硬质合金涂层技术

2021/2/13
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1.4.1碳化钛和氮化钛涂层
就车削而言，最佳的涂层厚度在6－ 12μm之间。如果低于这一厚度，抗磨损 性能就会降低。相反，如果大于这一厚 度，由于刀片刃口中存在的应力，涂层 会通过已有的纵向裂纹剥落和碎裂，特 别在加工淬硬钢或进行断续切削时更如 此。
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氧化铝涂层技术
通常采用基体表面进行预处理或在沉积氧化铝 之前在硬质合金表面上先涂一层碳化物或碳氮 化物的办法来克服这些问题。 应用最新的技术有可能沉积厚氧化铝涂层，但 晶粒结构稍粗。 这一独特的CVD陶瓷涂层给人们带来了复合涂 层的概念，即在陶瓷涂层和薄薄的氮化钛涂层 之间反复交替。
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氧化铝涂层技术
通过对CVD技术的进一步的开发，现在已有可 能生产较厚的氧化铝涂层。 图6.4-13展示了两款现代陶瓷涂层。图的上半 部是一个分别由TiC、Ti(C,N)、TiN和Al-O-N 的11个独立的涂层复合而成的。细晶粒Al-ON(氧氮化铝)涂层结构是通过沉积每一薄涂层 而获得的。 图6.4-13的是一个下半部由TiN、TI(C,N)和上 半部由厚Al2O3涂层构成的涂层。
d．被加工工件具有较高的表面光洁度； e．具有良好的通用性，从而可精简硬质合金的
牌号。
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图6.4-6 可转位刀片的CVD涂层炉
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1.4涂层种类
早在五十年代初期人们在一些应用领域里已经 开发出钢件的TiC和TiN的CVD涂层。当时人们 期待着钢件表面涂层会有许多技术上的优势。 然而，一开始人们就似乎没有认识到在已经很 硬的硬质合金上再涂上硬质涂层会有用。因此， 直到六十年代末第一批TiC涂层硬质合金可转 位刀片才投放市场。图6.4-7（资料来自1969年） 对涂层在切削效率上的明显提高作了说明。
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表6.4-1 各种硬质涂层材料及其硬度
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涂层硬质合金的优点
a．具有较高的室温和高温硬度，从而可提高工 具的耐磨性，减少硬质合金消耗；
b．具有很好的抗氧化、抗月牙洼磨损性能，从 而可用于高速切削加工，提高加工效率；
c．具有较小的摩擦系数，从而Hale Waihona Puke Baidu降低切削力， 减小功率消耗，节约能源；
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1.4.3铣削用涂层
用于铣削的可转位刀片要求具有韧性高、 对裂纹不敏感和刃口涂层不易剥落的特 点。涂层总厚度必须限制在3－5μm之间。 图6.4-14展示了两个铣削用的CVD涂层， 两者都具有细晶粒基体结构。 图6.4-15证明了图6.4-14中的复合陶瓷涂 层切削性能的提高程度。
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图6.4-14 铣削用CVD涂层
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1.4.5中温CVD涂层 的特点
中温CVD 涂层的温度比较低，减少了涂层与基体之 间的相互作用，防止了基体的脱碳。 中温CVD涂层的速度比较高。与普通CVD涂层相比， 中温CVD 涂层 的速度要高两倍。 基体上的热负荷较低,从而降低由于涂层和基体的热 失配而产生的界面应力。 中温CVD 涂层可保证较好的制品尺寸稳定性。 中温CVD 涂层比较厚，最大可达30微米，大大提高 了刀片的耐磨性和连续使用寿命。
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图6.4-7 1969年Widia公司推出的涂层 刀片
超硬TiC涂层，4-8厚 硬质合金基体
Widia的TiC涂层刀片 耐 磨 性
普通刀片
韧性
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1. 4.1碳化钛和氮化钛涂层
碳化钛涂层的意义不仅在于它被用来探 索硬质材料涂层中的许多难题，而且在 于它常被用作复合涂层的组成部分。 涂层的抗磨损性能首先用月牙洼的深度 和后面磨损的宽度来评估。这些特性值 通过在一定条件下对选定的工件材料进 行车削而获得（图6.4-9）。
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1.4.2氧化铝基涂层
随着切削速度的不断提高，切削刃会出现很高 的温度。因此影响刀片磨损的常规材料性能发 生了重大改变。在三个涂层材料中――碳化钛、 氮化钛和氧化铝，在1000℃下氧化铝的优点： 最高的硬度 最低的导热率， 最小的切削刃塑性变形的危险 最高的化学稳定性 焊接到铁基材料的趋势以及摩擦系数也很低
b.同时脱β层内的钴含量均高于合金内部的钴含量， 其量大约为合金内部钴含量的1.4倍，而与脱β 层的厚度无关。
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1.4.6脱β层基体涂层硬质合金的结构、
性能
脱β层基体的CVD涂层采用标准的涂层方法进 行。试验采用WC-9%β(N)-5.6%Co合金为基体， 在1000℃下沉积TiC涂层，涂层厚度控制在7μm 左右。试验表明：
a.涂层与基体之间均产生η－相，而且无论脱β层 的厚度如何，η－相层均很薄。
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图 6.4-9 切削试验示意图
KT=月牙洼深度 VB=后面磨损高度
a=切削深度
排屑面 涂层
后面
刀片基体 工件材料
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1.4.1碳化钛和氮化钛涂层
对分别涂有TiC和TiN涂层的可转位刀片 进行切削能力的对比发现：TiC具有较好 的抗后面磨损性能，而TiN在降低月牙洼 磨损方面则显得特别有效。采用TiC和 TiN的双层涂层就可将这两个优点结合在 一起。此类型涂层的进一步的开发是对 TiC和TiN涂层之间的过渡层进行了改进， 即过渡层为一层具有明显碳和氮成分梯 度的Ti(C,N)层
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概述
硬质合金的表面强化处理技术有很多种，但其 中应用的最成功、最广泛的是CVD和PVD涂层 技术。 硬质合金的涂层技术是六十年代后期发展起来 的一项先进技术，是硬质合金领域中具有划时 代意义的重要技术突破。它的出现为解决硬质 合金耐磨性和韧性相互矛盾的问题提供了一条 极为有效的途径。