来超硬薄膜设计概念的提出,在理论上可有效地改善刀具的高温性能,使涂层刀具应用于高速、干式切削加工成为可能。在数控机床日益普及,现代先进制造技术概念逐渐形成及国家大力推进节能、环保制造模式的影响下,自2000年起,国内刀具涂层技术掀起了第二次发展热潮,发展的重点为各类PVD技术。大专院校以设计、表征超硬薄膜为主要研究方向,而社会兴办刀具涂层加工服务中心则成为国内刀具涂层业发展的主流。尽管国内刀具涂层技术水平依然落后,但应用市场的普及性及需求量已远远超出预计结果。因此,高水平、稳定的刀具涂层技术是国内工具行业极其渴望的,如果国内能开发出相应的原创技术,则短期内可在国内形成广泛的刀具涂层加工服务体系,并会带来巨大的社会经济效益。

2 国内商业应用PVD技术概况

国内PVD涂层技术的研发工作始于八十年代初,八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机及高速钢刀具TiN涂层工艺技术。由于对刀具涂层市场前景的看好,国内引进了热阴极离子镀及阴极电弧(多弧)离子镀技术与装备。技术及装备的引进摧动了国内刀具PVD涂层技术的第一次开发热潮,国内各大真空设备厂及科研单位纷纷展开了离子镀膜机的研制工作,并于九十年代初开发出多种PVD设备。但由于大多数的设备性能指标低,涂层工艺稳定性差,预期的市场效益未能实现,从而导致了近十多年国内刀具PVD涂层技术处于徘徊不前的局面。尽管九十年代末国内成功开发出了硬质合金TiN-TiCN-TiN多元复合涂层工艺技术,并达到了实用水平,但在随后的发展过程中也并未得到市场认可。随着我国汽车工业的迅速崛起、先进制造技术的大量引进及数控加工技术大面积的普及,自本世纪初,PVD技术在国内掀起了第二次开发热潮。与九十年代不同,目前国内PVD技术的发展更具多元性及创新性,归纳起来有以下几种类型:

涂层刀具的涂层材料、涂层方法及发展方向

涂层刀具的涂层材料、涂层方法及发展方向

涂层刀具的涂层材料、涂层方法及进展方向

在切削加工中,刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决议性的影响。刀具性能的两个关键指标硬度和强度(韧性)之间好像总是存在着冲突,硬度高的材料往往强度和韧性低,而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。在较软的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、Al2O3,等)构成的涂层刀具,较好的解决了刀具存在的强度和韧性之间的冲突,是切削刀具进展的一次革命。

涂层刀具是近20年来进展最快的新型刀具。目前工业发达国家涂层刀具已占80%以上,CNC机床上所用的切削刀具90%以上是涂层刀具。

1涂层刀具、涂层材料及涂层方法

涂层刀具的特点

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,提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广,加工范围显著扩大,使用涂层刀具可以获得明显的经济效益。一种涂层刀具可以代替数种非涂层刀具使用,因而可以大大削减刀具的品种和库存量,简化刀具管理,降低刀具和设备成本。但是刀具在现有的涂层工艺进行涂层后,因基体材料和涂层材料性质差别较大,涂层残留内应力大,涂层和基体之间的界面结合强度低,涂层易剥落,而且涂层过程中还造成基体强度下降、涂层刀片重磨性差、涂层设备多而杂、昂贵、工艺要求高、涂层时间长、刀具成本上升等缺点。

常用的涂层材料及性质

常用的涂层材料

常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。依据化学键的特征,可将这些涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。 涂层材料的性质

金属键型涂层材料(如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等)熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好,具有良好的综合性能,是最一般的涂层材料。共价键型涂层材料(如B4C、SiC、BN、金刚石等)硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。而离子键型材料化学稳定性好、脆性大、热胀系数大、熔点较低、硬度不太高。

