常用涂层材料进展及超硬涂层技术

常用涂层材料进展及超硬涂层技术

硬质涂层材料中,工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。目前,工业发达国家TiN涂层高速钢刀具的使用率已占高速钢刀具的50%～70%,有的不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90%。由于现代金属切削对刀具有很高的技术要求,TiN涂层日益不能适应。TiN涂层的耐氧化性较差,使用温度达500℃时,膜层明显氧化而被烧蚀,而且它的硬度也满足不了需要。TiC有较高的显微硬度,因而该材料的耐磨性能较好。同时它与基体的附着牢固,在制备多层耐磨涂层时,常将TiC作为与基体接触的底层膜,在涂层刀具中它是十分常用的涂层材料。

TiCN和Ti Al N的开发,又使涂层刀具的性能上了一个台阶。TiCN可降低涂层的内应力,提高涂层的韧性,增加涂层的厚度,阻止裂纹的扩散,减少刀具崩刃。将TiCN设置为涂层刀具的主耐磨层,可显著提高刀具的寿命。TiAl N化学稳定性好,抗氧化磨损,加工高合金钢、不锈钢、钛合金、镍合金时,比TiN涂层刀具提高寿命3～4倍。在Ti Al N涂层中如果有较高的Al浓度,在切削时涂层表面会生成一层很薄的非品态Al2O3,形成一层硬质惰性保护膜,该涂层刀具可更有效地用于高速切削加工。掺氧的氮碳化钛TiCNO具有很高的显微硬度和化学稳定性,可以产生相当于TiC十Al2O3复合涂层的作用。

目前硬质薄膜材料中,显微硬度HV能够超过50GPa的有3种:金刚石薄膜、立方氮化硼cBN、氮化碳。

许多沉积金刚石薄膜的温度要求为600℃～900℃,因此该技术常用于硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜。金刚石硬质合金刀具的商品化,是近几年涂层技术的重大成就。

cBN在硬度和导热率方面仅次于金刚石,热稳定性极好,在大气中加热至1000℃也不发生氧化。cBN对于铁族金属具有极为稳定的化学性能,与金刚石不宜加工钢材不同,它可以广泛用于钢铁制品的精加工、研磨等。cBN涂层除具有优良的耐磨损性能外,还可以在相当高的切削速度下加工耐热钢、钛合金、淬火钢,能切削高硬度的冷硬轧辊、掺碳淬火材料和对刀具磨损非常严重的Si—Al合金等。低压气相合成cBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化学输运PCVD,热丝辅助加热PCVD、ECR—CVD等;PVD则有反应离子束镀、活性反应蒸镀、激光蒸镀离子束辅助沉积法等。cBN的合成技术,在基础研究和应用技术方面都还有不少工作要做,包括反应机制和成膜过程、等离子体诊断和质谱分析、最佳工艺条件的确定、高效率设备的开发等。

氮化碳有可能具有达到或超过金刚石的硬度。合成氮化碳的成功,是分子工程学十分杰出的范例。作为超硬材料的氮化碳,预期还有其它许多宝贵的物理化学性质,研究氯化碳成为世界材料科学领域的热门课题。(中国刀具商务网)