Розробка нових матеріалів для твердих покриттів ріжучих інструментів

Розробка нових матеріалів для твердих покриттів ріжучих інструментів

IKS PVD PV Інструменти для вакуумного нанесення покриттів PVD ， Зв'яжіться з нами зараз. Iks.pvd@foxmail.com

1. Розробка багатошарових і композитних твердих покриттів

Технологія PVD завдяки своїй температурі обробки, що контролюється під 500 ℃ , може бути використана в якості остаточного процесу обробки, дуже підходить для покриття високошвидкісних сталевих інструментів, значно підвищити продуктивність різання високошвидкісного сталевого різака, тому технологія з 1980-х рр. Швидке просування, до кінця 1980-х років, покриття PVD складних ріжучих інструментів HSS в промислово розвинених країнах перевищило 60% .На початку 21 століття, покриття PVD фрези HSS в промислово розвинених країнах досягли 50% %, а коефіцієнт покриття PVD складних фрез HSS досягав 90%. Успішне застосування технології PVD в області високошвидкісних сталевих інструментів привернуло велику увагу з боку обробної промисловості в усьому світі. У конкурентній боротьбі за розробку високоефективних і високоефективних обладнання для нанесення покриттів було розширено застосування технології PVD (особливо при застосуванні твердосплавних і керамічних інструментів). Результати показують, що в порівнянні з процесом CVD температура процесу PVD низька, під 600 ℃ не впливає на міцність на вигин матеріалу ріжучого інструменту. Внутрішній напружений стан плівки є напругою стиснення, яка більш підходить для покриття точністю цементованої твердості і складних ріжучих інструментів. В кінці 1990-х років технологія PVD широко застосовувалася для обробки покриття твердосплавними кінцевими фрезами, буровим долотом, свердлінням отворів для розливу нафти, розгорткою, краном, фрезою та іншою фрезою і т.д.

Німецька консалтингова компанія "Євразія" проаналізувала ринок покриття інструменту в Китаї в 1999 році. Розмір ринку покриття інструменту в Китаї в 1999 році склав 75,12 млн. Юанів. Відповідно до статистики Китайського машинобудівного щорічника (сфера діяльності є членом інструментальної асоціації) Найбільшу частку займають високошвидкісні вироби з металочерепиці в Китаї, на їхню продукцію припадає 85,9%, на 89,8% - на продаж, а на інструмент для нанесення покриттів - лише 3% ~ 4%. ринок покриття зросте більш ніж на 20 відсотків щорічно, і ринок покриття інструменту PVD зросте ще більше, і розмір китайського ринку покриття інструментів, як очікується, досягне 247,69 млн юанів до 2005 року. тому розвиток технології покриття інструменту має велике значення. Хоча нинішня вітчизняна технологія покриття інструменту і міжнародний просунутий рівень порівняно з великим розривом, звичайне покриття TIALN hnology не є зрілим, але величезний ринок додатків і все більш гострі вимоги країни до інновацій, зелених технологій виробництва, сприяли інноваційному розвитку вітчизняної технології нанесення покриття.

Ріжучий інструмент поверхні твердої плівки на вимогу матеріалу: 1, висока твердість, хороша зносостійкість; 2. Стабільні хімічні властивості, відсутність хімічної реакції з матеріалами заготовки; 3, стійкість до нагрівання та окислення, низький коефіцієнт тертя та матрична адгезія. Одним матеріалом покриття важко відповідати всім наведеним вище технічним вимогам. Розробка матеріалів покриттів, була від оригінального покриття TiN, TiC покриття, пройшла TiC Al, 03-олово композитне покриття і TiCN, TiAlN та інші багатошарові стадії розробки покриття, тепер остання розробка TiN / NBN, TiN / CN та інші багатокомпонентні плівкові матеріали, продуктивність покриття інструменту значно покращилася.

