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2.1涂层硬质合金刀具的发展状况6
2.2涂层硬质合金刀具的性能特点6
2.3涂层硬质合金刀具的应用7
2.4本课题选用的涂层刀具、目的、意义8
3金刚石涂层刀具的切削性能10
3.1粗晶金刚石和微晶金刚石涂层刀具加工铸造铝合金的对比试验10
3.2粗晶金刚石和微晶金刚石涂层刀具分别加工铜.铝合金及丙烯树脂对比试验10
3.3试验结论14
4金刚石涂层刀具的磨损机理15
4.1刀具的磨损形式15
4.2刀具磨损过程15
4.3金刚石涂层刀具磨损形态16
4.4金刚石涂层刀具的磨损机理分析16
5结束语18
致谢语19
参考文献20
0引言
紧密围绕我国工业进步,特别是汽车行业的快速发展对机械加工中高速切削的需要,常用的刀具在切削上述材料时日益暴露出其不足之处,开发各种耐磨性优良.能长时间稳定加工的涂层切削刀具是必然趋势。
因此,我们必须在理论和技术上为涂层刀具在机械加工领域的推广作些准备。
在现代刀具材料中,硬质合金占主导地位。
它们的耐热性提高到1000-1100℃以上,因而切削速度更高。
1968年前后开发的涂层硬质合金刀具是刀具材料领域里的又一次革命。
随着新型涂层材料的不断涌现,新型涂层技术的不断发展,硬质合金涂层刀具的使用领域不断扩大,在高速切削和超硬材料加工方面得到广泛应用,其优良的性价比使硬质合金刀具的发展上了一个新台阶。
[1]
1刀具材料概述
1.1刀具材料的发展
金属切削过程中,直接完成切削工作的,是刀具的切线部分。
刀具切削性能的好坏,首先决定于构成刀具切削部分的材料。
切削加工生产率和刀具耐用度的高低,刀具消耗和加工成本的多少,加工精度和表面质量的优劣等等,在很大程度上都取决也刀具材料的选择是否合理。
刀具材料的种类很多。
各种不同物理机械性能和切削性能的刀具材料,其适用的切削条件也各不相同。
深刻理解各种刀具材料的物理机械性能和切削性能,根据不同加工条件(工件材料,工件形状。
机床—刀具—工件系统的刚性。
加工类型,刀具种类等)正确选择刀具材料,使设计、制造和使用刀具者的一项重要任务。
在加工像不锈钢,耐热钢,高温合金及宇航工业中用的特种难加工材料时,刀具材料的正确选择,常常成为能不能对这种材料进行切削加工的关键问题。
数控机床及自动线的广泛采用,要求刀具具有高的尺寸耐用度和稳定性。
而这些性能,则主要决定于刀具材料本身。
近年来,随着现代科学技术的飞跃发展和各种难加工材料的出现。
以及数控车床、自动化生产线的广泛采用。
对刀具提出了更高要求,要求刀具有高的耐磨度和热稳定性。
为适应科学技术的发展及难加工材料对刀具要求的日益提高。
国内的科技工作者研制出了众多的新型刀具材料。
例如超高硬高速钢、硬质合金、特种陶瓷等等。
而切削刀具表面涂层技术是近几十年应市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提高切削刀具使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机械加工效率。
因此,涂层技术与材料、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。
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。
