陳勇志 占志澤 曾鐵初
(1.東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,廣東東莞 523808;2.南昌硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,南昌 330013)
自1969年德國克虜伯 (Krupp)公司和瑞典山特維克 (Sandvik)公司成功研發(fā)出化學(xué)氣相沉積(CVD)涂層技術(shù),并向市場推出了TiC涂層硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)品,40年來刀具涂層技術(shù)進(jìn)展迅速,無論是涂層工藝還是涂層材料和方式都取得了巨大成果。涂層方法從CVD法、PVD到PCVD法,涂層材料出現(xiàn)了TiC、TiN、TiCN、Al2O3等;涂層方式則由單一涂層發(fā)展到復(fù)合涂層。目前,在先進(jìn)制造業(yè)中,硬質(zhì)合金刀具及高性能高速鋼刀具,80%以上都采用了表面涂層技術(shù),CNC機(jī)床上所用的切削刀具90%以上是涂層刀具[1]。涂層刀具越來越廣泛地應(yīng)有到機(jī)械加工領(lǐng)域,顯著提高了金屬切削加工效率。
涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低,以及與基體附著牢固等要求。最初開發(fā)出的涂層是TiC、TiN、Al2O3等單一涂層,并廣泛地應(yīng)用到機(jī)械加工領(lǐng)域中。目前,TiN、TiC等涂層仍然是工藝最成熟和應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)合金涂層材料。與TiC相比較,TiN與基體結(jié)合強(qiáng)度差,涂層易剝落,且硬度也不如TiC高,在切削溫度較高時膜層易因氧化而被燒蝕。TiC涂層雖有較高的硬度與耐磨性,抗氧化性也好,但其性脆,不耐沖擊。后續(xù)出現(xiàn)的TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優(yōu)點(diǎn),它在涂覆過程中可通過連續(xù)改變C、N的成份控制TiCN性質(zhì),并形成不同成份的多層結(jié)構(gòu),降低了涂層的內(nèi)應(yīng)力,提高了韌性,增加了涂層的厚度,阻止了裂紋的擴(kuò)展,減少了崩刃。所以,目前生產(chǎn)的一些刀片,如瑞典Sandvik公司推薦用于加工鋼料的GC4000系列刀片、中國株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的CN系列刀片、日本東芝公司的T715X和T725X涂層刀片中均有TiCN涂層成份。TiCN基涂層適于加工普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵等材料,用它加工工件時的效率可提高2~3倍[2]。
TiAlN、CrN、TiAlCrN是近幾年來開發(fā)的硬質(zhì)合金涂層新材料。TiAlN涂層的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化磨損性能好,用其加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳合金時的刀具壽命可比TiN涂層高3~4倍。此外,TiAlN涂層中如果有合適的鋁濃度,切削時在刀具前刀面和切屑的界面上還會產(chǎn)生一層硬質(zhì)的惰性保護(hù)膜,該膜有較好的隔熱性,可更有效地用于高速切削。CrN是一種無鈦涂層,適于切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料[3],其化學(xué)穩(wěn)定性好,不產(chǎn)生粘屑。TiAlCrN是一種梯度結(jié)構(gòu)涂層,不僅具有高的韌性和硬度,而且摩擦因數(shù)也較小,適用于銑刀、滾刀、絲錐等多種刀具,切削性能明顯優(yōu)于TiN。
德國某公司開發(fā)了Supernitride涂層系列,其中超級氮化鈦涂層有很高的含鋁量,可形成穩(wěn)定的氧化層 (氧化溫度達(dá)1000℃),它比一般的TiAlN涂層更硬、更致密、更耐高溫,適用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具,可加工硬度高達(dá)58HRC以上的淬火鋼。
目前,涂層技術(shù)已發(fā)展到第五代,每代分別是TiN、TiCN、CrAlN、CrAlN+Si和Al2O3+其他涂層。
涂層方法主要有化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積等。
化學(xué)氣相沉積 (Chemical vapor deposition,簡稱CVD)是反應(yīng)物質(zhì)在氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成固態(tài)物質(zhì)沉積在加熱的固態(tài)基體表面,進(jìn)而制得固體材料的工藝技術(shù)。它本質(zhì)上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質(zhì)過程。
