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硬质合金刀具材料断裂韧性欠佳的问题有望解决


硬质合金刀具材料断裂韧性欠佳的问题有望解决
  由于硬质合金刀具材料的断裂韧性欠佳,因此很难应用于一些对刀具韧性要求较高的加工场合(如微型深孔钻削等)。解决这一问题的一种有效方法是使用晶须增韧补强技术。
  加入硬质合金材料中的晶须能吸收裂纹扩展的能量,吸收能量的大小则由晶须与基体的结合状态决定。晶须增韧机制主要表现为:①晶须拔出增韧:晶须在外界负载作用下从基质中拔出时,因界面摩擦而消耗掉一部分外界负载能量,从而达到增韧目的,其增韧效果受晶须与界面滑动阻力的影响。晶须与基体界面之间必须有足够的结合力,以使外界负载能有效传递给晶须,但该结合力又不能太大,以便保持足够的拔出长度。②裂纹偏转增韧:当裂纹尖端遇到弹性模量大于基质的第二相时,裂纹将偏离原来的前进方向,沿两相界面或在基质内扩展。由于裂纹的非平面断裂比平面断裂具有更大的断裂表面,因此可吸收更多外界能量,从而起到增韧作用。在基质内加入高弹性模量的晶须或颗粒均可引起裂纹偏转增韧机制。③晶须桥接增韧:当基质断裂时,晶须可承受外界载荷并在断开的裂纹面之间起到桥梁连接作用。桥接的晶须可对基质产生使裂纹闭合的力,消耗外界载荷做功,从而提高材料韧性。
  使用涂层刀具有5个主要原因:①增加耐磨性;②提高抗氧化性能;③减小摩擦;④提高抗金属疲劳性能;⑤增加抗热冲击性。
  当按照设计要求正确使用恰当的刀具涂层时,最终用户就能达到提高切削参数、延长刀具寿命的目的,并有可能实现干式切削加工。
  刀具涂层方法
  有两种主要的刀具涂层方法:CVD(化学气相沉积)法和PVD(物理气相沉积)法。每种方法都有自身的优势和劣势。
  CVD涂层是最早出现、也是最常见的涂层方法,已经沿用多年。CVD法是在一个化学反应容器内加热基体,并将基体暴露于气流之中。这些气体在被加热的基体表面分解,形成一层涂层。一般而言,CVD涂层需要的温度约为1,000℃左右。
  一种常见的CVD涂层是采用三种气体——四氯化钛(TiCl4)、氢气(H2)和氮气(N2)——来产生氮化钛(TiN)+氯化氢(HCl)。HCl是该工艺的二次产物,必须按照严格的环保法规进行处理。
  CVD法的优势包括极佳的涂层粘附性,以及涂层分布的均匀性。CVD法的缺点是:涂层时的高温会对基体产生不利影响,适用的涂层材料不多(因为涂层材料是以气态形式提供的),以及工艺循环时间长。
  PVD涂层是一种相对较新的刀具涂层方法,在刀具行业正变得日益流行。PVD法是在真空环境中,将涂层材料从材料源(靶材)经过传送空间转移到基体上。该方法采用加热或电源供能的方式,将涂层材料气化,然后使气化的材料附着在基体上。
  PVD法的优势是适用的涂层材料范围较广,工艺温度相对较低(450℃左右),允许对锋利的切削刃进行涂层。该方法的缺点是:内表面涂层比较困难(涂层时,要求从涂层材料到基体必须处在一条直线上),对基体表面要求较高。
  主要的涂层工艺
  PVD法有两种主要的工艺,可用于在不同的基体上进行涂层:一种是电弧法(电弧放电);另一种是溅射法(阴极溅射)。这两种方法都有一个额外的优点:涂层炉比较容易建造。
  电弧法是通过电源的放电(很像是一道闪电)击中涂层材料,并将这种材料由固体转换为液体,再转换为气体状态。该工艺的优点是沉积率高(相对于溅射法而言)。但是,由于涂层材料处于三种形态(固态、液态和气态),因此有可能会产生一些液滴(微小的液体颗粒)。这些液滴不会转换为气态。
  溅射法是采用一个加热源,将固体涂层材料直接转换为气体状态。由于涂层材料跳过了液化阶段,因此不会产生液滴。但是,由于该工艺沉积率较低(相对于电弧法),因此生产周期较长。
  硬质合金刀具材料涂层
  大部分硬质合金刀具材料(涂层也是一种硬质材料)都是由一种金属和一种非金属构成。例如,一些常见的硬质涂层包括氮化钛(TiN)、氮碳化钛(TiCN)、氮铝钛(TiAlN)、氮钛铝(AlTiN)和氮铬铝(AlCrN)。元素周期表显示了有可能成为候选涂层材料的金属和非金属元素。
  在涂层过程中,体积较小的非金属元素——涂覆TiN时为氮(N)——嵌入到金属钛(Ti)的晶格空缺中。当沉积TiCN时,则由碳(C)部分取代了一些氮(N)。按照同样的原理,也可以确定沉积其他涂层所需要的金属和非金属元素。
  这是PVD工艺的优势之一。由于金属材料在PVD涂层炉中为固态(而CVD工艺则需要引入气态金属),因此,几乎任何金属都可以用于PVD涂层。当然,并不是所有金属都对改善刀具性能有益,但它们都能用于涂层。
  涂层的结构
  经过多年的发展,涂层的结构已经发生了许多变化,有了很大的改进。在涂层技术中,通常有以下五种不同的结构:
  (1)单层结构