TiN є найбільш зрілим і широко використовуваним твердим матеріалом для покриття. На сьогоднішній день швидкість використання фрезів HSS з покриттям TiN в промислово розвинених країнах становила 50% - 70% фрез HSS, а також частота використання деяких нетранслируемих комплексних різців. перевищив 90% .Завдяки високим технічним вимогам сучасних металорізальних інструментів, покриття TIN поступово не адаптувалося. Стійкість окислення TiN покриття бідніша, при температурі використання 500 The; Твердість не могла задовольнити потреби. Тік має більш високу мікротвердість, тому зносостійкість цього матеріалу краще. У той же час він міцно прилягає до підкладки. При приготуванні багатошарового зносостійкого покриття TiC часто використовують в якості основної плівки в контакті з підкладкою. Це дуже поширений матеріал покриття в засобі для нанесення покриття. Розробка TiCN і TiAlN ще більше підвищила продуктивність покритих різаків. TiCN може зменшити внутрішні напруги покриття, поліпшити ударну в'язкість покриття, збільшити товщину покриття, запобігають дифузії тріщин і зменшують поломку лопатки. ТіКН встановлюється як основний шар зносу інструменту з покриттям, що може значно поліпшити термін служби інструменту. При обробці високолегованої сталі, нержавіючої сталі, титанового сплаву і нікелевого сплаву, термін служби оцинкованого різака може бути збільшений на 3 ~ 4 рази. Якщо є висока концентрація Al в TiAlN-покритті, то дуже тонкий аморфний Al2O3 буде генеруватися на поверхні покриття під час різання, утворюючи тверду інертну захисну плівку. Інструмент з покриттям може бути більш ефективно використаний при високошвидкісному різанні. Нітрид титану, легований киснем, має дуже високу мікротвердість і хімічну стабільність, що дозволяє виробляти композитне покриття, еквівалентне TIC + AL2O3. складні сполуки, деякі з яких мають високу твердість, ці матеріали можуть бути розроблені і застосовані до покриттям інструментів, зробить новий прорив у виконанні покривних інструментів.

2. Застосування алмазної плівки синтезу низького тиску газової фази

Серед твердих плівкових матеріалів, згаданих вище, існують три види алмазної плівки, кубічний нітрид бору CBN і нітрид вуглецю, мікротвердість яких може перевищувати 50 ГПа. Ці кілька ультрависоких твердих плівкових матеріалів відкрили дуже важливе значення для розвитку покриття ріжучий інструмент жорсткої плівки, тому що рідкісний і дорогий природний алмаз далеко не відповідає потребам сучасної промисловості. У середині 1950-х років компанія загального виробництва США штучно синтезувала алмаз, і отримала гранульований і порошковий алмаз. Полікристалічні алмазні леза (PCD), які зазвичай використовуються в механічній промисловості, також мають обмежену продуктивність завдяки своїй простої геометрії, відсутності переривників і розумних геометричних параметрів. плівки синтезували шляхом хімічного осадження з парової фази низького тиску (LCVD). Після більш ніж 20-річних технологічних проривів технологія осадження пара з низьким тиском для алмазу, нарешті, зробила серйозний прорив, і дослідження алмазів стали актуальною темою у всьому світі.

Алмазний і графітовий аллотроп, алмазний кристал - кубічна кристалічна система, а графіт - гексагональна кристалічна система. Завдяки різним режимам зв'язування між атомами, їх продуктивність сильно варіюється. Термодинамічно, графіт більш стабільний, ніж алмаз. Газова фаза, у фазовій діаграмі вуглецю, здійснюється в області, де графіт стабільний і алмаз є метастабільним. Однак, оскільки хімічні потенціали двох фаз настільки близькі, обидві фази можуть бути сформовані. синтез алмазу під тиском газової фази інгібує графітову фазу і сприяє росту алмазної фази. Загальним методом синтезу є метод гарячого дроту. Плазмове поліпшення хімічного осадження з парової фази (PECVD), включаючи мікрохвильовий PCVD, електронний циклотрон Методи ДЦ і високочастотного плазмового розряду плазми. Вхід енергії в реакційний процес (наприклад, потужність РЧ, потужність НВЧ тощо), стан активації і оптичний режим Відносне значення реакційного газу, а також режим нуклеації в процесі осадження тощо, відіграють вирішальну роль у формуванні алмазної плівки. Константи кристалів і граток матеріалів підкладки мають великий вплив на зростання зародків алмазної плівки. Коли фаза алмазу і графітова фаза зароджуються одночасно на підкладці, графітова фаза буде швидко зростати. Якщо є висока концентрація атомного водню, вона роз'їдає зростаючу графітову фазу і видаляє графітову фазу. Хоча це може призвести до корозії алмазної фази, вона набагато повільніша, щоб пригнічувати зростання фази графіту. Багато вимог до нанесення температури плівки алмазу 600 ~ 900 ℃, тому технологія, що використовується для осадження алмазної плівки на поверхні цементованої ріжучі інструменти з твердого сплаву.