CVD技術(shù)經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展,在常規(guī)CVD涂層技術(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)涂層溫度的高低,又開發(fā)有等離子增強(qiáng)CVD涂層技術(shù)和中溫CVD涂層技術(shù),涂層的品種、性能有很大的提高,應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。
CVD技術(shù)被廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具的表面處理。CVD可實(shí)現(xiàn)單成份單層及多成份多層復(fù)合涂層的沉積,涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較高,薄膜厚度較厚,可達(dá)7~9 μm,具有很好的耐磨性。但CVD工藝溫度高,易造成刀具材料抗彎強(qiáng)度下降;涂層內(nèi)部呈拉應(yīng)力狀態(tài),易導(dǎo)致刀具使用時產(chǎn)生微裂紋;同時,CVD工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環(huán)境污染[4]。為解決CVD工藝溫度高的問題,低溫化學(xué)氣相沉積 (LT-CVD),中溫化學(xué)氣相沉積 (MT-CVD)技術(shù)相繼開發(fā)并投入實(shí)用。目前,CVD(包括MT-CVD)技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀具的表面涂層,涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。
物理氣相沉積 (Physical Vapor Deposition,簡稱PVD),指利用物理過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移,將原子或分子轉(zhuǎn)移到基材表面上的過程。
目前常用的PVD方法有低壓電子束蒸發(fā) (LVEE)法、陰極電子弧沉積法 (CAD)、三極管高壓電子束蒸發(fā)法 (THVEE)、非平衡磁控濺射法 (UMS)、離子束協(xié)助沉積法 (IAD)和動力學(xué)離子束混合法 (DIM),其主要差別在于沉積材料的氣化方法以及產(chǎn)生等離子體的方法不同而使得成膜速度和膜層質(zhì)量存在差異。
PVD技術(shù)主要應(yīng)用于整體硬質(zhì)合金刀具和高速鋼刀具的表面處理。與CVD工藝相比,PVD工藝溫度低 (最低可低至80℃),在600℃以下時對刀具材料的抗彎強(qiáng)度基本無影響;薄膜內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力,更適于對硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層;PVD工藝對環(huán)境無不利影響。目前,PVD涂層技術(shù)已普遍應(yīng)用于硬質(zhì)合金鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。
如等離子噴涂、火焰噴涂、電鍍、溶鹽電解等,因還存在較大的應(yīng)用局限性,故未廣泛應(yīng)用。
目前,CVD(包括MT-CVD)技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金車削類刀具的表面涂層,涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用CVD技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)金剛石涂層,這是PVD技術(shù)目前難以實(shí)現(xiàn)的,因此在干式切削加工中,CVD涂層技術(shù)仍占有極為重要的地位。
1)高溫化學(xué)氣相沉積 (HT-CVD)
盡管CVD涂層具有很好的耐磨性,但CVD工藝亦有其先天缺陷:一是工藝處理溫度高,易造成刀具材料抗彎強(qiáng)度下降;二是薄膜內(nèi)部呈拉應(yīng)力狀態(tài),易導(dǎo)致刀具使用時產(chǎn)生微裂紋;三是CVD工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環(huán)境污染,與目前大力提倡的綠色制造觀念相抵觸,因此自九十年代中期以來,高溫CVD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用受到一定制約。
2)低溫化學(xué)氣相沉積 (LT-CVD)
八十年代末,低溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)達(dá)到了實(shí)用水平,其工藝處理溫度已降至450~650℃,有效抑制了η相的產(chǎn)生,可用于螺紋刀具、銑刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂層,但迄今為止,低溫CVD工藝在刀具涂層領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛。
