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              刀具涂層的作用有哪些

              關鍵詞 涂層 , 刀具|2019-04-23 11:09:57
              摘要 使用涂層刀具有5個主要原因:1.加耐磨性;2.提高抗氧化性能;3.減小摩擦;4.提高抗金屬疲勞性能;5.增加抗熱沖擊性。當按照設計要求正確使用恰當的刀具涂層時,最終用戶就能達到提高...

              使用涂層刀具有5個主要原因:

              1.加耐磨性;

              2.提高抗氧化性能;

              3.減小摩擦;

              4.提高抗金屬疲勞性能;

              5.增加抗熱沖擊性。

                當按照設計要求正確使用恰當的刀具涂層時,最終用戶就能達到提高切削參數、延長刀具壽命的目的,并有可能實現干式切削加工。

              刀具涂層方法

                    有兩種主要的刀具涂層方法:CVD(化學氣相沉積)法和PVD(物理氣相沉積)法。每種方法都有自身的優勢和劣勢。

                   CVD涂層是最早出現、也是最常見的涂層方法,已經沿用多年。CVD法是在一個化學反應容器內加熱基體,并將基體暴露于氣流之中。這些氣體在被加熱的基體表面分解,形成一層涂層。一般而言,CVD涂層需要的溫度約為1,000℃左右。

                   一種常見的CVD涂層是采用三種氣體——四氯化鈦(TiCl4)、氫氣(H2)和氮氣(N2)——來產生氮化鈦(TiN)+氯化氫(HCl)。HCl是該工藝的二次產物,必須按照嚴格的環保法規進行處理。

                   CVD法的優勢包括極佳的涂層粘附性,以及涂層分布的均勻性。CVD法的缺點是:涂層時的高溫會對基體產生不利影響,適用的涂層材料不多(因為涂層材料是以氣態形式提供的),以及工藝循環時間長。

                   PVD涂層是一種相對較新的刀具涂層方法,在刀具行業正變得日益流行。PVD法是在真空環境中,將涂層材料從材料源(靶材)經過傳送空間轉移到基體上。該方法采用加熱或電源供能的方式,將涂層材料氣化,然后使氣化的材料附著在基體上。

                    PVD法的優勢是適用的涂層材料范圍較廣,工藝溫度相對較低(450℃左右),允許對鋒利的切削刃進行涂層。該方法的缺點是:內表面涂層比較困難(涂層時,要求從涂層材料到基體必須處在一條直線上),對基體表面要求較高。

              主要的涂層工藝

                     PVD法有兩種主要的工藝,可用于在不同的基體上進行涂層:一種是電弧法(電弧放電);另一種是濺射法(陰極濺射)。這兩種方法都有一個額外的優點:涂層爐比較容易建造。

                    電弧法是通過電源的放電(很像是一道閃電)擊中涂層材料,并將這種材料由固體轉換為液體,再轉換為氣體狀態。該工藝的優點是沉積率高(相對于濺射法而言)。但是,由于涂層材料處于三種形態(固態、液態和氣態),因此有可能會產生一些液滴(微小的液體顆粒)。這些液滴不會轉換為氣態。

                    濺射法是采用一個加熱源,將固體涂層材料直接轉換為氣體狀態。由于涂層材料跳過了液化階段,因此不會產生液滴。但是,由于該工藝沉積率較低(相對于電弧法),因此生產周期較長。

              硬質材料涂層

                    大部分硬質材料(涂層也是一種硬質材料)都是由一種金屬和一種非金屬構成。例如,一些常見的硬質涂層包括氮化鈦(TiN)、氮碳化鈦(TiCN)、氮鋁鈦(TiAlN)、氮鈦鋁(AlTiN)和氮鉻鋁(AlCrN)。元素周期表顯示了有可能成為候選涂層材料的金屬和非金屬元素。

                    在涂層過程中,體積較小的非金屬元素——涂覆TiN時為氮(N)——嵌入到金屬鈦(Ti)的晶格空缺中。當沉積TiCN時,則由碳(C)部分取代了一些氮(N)。按照同樣的原理,也可以確定沉積其他涂層所需要的金屬和非金屬元素。

                   這是PVD工藝的優勢之一。由于金屬材料在PVD涂層爐中為固態(而CVD工藝則需要引入氣態金屬),因此,幾乎任何金屬都可以用于PVD涂層。當然,并不是所有金屬都對改善刀具性能有益,但它們都能用于涂層。

              涂層的結構

                    經過多年的發展,涂層的結構已經發生了許多變化,有了很大的改進。在涂層技術中,通常有以下五種不同的結構:

                  (1)單層結構

                   顧名思義,這種結構只有一層涂層。當我們在顯微鏡下觀察這種結構時,可以看見一些長柱形涂層結構。這種涂層很容易涂覆,但也很容易產生裂紋和破損。想象一下,當一個球擊中一束柱體時,這些柱體就會開始倒下,而裂紋輕易就能貫穿涂層,到達基體。

                  (2)多層結構

                   多層結構是由許多不同的單層結構彼此重疊在一起構成的。表面花紋鋼就是歷史上此類結構的一個例子。多層結構涂層可將幾種涂層材料的特性結合在一起,形成韌性與硬度俱佳的表面。