3. Технологія тонкої плівки CBN має ще бути проривом

У порівнянні з синтетичною алмазною плівкою, синтетична плівка CBN є пізньою дослідницькою областю. CBN має три ізомери: структуру кубічної сфалерити CBN, структуру H-bn гексагонального графіту, W-bn гексагональну структуру wurtzite. H-bn має дуже схожу структуру з графітом і дуже м'якою текстурою. У w-bn і CBN атоми B і N повинні утворювати між собою квад координаційну структуру. Вони є надтвердими матеріалами. CBN, отриманий методом високої температури і високого тиску, є гранульованим кристалом з найвищою мікротвердістю до 84,3 ГПа. Найвища мікротвердість плівки CBN становить 61,8 ГПа, а її комплексна продуктивність не менше, ніж у алмазної плівки. CBN - це лише за твердістю і теплопровідністю алмаз, і має чудову термічну стабільність. до 1000 ide оксиду. CBN має надзвичайно стабільні хімічні властивості для металів групи заліза, що відрізняється від алмазу, який не підходить для обробки сталі. Він може бути широко використаний для обробки та шліфування сталевих виробів. Окрім відмінної зносостійкості, покриття CBN може використовуватися для обробки високотемпературної сталі, титанового сплаву та загартованої сталі при досить високій швидкості різання, і може використовуватися для різання ролики з високою твердістю, вуглецеві змішувальні матеріали та сплав si-al з дуже важким зносостійкістю. Методи КВД та ПВД є основними методами синтезу плівок CBN. До складу КВД входить хімічна транспортна PCVD, нагрівальна дротова система опалення PCVD, ecr-cvd, ПВД включає в себе реактивний іонний промінь, реакційне випаровування і лазерне іонне нанесення пучків.

Технологія синтезу CBN досі має багато працювати у фундаментальних дослідженнях та технологіях застосування, включаючи механізм реакції та процес формування плівки, плазмовий діагностику та аналіз мас-спектрометрії, визначення найкращих умов процесу, розробку високоефективного обладнання тощо. .

4. Нітрид вуглецю, який може перевищувати твердість алмазу

Наприкінці 1980-х років американські вчені ІІУ і ко-хен розробили p-c3n4, нове з'єднання, подібне до p-si3n4. Об'ємний модуль, діапазон енергії та константи символів p-c3n4 були розраховані з використанням фізики твердого тіла та теорії квантової хімії, і було встановлено, що об'ємний модуль нітриду вуглецю досягає чисельного діапазону алмазу. Пропорційно модулю гучності, твердість C3N4 може досягати твердості алмазу, що привернуло увагу вчених усього світу. У 1994 р. МІУ опублікував новий результат дослідження E53. Він прийняв метод ab initio розрахунку молекулярної динаміки моделі змінної ґратки (vs-md), розширив теоретичні дослідження малоенергетичних C3N і твердих, і вказав, що C і N можуть мати три структури: P-фазу гексагональної кристалічної системи, Сфалеритна структура кубічної кристалічної системи і графітоподібна структура трикутної кристалічної системи. У 1996 році Джетер і Хемлі в Сполучених Штатах як і раніше використовували перші принципи ab initio розрахунків, але змінили процес. Періодична функція використовується для розширення електронної хвилі на дві плоскі хвилі. Використано розширене збереження стандарту та збереження міцності (ENHC). Отримано C3N4 з п'ятьма структурами, які мають n-фазу, p- фаза, структура кубофазної обманки, кубофазна структура силикоцинка Е і графітова фаза. Крім графітоподібної фази, інші чотири є надтвердими матеріалами. cc 3 n 4 в кубічно-фазовій силікозинцевой руді вище, ніж у алмазу. Тому нітрид вуглецю може мати твердість алмазу.

Успіх синтезу нітриду вуглецю є чудовим прикладом молекулярної інженерії. Очікується, що нітрид вуглецю, як надтвердий матеріал, має багато інших цінних фізичних і хімічних властивостей. Основні способи синтезу нітриду вуглецю - це реактивне розпилення. метод осадження з допомогою іонного пучка, метод ECR-CVD, метод осадження пучка подвійних іонів і т.п. Університет ЦПУ "Китай" також отримав 60,8 ГПа нітриду вуглецю високої твердості, а синтетичний вуглецевий твердий вуглецевий нітрид вуглецю досягав 50,0 ГПа9 і наносився на дриль HSS та отримав дуже хороші характеристики свердління. полягає в тому, щоб уникнути осадження графітової фази.