3)中溫化學(xué)氣相沉積 (MT-CVD)
九十年代中期,中溫化學(xué)氣相沉積 (MT-CVD)新技術(shù)的出現(xiàn)使CVD技術(shù)發(fā)生了革命性變革。MT-CVD技術(shù)是以含C、N的有機(jī)物乙腈 (CH3CN)作為主要反應(yīng)氣體、與TiCL4、H2、N2在700~900℃下產(chǎn)生分解、化學(xué)反應(yīng)生成TiCN的新工藝。采用MT-CVD技術(shù)可獲得致密纖維狀結(jié)晶形態(tài)的涂層,涂層厚度可達(dá)8~10 μm。這種涂層結(jié)構(gòu)具有極高的耐磨性、抗熱震性及韌性,并可通過高溫化學(xué)氣相沉積 (HT-CVD)工藝在刀片表面沉積Al2O3、TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料。MT-CVD涂層刀片適于在高速、高溫、大負(fù)荷、干式切削條件下使用,其壽命可比普通涂層刀片提高一倍左右[5]。
通過對PVD技術(shù)的研究結(jié)果表明:與CVD工藝相比,PVD工藝處理溫度低,在600℃以下時對刀具材料的抗彎強(qiáng)度無影響;薄膜內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力,更適于對硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層;PVD工藝對環(huán)境無不利影響,符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向。隨著高速切削加工時代的到來,高速鋼刀具應(yīng)用比例逐漸下降、硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具應(yīng)用比例上升已成必然趨勢。因此,工業(yè)發(fā)達(dá)國家自九十年代初就開始致力于硬質(zhì)合金刀具PVD涂層技術(shù)的研究,至九十年代中期取得了突破性進(jìn)展,PVD涂層技術(shù)已普遍應(yīng)用于硬質(zhì)合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉(zhuǎn)位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。
與CVD技術(shù)相比,PVD涂層的均勻性不如CVD法,涂層與基體結(jié)合不太牢固,涂層硬度比較低,涂層優(yōu)越性未得到充分體現(xiàn)。PVD法工藝要求比CVD法高,設(shè)備更復(fù)雜,涂層循環(huán)周期長。
在同一臺設(shè)備上同時實(shí)現(xiàn)CVD和PVD的功能進(jìn)行薄膜制造,目前已有研究成果出現(xiàn)。美國賓夕法尼亞州州立大學(xué)的郗小星小組和北京大學(xué)物理學(xué)院馮慶榮小組,分別用混合物理化學(xué)氣相沉積法制備MgB2超導(dǎo)薄膜[6]。
近年來,隨著硬質(zhì)合金涂層技術(shù)的不斷發(fā)展,其在實(shí)踐應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了一些新進(jìn)展。
1)納米涂層的新工藝及產(chǎn)品不斷推出。納米涂層一般采用PVD技術(shù)進(jìn)行,主要分為金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層交替涂覆、金屬AlN納米層與金屬A1CN納米層交替涂覆、金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層及金屬A1CN納米層交替涂覆等結(jié)構(gòu)[7]。和傳統(tǒng)涂層相比,納米涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能,如更低的孔隙率,更高的結(jié)合強(qiáng)度,更高的硬度、抗氧化性、耐腐蝕性等,可大大拓寬涂層工具的應(yīng)用領(lǐng)域。日本住友公司開發(fā)的AC105G,AC110G等牌號的zx涂層是一種TiN與AlN交替的納米多層涂層,層數(shù)可達(dá)2000層,每層厚度約為l nm,這種新涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高,涂層硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剝離性強(qiáng),而目可顯著改善刀具表面粗糙度,其壽命是TiN,TiAlN涂層的2~3倍[8]。據(jù)報道,在第八屆中國國際機(jī)床展覽會 (CIMT2003)上,瑞士某公司推出的納米結(jié)構(gòu)涂層(AITiN/SiN)立銑刀,其涂層硬度為45 GPa,氧化溫度1 100℃,切削對比試驗(yàn)表明,其壽命比TiN涂層立銑刀高3倍,比TiAlCN涂層立銑刀高2倍。