部分刀具涂层技术的应用和发展

部分刀具涂层技术的应用和发展

在高新技术的带动和制造业发展的影响下,当代切 

削技术的进步和刀具工业的变化显现出质的飞跃。现代 

工业对于刀具要求日益提高。由于刀具经过涂层后可大 

幅度地延长使用寿命,因此世界各国都十分注重涂层技 

术的发虔。资料显示,发达国家80%的刀具经过涂层处 

理 另外,随着涂层装备的改进和涂层工艺的成熟,刀 

具成本正在逐年下降。因此,近年来机械加工厂家都认 

识到涂层刀具是提高切削效率,降低生产成本的有效途 

径。下面重点谈谈三种先进涂层技术在刀具上的具体应 

用。 

1.PcD涂层 

金刚石涂层是近几年研究成功的新型刀具涂层材 

料,这种涂层刀具特别适用于加工非黑色金属及纤维材 料。金刚石涂层的硬质合金刀片及整体硬质合金多刃刀 

具在加工印刷线路板和硅铝合金等方面已取得很大的成 

功,工具寿命比未涂层硬质合金刀具提高数十倍。 

美国科学家发明了一种廉价快捷生产人造金刚石 

(PCD)的新方法,它有望使金刚石涂层得到更广泛的 

工业应用。虽然应用这项新技术生产出的金刚石颗粒尺 

寸最大不超过10nm,用它不可能造出宝石级的金刚石, 

但它却能降低金刚石涂层的生产成本,易于制造对材料 

硬度等性能有特殊需求的工件,如金刚石涂层刀具、刹 

车垫等。 

金蹦石的组成成分是纯碳。迄今人们已经能够从碳 

化硅中去掉硅元素,制成纳米级的金刚石。但现有技术 

需要在极高压力下进行,或通过高能等离子喷射法来实 

现,生产成本高,产量低。美国得克萨斯州德雷克塞尔 

大学的科学家成功地在一个大气压的条件下制取出了纳 

米级金刚石。研究人员将碳化硅放在氯气和氢气的混合 

物中,然后将其加热到1000 ̄。氯气与硅发生反应时, 余下的碳原子就会重新自我组合,形成各种纳米级的碳 

材料薄膜,其中有金刚石晶体,也有石墨、碳纳米管和 

六方金刚石等。氢气使得这种转换可以稳定地进行。 

翻. 生 . 缸梭l 热加工 ●n.Il 御嘲蠢 豳f.姗.cn 术的应用和发展 

有限责任公司(1610o2) 谷宗民 

工程齿轮的耐磨涂层与表面处理技术

工程齿轮的耐磨涂层与表面处理技术

工程齿轮是现代工业生产中不可或缺的重要组件,其性能的稳定与耐久性对于机械系统的正常运行起着至关重要的作用。为了提高工程齿轮的耐磨性能和延长使用寿命,人们研发出了一系列耐磨涂层和表面处理技术。

首先,工程齿轮耐磨涂层技术在工业领域得到了广泛应用。涂层是通过在齿轮表面形成一层特殊的材料来改善其耐磨性能的。常见的涂层材料包括硬质合金、陶瓷材料和聚合物材料等。这些材料具有高硬度、高强度和抗腐蚀性能,能够有效地增强齿轮的耐磨性,减少摩擦和磨损。

一种常用的涂层技术是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,简称PVD)。PVD技术通过在真空环境下将金属或合金材料加热至蒸发温度,然后将蒸汽沉积在齿轮表面上,形成一层均匀致密的涂层。这种涂层具有较高的附着力和硬度,能够有效地提高齿轮的耐磨性和抗腐蚀性。

除了PVD技术,还有一种常见的涂层技术是化学气相沉积(Chemical Vapor

Deposition,简称CVD)。CVD技术利用化学反应在齿轮表面生成一层热解介质,常见的热解介质有碳化硅、氮化硼、氮化钛等。这种涂层具有极高的硬度和热稳定性,可以有效提高齿轮的耐磨性和耐高温性能。

除了涂层技术外,还有一些表面处理技术可以改善工程齿轮的耐磨性能。其中最常用的技术是表面淬火。表面淬火是通过将齿轮表面加热至一定温度,然后迅速冷却,使表面形成硬质的马氏体组织。这种处理方式能够有效增加表面硬度和耐磨性,提高齿轮的使用寿命。