我国的刀具涂层技术经过多年发展,目前正处于关键时期,即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求,国内各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。
TiAlN涂层材料,具有很高的高温硬度、热硬性好、摩擦系数小、热导率高、化学稳定性好等优良特性,该涂层具有较高Al浓度,切削加工时涂层表面会生成一层极薄的非晶态Al2O3,从而形成硬质惰性保护膜,因而TiAlN涂层刀具是目前国内外高速切削加工中常用的超硬涂层刀具。
机械加工行业为了降低成本及保护环境,逐渐推广干式切削技术,使得某些材料的加工难度增大;
同时航空航天、汽车、摩托车等行业使用材料的性能不断提高,轻质强韧性材料的使用不断增加,也使加工难度日益增大;
随着机床制造业的发展,数控机床和加工中心的加工能力获得极大提高并不断向高速、高效率加工发展,进而对刀具材料提出了更高的要求。
在这些因素的影响下,切削刀具的材料也在高速发展,其中硬质合金涂层材料在刀具材料的发展中一直处于主导地位;
新型硬质合金及金属陶瓷与陶瓷等材料制作的刀具问世;
金刚石和立方氮化硼等超硬刀具材料的高速发展为广泛采用新型硬韧材料和新型加工工艺提供了广阔的应用前景。
[2,3]
1.2常用刀具材料种类
1)工具钢
工具钢刀具材料在机械加工中虽然已经基本不用,但作为刀具材料发展过程中的一个重要环节不可不提。
它可分为碳素工具钢和合金工具钢,碳素工具钢只能承受200--25O℃的切削温度,用以切削一般钢材只能适用5~8m/min的切削速度。
1865年,英国人罗伯特·
黑希特发明了合金工具钢,其牌号有CrWMn、9CrSi等,能承受350℃的切削速度,加工一般钢材时切削速度可达10--12m/min。
目前,工具钢仅使用在一些手动工具上。
2)高速钢
为了进一步提高加工效率,美国机械工程师泰勒和冶金工程师怀特于1898年发明了高速钢。
当时的成分为C0.67%,W18.91%,Cr5.47%,V0.29%,Mn0.11%,其余为铁。
它能承受550—6O0℃的切削温度,切削一般钢材可用25~30m/min的切削速度,从而使其加工效率比合金工具钢提高2.5倍以上。
从19世纪末到20世纪初,曾使英、美等主要的资本主义国家的切削水平出现了飞跃,使机械制造工业得以迅速发展。
近年来高速钢钢种发展很快,尤其以提高切削效率为目的而发展起来的高性能高速钢,国外高性能高速钢的使用比重已超过20--30%,与传统的W18Cr4V对应的高速钢已基本淘汰,代之以含钴高速钢和高钒钢。
国内高性能高速钢的使用仅占高速钢使用总量的3--5%。
粉末冶金高速钢是在不改变高速钢化学成分的条件下。
用粉末冶金技术使高速钢内的各种高硬度材料分布更加均匀,从而使其机械性能得到很大改善。
用其制作的刀具,其耐用度比一般高速钢刀具提高3--5倍。
3)硬质合金
随着工业生产发展的需要,高速钢刀具已不能满足人们对高效率加工、高质量加工和各种难加工材料的加工要求。
因而在20世纪20年代到30年代,人们发明了钨钴钛类硬质合金。
其常温硬质高达89--93HRA,能承受800--900℃以上的切削温度。
其切削速度可达100m/min,切削效率大约为高速钢的5--10倍,故在全世界硬质合金的产量增长极快,现在已成为主要的刀具材料之一,发达国家硬质合金刀具材料使用已超过刀具材料总量的一半以上。
涂层硬质合金刀具是硬质合金刀具材料应用的又一大发展。
它将韧性材料和耐磨材料通过涂层有机的结合在一起,从而改变了硬质合金刀片的综合机械性能。
