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多弧離子鍍技術(shù)及其在切削刀具鍍膜涂層中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2016-12-01
多弧離子鍍制備單層涂層
多弧離子鍍制備單層涂層TiN為面心立方結(jié)構(gòu)，呈金黃色，是目前最常用于切削刀具的涂層，其應(yīng)用的刀具涂層設(shè)備也很多，該涂層具有高硬度、高黏著強(qiáng)度、低摩擦系數(shù)、抗腐蝕性好等特點(diǎn)。但TiN涂層的抗氧化溫度較低，使用溫度達(dá)500℃時(shí)，涂層明顯氧化而被燒蝕。多弧離子鍍由于具備沉積速率高、結(jié)合強(qiáng)度好的突出優(yōu)勢(shì)，而成為物理氣相沉積TiN涂層的主要方法。
實(shí)驗(yàn)采用多弧離子鍍涂層工藝，制備了TiN涂層高速鋼鉆頭和TiN涂層硬質(zhì)合金銑刀，進(jìn)行了有TiN涂層和無(wú)涂層刀具的切削對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明：有TiN涂層的高速鋼鉆頭使用壽命是無(wú)涂層鉆頭的5～7倍，有TiN涂層硬質(zhì)合金銑刀的使用壽命是無(wú)涂層銑刀的3～11倍。
作為TiN硬質(zhì)薄膜最有前景的替代材料，TiAlN涂層比TiN具有更高的硬度、抗高溫氧化性、熱疲勞性能、耐蝕性能、膜基結(jié)合力和低的表面粗糙度。TiAlN涂層刀具壽命比TiN涂層刀具壽命高3～4倍。TiAlN涂層與TiN涂層主要性能比較如表1所示。TiAlN涂層刀具切削高合金鋼、不銹鋼、鈦合金及Ni基高溫合金時(shí)，比TiN涂層刀具使用壽命提高3~4倍。另外，在TiAlN涂層中Al濃度較高時(shí)，切削過(guò)程中表面會(huì)生成很薄的非晶態(tài)Al2O3惰性保護(hù)膜，可更有效地用于高速切削。
表 1 TiAlN 涂層與 TiN 涂層主要性能比較
| 涂層 性能 | 硬度 Hv |
氧化溫度/ ℃
|
劃痕測(cè)試臨界 負(fù)荷黏附力/N
|
結(jié)構(gòu)特征 |
摩擦性能
|
| TiAlN 涂層 | 2 720 | 840 |
80.3
|
細(xì)柱狀面心立 方結(jié)構(gòu) | 與鋼摩擦 系數(shù)0.30 |
| TiN 涂層 | 1 930 | 620 |
60.3
|
面心立方 結(jié)構(gòu)
|
與鋼摩擦 系數(shù) 0.41 |
實(shí)驗(yàn)采用多弧離子鍍技術(shù)在高速鋼麻花鉆上沉積了TiAlN單層涂層，并將TiAlN涂層高速鋼麻花鉆對(duì)1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行了干態(tài)鉆削試驗(yàn)。結(jié)果表明：在高速鋼麻花鉆基體上所制備的TiAlN涂層具有良好的力學(xué)性能，可以使高速鋼麻花鉆的使用壽命提高4倍以上。
多弧離子鍍制備多層涂層
隨著高速切削、干式切削等機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步，單層涂層已不能滿足對(duì)刀具涂層日益苛刻的工作要求。采用形成多層結(jié)構(gòu)的方法，可在充分利用單層涂層原有優(yōu)良綜合力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)的條件下，進(jìn)一步提高其硬度、韌性和高溫抗氧化性能，是目前提高刀具涂層切削性能的重要技術(shù)措施。目前研究和應(yīng)用較多的是雙層涂層和3~7層的多層復(fù)合涂層。涂層的成分更具有針對(duì)性且成分更為復(fù)雜化，另外涂層的厚度也趨向納米化，每一層的成分和厚度都可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)控制。
實(shí)驗(yàn)采用多弧離子鍍技術(shù)在高速鋼表面制備TiN/AlN納米多層涂層，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)表明，TiN/AlN納米多層膜涂層刀具比TiN單層涂層刀具具有更長(zhǎng)的使用壽命，如表2所示。
表 2 涂層刀具壽命試驗(yàn)結(jié)果
| 試樣 |
切削速度/ （m·min-1）
|
切削深度/ mm | 進(jìn)給量/ （mm· r-1） | 切削時(shí)間/ min | 磨損情況 |
| TiN 涂層刀具 | 180 | 1.0 | 0.2 | 3.83 | 刀尖燒損 |
| TiN/AlN 涂層刀具 | 180 | 1.0 | 0.2 | 5.08 | 刀尖燒損 |
多弧離子鍍制備DLC涂層
DLC（DiamondLikeCarbon，類金剛石）涂層是一種非晶態(tài)碳涂層，含有sp2和sp3雜化的碳原子空間網(wǎng)絡(luò)，具有接近金剛石的高硬度，表面非常平滑，粗糙度可達(dá)Ra0.01μm好于金剛石涂層的表面粗糙度（Ra=0.53μm）。DLC涂層摩擦系數(shù)低（0.005～0.200），只有鋼的1/6～1/12，在切削加工中有自潤(rùn)滑功能，有效地解決了切削加工中切削液帶來(lái)的污染問(wèn)題，可減少或免除切削液。因此，DLC涂層以其特有的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于切削工具領(lǐng)域，如鉆頭、銑刀、硬質(zhì)合金刀片等。
在真實(shí)生產(chǎn)環(huán)境中，刀具制備了DLC涂層并對(duì)高強(qiáng)度鋁合金進(jìn)行了切削，結(jié)果表明類金剛石涂層在干切削中具有良好的抗黏鋁性。實(shí)驗(yàn)采用真空磁過(guò)濾電弧離子鍍方法，在基體上制備了DLC涂層，結(jié)果表明涂層的粗糙度可達(dá)0.015μm，納米硬度約為55GPa。實(shí)驗(yàn)采用真空陰極電弧沉積設(shè)備在硬質(zhì)合金刀片上制備了DLC涂層，用于切削鋁青銅和共晶鋁硅合金，結(jié)果表明DLC涂層刀具使用壽命明顯高于未涂層刀具。
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