                  (3)納米多層結構

                   納米多層結構與多層結構本質上相同,但其層厚卻要薄得多:涂層厚度僅為原子級水平。

                  (4)納米復合涂層結構

                   納米復合涂層采用了與硬質合金刀具類似的技術。這種納米結構將粘結相(例如硬質合金中的鈷)的韌性與納米復合涂層的硬度結合在一起。

                  (5)梯度結構

                   該結構的涂層性能具有漸變性:涂層中心部分較軟而富有彈性,而在靠近表層時則變得堅硬而耐磨。

              涂層的質量控制與檢驗

                   在對刀具進行涂層后,制造商需要對涂層本身進行質量檢驗。通常,這種質量檢驗過程和程序包括以下四個方面:

                  (1)涂層厚度檢測

                   檢測涂層厚度主要有兩種方法:球頭砂輪磨削檢測法和X射線熒光輻射檢測法。

                   球頭砂輪磨削檢測是用一個很小的金剛石砂輪(球)磨除涂層,直至露出下面的基體。然后,通過用顯微鏡觀測磨除區域,就可以利用公式(X×Y)/球頭直徑測算出涂層厚度(式中,X為從上向下觀測到的涂層寬度,Y為基體+涂層寬度)。目標是將測得的涂層厚度值范圍控制在制造商的技術規定以內。

                   X射線熒光輻射檢測可能是一種更準確的檢測方法。測量原理是:涂層和基體材料都能產生X射線熒光輻射,但涂層會使基體的輻射強度減弱。通過二次輻射量測出基體輻射減弱的程度,即可確定涂層厚度。檢測涂層厚度的首選方法是球頭砂輪磨削檢測法,因為它比較直觀,而且更容易實施。

                  (2)涂層粘附性檢測

                   一旦涂層厚度合格,下一步就需要檢查涂層的粘附性,這可能是一項主觀性最強的質量控制檢測。檢測方法主要包括洛氏壓痕法和劃痕試驗法兩種。

                   顧名思義,洛氏壓痕法就是用一個硬質球,以設定的力在涂層基體表面上向下施壓。涂層基體受壓后產生裂紋,檢測人員通過一臺顯微鏡,對壓痕點的裂紋進行觀測,并評估裂紋的數量和開裂程度。根據制造商提出的具體標準,檢測人員可以確定這些裂紋是否在可接受的合格范圍內。盡管這種檢測方法看起來很簡單,但涂層厚度也會影響裂紋的數量和開裂程度,因此,允許較厚的涂層比較薄的涂層產生更多的裂紋。

                   劃痕試驗法要更直接一些。在劃痕試驗中,檢測人員對一個在涂層刀具上移動的壓頭施加逐漸加大的載荷。當達到臨界載荷Lc時,涂層開始出現裂紋。在該點測量壓頭移動的距離,如果該距離足夠長,則表明該涂層的粘附性合格。

                  (3)涂層結構檢測

                   如果涂層的厚度符合要求,粘附性也合格,下一步就需要檢測涂層的結構,其檢測方法與確定涂層厚度的球頭砂輪磨削法基本相同:用相同的球頭砂輪磨除涂層,并在顯微鏡下進行觀測,就可以看到并確認前面提到的不同涂層結構。

                  (4)涂層成分與分布檢測

                   最后一項質量控制檢測是涂層的成分與分布。這項檢測需要采用掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線技術(EDX)。SEM具有極高的圖像放大率(高達20萬倍)和高分辨率,與EDX分析相結合,就能確定涂層材料成分以及在一個很?。尚≈?納米)截面上材料的分布量。

              自行涂層與外包涂層

                   生產刀具涂層還有一個需要仔細權衡的問題:在哪里涂層?與將涂層工作外包相比,在廠內自行涂層具有很大優勢;但是,這樣做需要投入大量資金購置涂層設備。

                   自行涂層在物流、加工時間和產品質量上都更具優勢。在物流上,刀具制造商不必對需要涂層的產品進行包裝,也不需要發貨運輸,通常,這樣至少可以節約2個工作日的時間。不僅可以縮短加工時間,而且還有一個額外的好處——能夠對生產中遇到的瓶頸問題及時做出反應,并提供24小時以內的上門服務。

                   另一個優勢是可以確保涂層質量。在廠內自行涂層的刀具制造商有能力對被涂產品進行特定的裝架配置和涂前預處理。他們無需將多種產品混合涂層,有能力確保涂層批次的一致性。因此,廠內自行涂層時,產品公差范圍可以進一步縮小。

                   外部涂層服務商可能會在一個涂層爐內同時涂覆多種類型的產品,他們生產的涂層厚度總的公差帶可能為2-4μm。批次一致性更好的廠內涂層的公差帶則可以達到名義厚度的±20%。如果涂層的名義厚度為2μm,涂層總的公差則為0.8μm。涂層厚度的分布規律類似于鐘形曲線,因此,有81%的產品其總的厚度公差為0.4μm。

                   為了發展刀具涂層,人們投入了許多時間、精力、科學知識和創新思維。刀具制造商的目標是提供優質刀具,幫助用戶更快速、更精確的生產自己的零部件。我們希望,提供的這些有關刀具涂層生產工藝的基本知識能夠提醒人們,在這些漂亮的金色刀片背后,隱藏著一些復雜而精密的技術。


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