此外,还有一种表面处理技术称为氮化处理。氮化处理是将齿轮浸泡在含有氨气的高温气体中,使氮原子渗透到齿轮表面,形成一层含氮的固溶体。这种处理方式能够显著提高齿轮的硬度和耐磨性,同时减少摩擦和磨损。 总结起来,工程齿轮的耐磨涂层技术和表面处理技术是提高齿轮耐磨性能和延长使用寿命的重要手段。涂层技术包括PVD和CVD技术,能够形成高硬度、高强度和抗腐蚀的涂层,有效改善齿轮的耐磨性能。表面处理技术包括表面淬火和氮化处理,可以提高齿轮的硬度、耐磨性和耐高温性能。这些技术的应用将为工程齿轮的可靠运行和提高机械系统的效率做出重要贡献。

钢管数控仿形锯锯片TiAlN涂层技术的应用

・48・ 焊管.第30卷第6期.2007年11月 ●应用与开发 钢管数控仿形锯锯片TiAIN涂层技术的应用 郭继富,王素娟,张艳龙,王 林,李永佳,褚建坤 (唐山冶金锯片有限公司,河北唐山063020) 摘要:随着我国钢管数控仿形锯切技术的广泛应用,使用常规的硬质合金锯片,因其锯齿硬 度偏低,耐磨性差,致使锯切寿命比较短。采用PVD(物理气相沉积)的方式对合金锯齿进行 TiAlN涂层,可以明显地提高锯齿刃口的耐磨性和耐热性,改善锯片的切削能力,延长其使用 寿命,是一种具有良好应用前景的新技术。 关键词:钢管;数控仿形锯片;TiA1N涂层技术 中图分类号:TG333.22文献标志码:B文章编号:1001—3938(2007)06—0048—03 0前言 近两年来,我国钢管数控仿形锯切技术得到 了广泛的应用。钢管数控仿形锯锯片配套于相应 的仿形锯机进行钢管锯切时,具有高效率、低噪 音、节能、安全、切口质量好等优点,已经成为一种 先进的切削工具…,目前已在国内十几台锯机上 投入使用。 在锯机方面,沈阳理工大学等单位成功开发 了极坐标式仿形锯机、直角坐标式仿形锯机,打破 了美国、德国、日本等发达国家锯机对我国市场的 垄断,不仅迫使国外厂家降低了产品售价,而且有 取而代之的趋势。 在锯片方面,随着国外钢管数控仿形锯机陆 续进入我国,美国、德国、日本、荷兰等国生产的仿 形锯锯片也同步占据了国内大部分市场。唐山冶 金锯片有限公司作为国内最大的钢管切割锯片供 应商,研制成功了钢管数控仿形锯锯片,并逐渐占 有了国内60%左右的市场,而且对于国产锯机的 配套比例也达到了90%以上。但对于部分进口 锯机,配套比例仍低于进口锯片,其主要原因是与 进口锯片相比,国产锯片的使用寿命比较短。国 外锯片通过对锯齿进行PVD(物理气相沉积)表 面涂层处理,改善了切削条件,提高了切削性能, 而国产锯片采用的常规硬质合金锯齿的耐热性、 耐磨性相对较差,从而使锯切寿命相对较短。 通过研究大规格ERW焊管的锯切状况,分 析各种涂层类型的性能特点以及涂层加工对锯片 其它性能的影响程度,经过多次对比试验,总结优 化了涂层加工工艺参数,合理选择涂层类型,最后 确定采用PVD加工方式,对仿形锯片的齿部及锯 片外圆周进行TiAlN涂层处理,涂层厚度为3~5 lxm,并确保涂层与基体有很强的结合力。国产涂 层锯片研制成功后与德国锯片进行了多次对比使 用,其综合性能已达到甚至超过了进口锯片的水 平,使国产锯片代替进口锯片成为可能。 1硬质合金刀具涂层技术的发展和种类 1.1硬质合金刀具涂层技术的发展 在机械加工领域,传统的高速钢、硬质合金刀 具已有很长的应用历史,尤其是硬质合金刀具已 经成为现代加工行业使用最为普遍的一种主流刀 具。为了提高合金刀具的切削性能,人们改进了 硬质合金的成分组成和加工工艺,不断细化硬质 合金的颗粒度,但所有这些手段都难以使合金刀 具的切削性能得到实质性的提高。从20世纪60 年代开始,国外陆续开发出了各种类型的物理气 基金项目:河北省科技厅技术创新资金资助项目(05C1303151001); 国家科技部技术创新资金资助项目(05C26211300230)