  顾名思义,这种结构只有一层涂层。当我们在显微镜下观察这种结构时,可以看见一些长柱形涂层结构。这种涂层很容易涂覆,但也很容易产生裂纹和破损。想象一下,当一个球击中一束柱体时,这些柱体就会开始倒下,而裂纹轻易就能贯穿涂层,到达基体。
  (2)多层结构
  多层结构是由许多不同的单层结构彼此重叠在一起构成的。表面花纹钢就是历史上此类结构的一个例子。多层结构涂层可将几种涂层材料的特性结合在一起,形成韧性与硬度俱佳的表面。
  (3)纳米多层结构
  纳米多层结构与多层结构本质上相同,但其层厚却要薄得多:涂层厚度仅为原子级水平。
  (4)纳米复合涂层结构
  纳米复合涂层采用了与硬质合金刀具类似的技术。这种纳米结构将粘结相(例如硬质合金中的钴)的韧性与纳米复合涂层的硬度结合在一起。
  (5)梯度结构
  该结构的涂层性能具有渐变性:涂层中心部分较软而富有弹性,而在靠近表层时则变得坚硬而耐磨。
  涂层的质量控制与检验
  在对刀具进行涂层后,制造商需要对涂层本身进行质量检验。通常,这种质量检验过程和程序包括以下四个方面:
  (1)涂层厚度检测
  检测涂层厚度主要有两种方法:球头砂轮磨削检测法和X射线荧光辐射检测法。
  球头砂轮磨削检测是用一个很小的金刚石砂轮(球)磨除涂层,直至露出下面的基体。然后,通过用显微镜观测磨除区域,就可以利用公式(X×Y)/球头直径测算出涂层厚度(式中,X为从上向下观测到的涂层宽度,Y为基体+涂层宽度)。目标是将测得的涂层厚度值范围控制在制造商的技术规定以内。
  X射线荧光辐射检测可能是一种更准确的检测方法。测量原理是:涂层和基体材料都能产生X射线荧光辐射,但涂层会使基体的辐射强度减弱。通过二次辐射量测出基体辐射减弱的程度,即可确定涂层厚度。检测涂层厚度的首选方法是球头砂轮磨削检测法,因为它比较直观,而且更容易实施。
  (2)涂层粘附性检测
  一旦涂层厚度合格,下一步就需要检查涂层的粘附性,这可能是一项主观性最强的质量控制检测。检测方法主要包括洛氏压痕法和划痕试验法两种。
  顾名思义,洛氏压痕法就是用一个硬质球,以设定的力在涂层基体表面上向下施压。涂层基体受压后产生裂纹,检测人员通过一台显微镜,对压痕点的裂纹进行观测,并评估裂纹的数量和开裂程度。根据制造商提出的具体标准,检测人员可以确定这些裂纹是否在可接受的合格范围内。尽管这种检测方法看起来很简单,但涂层厚度也会影响裂纹的数量和开裂程度,因此,允许较厚的涂层比较薄的涂层产生更多的裂纹。
  划痕试验法要更直接一些。在划痕试验中,检测人员对一个在涂层刀具上移动的压头施加逐渐加大的载荷。当达到临界载荷Lc时,涂层开始出现裂纹。在该点测量压头移动的距离,如果该距离足够长,则表明该涂层的粘附性合格。
  (3)涂层结构检测
  如果涂层的厚度符合要求,粘附性也合格,下一步就需要检测涂层的结构,其检测方法与确定涂层厚度的球头砂轮磨削法基本相同:用相同的球头砂轮磨除涂层,并在显微镜下进行观测,就可以看到并确认前面提到的不同涂层结构。
  (4)涂层成分与分布检测
  最后一项质量控制检测是涂层的成分与分布。这项检测需要采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线技术(EDX)。SEM具有极高的图像放大率(高达20万倍)和高分辨率,与EDX分析相结合,就能确定涂层材料成分以及在一个很小(可小至2纳米)截面上材料的分布量。
  自行涂层与外包涂层
  生产刀具涂层还有一个需要仔细权衡的问题:在哪里涂层?与将涂层工作外包相比,在厂内自行涂层具有很大优势;但是,这样做需要投入大量资金购置涂层设备。
  自行涂层在物流、加工时间和产品质量上都更具优势。在物流上,刀具制造商不必对需要涂层的产品进行包装,也不需要发货运输,通常,这样至少可以节约2个工作日的时间。不仅可以缩短加工时间,而且还有一个额外的好处——能够对生产中遇到的瓶颈问题及时做出反应,并提供24小时以内的上门服务。
  另一个优势是可以确保涂层质量。在厂内自行涂层的刀具制造商有能力对被涂产品进行特定的装架配置和涂前预处理。他们无需将多种产品混合涂层,有能力确保涂层批次的一致性。因此,厂内自行涂层时,产品公差范围可以进一步缩小。
  外部涂层服务商可能会在一个涂层炉内同时涂覆多种类型的产品,他们生产的涂层厚度总的公差带可能为2-4μm。批次一致性更好的厂内涂层的公差带则可以达到名义厚度的±20%。如果涂层的名义厚度为2μm,涂层总的公差则为0.8μm。涂层厚度的分布规律类似于钟形曲线,因此,有81%的产品其总的厚度公差为0.4μm。
  为了发展刀具涂层,人们投入了许多时间、精力、科学知识和创新思维。刀具制造商的目标是提供优质刀具,帮助用户更快速、更精确的生产自己的零部件。我们希望,本文提供的这些有关刀具涂层生产工艺的基本知识能够提醒人们,在这些漂亮的金色刀片背后,隐藏着一些复杂而精密的技术。
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