使其使用寿命提高了2--5倍,它的发展相当迅速,在一些发达国家,其使用量已占硬质合金刀具材料使用总量一半以上。
我国目前正在积极发展此类刀具,已有CN15、1N25、CN35、CN16、CN26等涂层硬质合金刀片在生产中应用。
4)陶瓷刀具
随着高硬度工件材料和超精密加工的需要,20世纪中期氧化铝基和氮化硅基陶瓷刀具材料相继出现,因为它有很高的硬度和耐磨性,特别是高温硬度博得人们的青睐。
最近研究的新型陶瓷刀具材料常温硬度高达HRA91—95,特别是良好高温硬度,使其在1100--1200℃条件下可以进行切削加工,其耐磨性和化学稳定性特好。
加工一般碳钢切削速度可1500--3000m/min,加工铸铁可达400—1000m/min。
对高温合金等难加工材料,用陶瓷刀具比硬质合金刀具切削速度提高4--5倍,国际上已将陶瓷刀具视为进一步提高生产率的最有希望的刀具材料。
陶瓷刀具材料最大的缺点是韧性差,因此整个陶瓷刀具材料研究始终以增韧为中心进行研究,现在国内外广泛使用以及还在开发的陶瓷刀具材料基本上都是以氧化铝系和氮化硅系陶瓷刀具为基础材料,采用不同增韧补强机理来进行显微结构设计。
目前,许多国家又开发了Sialon陶瓷刀具材料,客观存它是把氧化铝、氮化铝、氮化硅的混合物在高温下进行热压、烧结而得到的材料,有很高强度和韧性,已成功应用于铸铁、镍基合金、硅铝合金等难加工材料的加工。
5)超硬刀具材料
目前超硬刀具材料主要指立方氮化硼和金刚石,它们在解决难加工材料的加工、提高生产率、保证加工精度等方面有着比较明显的优势。
立方氮化硼是由软的立方氧化硼在高温高压下加入催化剂转变而成的,是美国GE公司于1957年首先合成。
于20世纪70年代迅速发展为刀具材料。
我国于1967年合成出立方氧化硼样品,1975年开始工业生产,由于立方氧化硼硬度仅次于金刚石,而热稳定性和对铁的化学惰性比人造金刚石好得多,故能在较高的切削速度下加工淬硬钢和铸铁,并可加工部分高温合金、钛合金材料及Ni基,Fe基合金。
6)金刚石
金刚石目前仍是自然界已经发现的材料中最硬的材料,其显微度高达1000HV,天然金刚石由于其稀有而价格昂贵,且有一些固有缺点,因此在工业生产中被人造金刚石代替。
人造聚晶金刚石是20世纪60年代发展起来的,它是以石墨为原料,加入催化剂,经高温高压烧结而成。
金刚石刀具有极高的硬度和耐磨性,其耐磨性是硬质合金的10--100倍,热膨胀系数为高速钢的1/10,导热系数为硬质合金的5--9倍,对有色金属及非金属材料进行高速镗削和精细车削,可获得很高的表面加工质量。
金刚石刀具已广泛应用于汽车、航天、航空、国防工业中关键零部件的高精密加工,是目前超精密加工中最主要的刀具。
[4,5]
2涂层硬质合金刀具
2.1涂层硬质合金刀具的发展状况
硬质合金涂层材料在切削刀具材料的发展中一直处于领先地位,硬质合金涂层现已发展到几十种,在涂层的化学稳定性,红硬性以及与基体的粘附性等方面已取得了新的突破。
1)中低温CVD涂层
传统的氧化铝涂层α-Al2O3和κ-Al2O3的混合相结构.表面不光滑,化学稳定性差,新近开发的MTCVD单相α-Al2O3涂层工艺。
其中α-Al2O3层呈微晶结构,热稳定性好,表面光滑,抗扩散磨损性好。
中温化学气相沉积(MTCVD)涂层与CVD涂层的区别是TiCN层的结构不同。
MTCVD法采用乙腈在800℃--900℃的温度下沉积TiCN,可得到较厚的细晶纤维状结构,商品牌号的涂层厚度通常为CVD法涂层厚度的1.5倍,且为半粘结状相态。