金属功能材料

(2012届)金属功能材料课程论文

摘要

现代切削加工朝着高速、高效、高精、智能和环保的方向不断发展及难加工材料的不断涌现, 对刀具材料性能要求越来越高。涂层硬质合会刀具以其高硬度、高耐磨性、良好的化学稳定性 和高的通用性等特点,广泛地应用于金属切削加工领域,是当前世界各国重点研究开发的刀具 之一。本文简要的叙述了涂层硬质合金刀具的特点、制备工艺、未来发展趋势等。

关键词:涂层硬质合金刀具;切削;高硬度;高耐磨性

Abstract

With modern machining developing toward high speed. High efficiency,high precision, intelligent

and environmentally friendly along with the continuous emerging of the difficult — to—machine

material, the dema nd for material performa nee of cutti ng tool becomes higher and higheBecause

of its high hardness good wear resistance excellent thermal stability and applicability,the coated

ceme nted carbide tool is now widely used in metal cutt ing area and beco ming one of the most

ideal cutting tools to research and develop around the world . This thesis briefly narrates the

coated ceme nted carbide tool characteristics, preparati on tech no logy, the future developme nt tren ds. Key word: The coated ceme nted carbide tool, Cutt ing, Hardn ess, Good wear resista nee第一章 绪论

硬质合金牌号性能

硬质合金牌号性能

硬质合金牌号性能、应用推荐及牌号对照 合金

牌号 物理机械性能 推荐用途 相当于

ISO 相当于

国内

密度g/cm2 抗弯强度不

低于N/cm2 硬度不低于

HRA

YG3X 14.6-15.2 1320 92 适于铸铁、有色金属及合金淬火钢合金钢小切削断面高速精加工。 K01 YG3X

YG6A 14.6-15.0 1370 91.5 适于硬铸铁,有色金属及其合金的半精加工,亦适于高锰钢、淬火钢、合金钢的半精加工及精加工。 K05 YG6A

YG6X 14.6-15.0 1420 91 经生产使用证明,该合金加工冷硬合金铸铁与耐热合金钢可获得良好的效果,也适于普通铸铁的精加工。 K10 YG6X

YK15 14.2-14.6 2100 91 适于加工整体合金钻、铣、铰等刀具。具有较高的耐磨性及韧性。 K15 K20 YK15

YG6 14.5-14.9 1380 89 适于用铸铁、有色金属及合金非金属材料中等切削速度下半精加工。 K20 YG6

YG6X-1 14.6-15.0 1500 90 适于铸铁,有色金属及其合金非金属材料连续切削时的精车,间断切削时的半精车、精车、小断面精车、粗车螺纹、连续断面的半精铣与精铣,孔的粗扩与精扩。 K20 YG6X-1

YG8N 14.5-14.8 2000 90 适于铸铁、白口铸铁、球墨铸铁以及铬、镍不锈钢等合金材料的高速切削。 K30 YG8N YG8 14.5-14.9 1600 89.5 适于铸铁、有色金属及其合金与非金属材料加工中,不平整断面和间断切削时的粗车、粗刨、粗铣,一般孔和深孔的钻孔、扩孔。

K30 YG8 YG10X 14.3-14.7 2200 89.5 适于制造细径微钻、立铣刀、旋转锉刀等。

K35 YG10X YS2T 14.4-14.6 2200 91.5 属超细颗粒合金,适于低速粗车,铣削耐热合金及钛合金,作切断刀及丝锥、锯片铣刀尤佳。 K30 YS2T

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