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        刀具涂层技术新亮点
        2018-12-03

        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材料已取得很大的成功,刀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地生产人造金刚石(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。


        金刚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,制成纳米级的金剐石。但现有技术需要在极高压力下进行,或通过高能等离子体喷射法来实现,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。


        制取出的碳薄膜的硬度与金刚石基本相当。而且其特殊结构可以使之具有多种用途的性能,诸如可渗透、可导电等。这不仅能降低传统金刚石涂层产品的制造成本,还有望扩大金刚石涂层的应用范围,例如平面显示器、分子滤网等。


        CVD金刚石涂层采用了许多金刚石合成技术.普通的是热丝法、微波等离子法和d、c等离子喷射法。通过改进涂层方法和涂层的粘结,已生产出金刚石涂层硬质合金刀具,并在加工非铁及非金属材料方面起着重要的作用。


        2. 立方氮化硼(CBN)涂层


        立方氮化硼(CBN)是氮化硼的高温高压相,它是第二种硬的材料(仅次于金刚石达60Gpa),其结构类似于金刚石,但CBN对于热铁、热钢和氧化环境具有化学惰性,在氧化时,形成一薄层氧化硼。此氧化物层给涂层提供了化学稳定性.因此它在加工硬的铁材(50~65HRC)、灰铸铁、高温合金和烧结的粉末金属时具有明显的优越性。


        许多科研人员试图用CVD和PVD技术沉积立方氮化硼薄膜。试验结果表明.在合成CBN相、对硬质合金基体的良好粘结和合适的显微硬度等方面已取得一定的进展。目前沉积在硬质合金基体上的立方氮化硼膜厚******仅为0.2~0.5μm,若想达到商品化,则必须采用可靠的技术来沉积高纯的、经济的CBN薄膜.其膜厚应在3~5μm,并在实际金属切削加工中证实其效果。


        CVD涂层硬质合金刀具的使用已取得迅速发展.MT-CVD涂层的韧性超过HT-CVD涂层。但是除了沉积TiCN涂层之外,若想扩展这项涂层技术,至今还不能实现。等离子辅助CVD涂层也有类似的优越性,但涂层成分也受到限制。人们期望采用低温沉积方法能够生产出新的涂层成分。


        新的PVD涂层材料的发展,包括PVD涂层Al2O3和PVD多涂层将扩大PVD涂层刀具的应用范围。这对CVD涂层将是一种挑战。


        CVD和PVD的复合涂层是完全能够实现的。TiN/NbN.TiN/Ni和TiN/NiCr的超点阵涂层与那些单相氮化物相比,具有较高的硬度,它们有望在金属切削加工中得到应用。工艺经济性的改进将增加使用金刚石涂层刀具的可能.然而它们的应用范围只限于非铁金属。突破性的发展潜力寄托于立方氮化硼(CBN)涂层硬质合金刀具.这种材料可用于加工超过当今被加工材料75%的铁材。


        3. HPPC涂层


        1986年美国威斯康辛大学开发了一种新技术.即将被处理物体置于等离子环境中,外加高电压脉冲,从而可在三维形状物体表面注入离子。此项技术的全称是Plasma Source Ion Implantation,简称PSII技术。1993年9月。在日本金泽市召开的SMMID93国际会议上。由J R Conrad博士发表特别讲演.将该项技术介绍到日本。从1998~2000年,日本组织产业界、高等院校和研究机构通力合作,经过3年反复试验研究.终于在PSII基础上开发出一种全新的涂层技术。即Hybrid Pulse Plasma Coating系统。简称HPPC技术。


        PSII技术是在被加工物体处于静止状态(无自转和公转)时,在其三维复杂形状的表面注入离子,从而达到改善表面物质性能的效果。PSII技术的原理是:对置于等离子环境中的物体外加负值高电压,以在物体附近形成无电子包层,通过该包层外加高电压。使等离子端部的离子被垂直注入于物体表面。新开发的HPPC系统中,其真空容器的内部容积为1m3,负值高电压脉冲的外加电压为20kV.脉冲宽度为5~20μs。HPPC系统中,原料气体的脉冲化、高密度脉冲等离子的形成、外加高电压脉冲的施加、真空排气等均由脉冲控制。


        HPPC系统使用甲苯气体作为原料气体时,施加由PSII进行混合时的脉冲电压,便可将类金刚碳(DLC)膜镀覆在硬质合金基体上。通过试验可知,加大混合时的电压。即可获得结合强度良好的DLC镀膜。在成膜过程中.条件掌握得当,可获得100N以上的高结合强度DLC镀膜。进行复杂形状模具均匀涂镀试验时,D为沟槽深度,d为开口部宽度,D/d为纵横尺寸比.D/d=4时进行均匀涂镀试验。试件尺寸10mm×10mm×5mm,采用传统的离子涂镀方法.只有在D/d=1的情况下才能形成有效镀膜.而采用HPPC系统.则可在深槽底部及侧壁均可形成有效镀膜。另外,还对有机金属(Si(OC2H6)4)气化后进行了陶瓷涂层试验。结果表明.采用的方法不同.膜厚比的差异也很大。如用等离子CVD工艺所获镀膜的膜厚比为2.0.而采用HPPC系统所获镀膜的膜厚比为1.3,其镀膜的均匀性明显优于前者。


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