2)復(fù)合涂層工藝進(jìn)展迅猛。由于單一涂層材料無法滿足對刀具綜合機(jī)械性能的要求,涂層成分向多元化、復(fù)合化發(fā)展成為必然趨勢,從目前應(yīng)用來看,涂層成分更為復(fù)雜、更具針對性,且每單層成分也會越來越薄,并逐步趨于納米化。目前最主要的是雙層及三層涂層。雙層涂層以TiC/TiN雙層涂層為代表。由于TiC/TiN雙層涂層兼有TiC涂層和TiN涂層優(yōu)點(diǎn),所以其既有較高的硬度和耐磨性,又有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高抗月牙注磨損性能,因此得到了廣泛的應(yīng)用。三層涂層TiC/TiCN/TiN涂層為代表。這種涂層的性能較TiC/TiN雙層涂層及單層的TiC和TiN涂層均優(yōu)越。瑞典、美國、日本等國著名的硬質(zhì)合金刀具公司都開發(fā)有相應(yīng)型號的涂層刀具。
在TiC/TiCN/TiN涂層組合中再加入Al2O3層成為更現(xiàn)代化的涂層[9]。如瑞典Sandvik Coromant公司在CIMT2005上新的GC2015牌號刀具是具有TiCN-TiN/Al2O3-TiN結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層,其中底層的TiCN與基體的結(jié)合強(qiáng)度高,并有良好的耐磨性。TiN/Al2O3:的多層結(jié)構(gòu)既耐磨又能抑制裂縫的擴(kuò)展,表面TiN具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性,又易于觀察刀具的磨損[10]。
美國Kennametal Hertel公司的KC9315型刀片上也涂有16 μm厚的厚涂層,這種刀片特別適于加工高強(qiáng)度鑄鐵 (如球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵),切削速度可達(dá)400 m/min,并可在干切削和斷續(xù)切削條件下使用。該刀片涂層總共有三層,一層是Al2O3,另一層為TiCN,最后一層為TiN[11]。
3)金剛石薄膜涂層刀具的應(yīng)用進(jìn)入規(guī)模化。金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具的問世是近年來涂層技術(shù)的一項(xiàng)重大成就,它是利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上生長出一層由多晶組成的膜狀金剛石,可成復(fù)雜的幾何形狀。目前采用CVD技術(shù)可在硬質(zhì)合金基體上沉積金剛石/TiC、金剛石/TiN和金剛石/Ti(C,N)涂層。研究表明,金剛石涂層高的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)致界面溫度降低,增加了TiC/TiN涂層硬度,涂層與涂層及基體之間結(jié)合強(qiáng)度提高,顯著改善了TiC/TiN涂層的抗磨損性能。目前,曾成為金剛石薄膜涂層使用難點(diǎn)的金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基體間的附著力問題已經(jīng)基本解決,金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具及其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)外市場上出現(xiàn)[12],金剛石涂層是極具發(fā)展前景的新型涂層,近年來,美國、日本、瑞典等國家都已相繼推出了CVD金剛石涂層的絲錐、鉆頭、絞刀、立銑刀和帶斷屑槽可轉(zhuǎn)位刀片。實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計結(jié)果表明,硬質(zhì)合金金剛石涂層刀具的耐磨性和使用壽命是未涂層刀具的20~100倍,其切削性能與PCD刀具相當(dāng),但制造成本只有PCD刀具的1/8~1/4[13]。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,金剛石薄膜涂層刀具的前景不可限量。
1)自涂層方法誕生以來,涂層方法從CVD法、PVD到PCVD法,涂層材料出現(xiàn)了TiC、TiN、TiCN、TiAlN等;涂層方式則由單一涂層發(fā)展到復(fù)合涂層。目前,涂層技術(shù)已發(fā)展到第五代,每代分別是TiN、TiCN、CrAlN、CrAlN+Si和Al2O3+其他涂層。
2)涂層方法主要有化學(xué)氣相沉積 (CVD)、物理氣相沉積 (PVD)等。與CVD工藝相比,PVD工藝更符合現(xiàn)代制造的發(fā)展方向。但PVD涂層存在均勻性差等缺陷。CVD工藝仍是涂層制造的重要方法。
3)涂層工藝仍在不斷發(fā)展。目前發(fā)展方向集中在:(1)納米涂層的新工藝及產(chǎn)品不斷推出;(2)復(fù)合涂層工藝進(jìn)展迅猛;(3)金剛石薄膜涂層刀具的應(yīng)用進(jìn)入規(guī)?;?。
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