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刀具涂层技术


 切削刀具(涂层硬质合金和涂层高速钢刀具)表面涂层技术是近几十年来应巿场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可有效延长切削刀具的使用寿命,赋予刀具优良的综合机械性能,从而大幅提高机械加工效率。也正因为此,涂层技术与切削材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。

    切削刀具涂层是指在机械切削刀具的表面上涂覆一层硬度和耐磨性很高的物质。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视,在工业发达国家的工厂中,实施了涂层的刀具在总体中的占比近60%。

    目前涂层技术方法主要有气相沉积法、溶胶-凝胶法、热喷涂法等。其中,气相沉积法的应用较多,且制备涂层的质量较高。气相沉积技术通常可分为物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)和化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)。

    通过气相沉积法制备切削刀具表面涂层的方法主要包括以下几种:磁控溅射沉积涂层、电弧离子镀沉积涂层、高温化学气相沉积涂层、中温化学气相沉积涂层、等离子增强化学气相沉积涂层。这当中最常用的为高温化学气相沉积、磁控溅射沉积和电弧离子镀,下文将结合各类涂层技术的不同机理,阐述其优缺点。 磁控溅射沉积技术 磁控溅射沉积涂层(magnetron sputtering)技术属于辉光放电范畴,利用阴极溅射原理进行镀膜。膜层粒子来源于辉光放电中氩离子对阴极靶材产生的阴极溅射作用。氩离子将靶材原子溅射下来后,沉积到工件上形成所需膜层。因为在溅射装置的靶材部分引入磁场,磁力线将电子约束在靶材表面附近,延长其在等离子体中的运动轨迹,从而提高其在参与气体分子碰撞和电离过程的程度。

    磁控溅射沉积具有如下优点:(1)沉积速率高、维持放电所需靶电压低;(2)电子对于衬底的轰击能量小;(3)膜层组织细密,由于磁控溅射沉积涂层是靠阴极溅射方式得到的原子态粒子,携带着从靶面获得的较高能量到达工件,利于形成细小核心、长成非常细密的膜层组织;(4)磁控溅射沉积涂层能够获得大面积薄膜,可获得广泛应用。

    但是这一方法也存在以下一些问题:(1)靶材刻蚀不均匀。由于磁场强度分布不均匀,使靶材利用率低。这可以通过合理设计靶材结构、配加电磁场来促成靶面磁场强度的变化,实现放电扫描,从而有效提高靶材利用率。(2)金属离化率低。针对此,可按要求加大(或减少)靶中心的磁体体积,造成部分磁力线发散至距靶较远的衬底附近,达成非平衡磁控溅射(unbalanced magnetron sputtering)。 值得一提的是,磁控溅射方法也可用于制备多层膜和纳米膜,而随着高新技术和新兴加工业的迅速发展,沉积具有更高性能的多层膜和纳米膜的需求日渐增多。因此,磁控溅射技术值得进一步的深入研究和发展,其应用前景优越。



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