这种中低温沉积的厚膜结构消除了在涂层过程中所产生的裂纹.而且在不降低耐磨性或抗月牙洼磨损性能的前提下提高了涂层的韧性和光洁度.从而改善了刀具在连续切削条件下的抗崩刃性能,这对加工不锈钢,球墨铸铁等十分有利。
该涂层可用于加工各种铁基材料。
在韧性基体上进行中温TiCN(厚膜)+α-Al2O3+TiN涂层的复合涂层刀具,具有较强的抗侧面磨损性能,其切削速度达30Om/min以上.已成功地用于切削铸铁和不锈钢。
2)PVD涂层
首先将PVD涂层用于硬质合金工具的是日本,开始只能涂氮化钛,现在已能涂碳氮化钛、铝钛氮化合物以及各种难熔金属的碳化物和氮化物。
原来采用阴极溅射法,沉积速度只有0.1μm/h,现已采用磁控阴极溅射法.沉积速度提高到3-lOμm/h。
为了达到要求的涂层厚度而又不引起晶粒长大,以减少接触应力和改善涂层性能.通常可以将开始产生晶粒长大的涂层中断,然后进行新的成分相容的薄层细晶涂层。
基于这一理论,日本住友公司的AC105G、AC110G等牌号的ZX超晶格涂层与多层厚膜CVD涂层形成了鲜明的对比,ZX涂层为TiN与ALN的交互涂层,层数可达2000层,每层厚度仅lnm,其硬度接近CBN烧结体的硬度。
该涂层具有很高的耐磨性、抗氧化性和抗剥落性,其寿命是TiN、TiAlN涂层的2—3倍。
美国多弧涂层公司最先研究了PVD—TiAlN涂层,发现其硬度与TiCN和TiN相当。
而热稳定性比TiCN和TiN要高。
温度达到1450℃。
改进的TiAlN涂层随AL含量的提高,其硬度更高,抗高温断裂性更强,而氧化温度不变,如果在其上再涂一层MoS2或TICN光滑涂层,将形成具有耐高温磨损和磨擦系数低的复合涂层,适合于高速切削。
干式切削和难加工材料的切削加工,其铰孔和钻孔加工能力比未涂层刀具提高3倍,磨损后还可重磨和重涂,而且切削速度越高,其切削效率越高。
3)CVD+PVD混合涂层
随着机床主轴转速的不断提高,促进了新一代CVD—TiCN+PVD—TiN混合涂层硬质合金材料的发展。
CVD—TiCN涂层具有较高的耐磨性,而PVD—TiN涂层具有压缩残余应力,这种刀具车削钛合金的速度比传统刀具要高2倍。
2.2涂层硬质合金刀具的性能特点
切削刀具基体硬涂层的成功是由于涂层的物理和力学性能的复合作用。
从使用的角度来看,涂层应具有稳定的化学稳定性能、热硬度和与基体较强的粘结性能。
优化的涂层厚度、细的显微结构及残余压应力可以进一步提高涂层性能。
1)化学稳定性
涂层材料化学惰性的标准是它的形成标准,自由能的负数很高或在切削温度下它在工件材料的溶解度很低。
至今,CVDAl2O3硬涂层在铁材加工中完全可满足这些要求。
不同涂层物质与硬质合金和工件材料在高温下的反应特性不同,A1203涂层的化学稳定性特别好,与工件材料几乎无反应,使刀具有较高的抗溶解于铁的能力,在高温下对钢与铸铁的化学惰性好。
TiC与工件材料仅有轻微的反应,因此涂层刀片比硬质合金基体有较好的抗化学磨损能力。
涂层还可明显减少刀具表面和工件材料的相互扩散作用。
TiC涂层既可阻止工作材料中的铁扩散到硬质合金中,又可阻止硬质合金中的钨和钻扩散至钢中,起到了扩散障壁作用。
TiN对铁族金属不易扩散,TiN中溶解的铁量低于TiC中溶解的量,在高温下TiN具有很好的阻止扩散作用,虽然TiN涂层的硬度不及TiC涂层硬度高,但抗月牙洼磨损能力却较TiC涂层优越。
A1203在常温时的硬度虽不及TiC,但高温硬度高,在高速范围内其耐磨性比TiC涂层及TiN涂层好,其月牙洼磨损率小于TiC或TiN涂层。
2)硬度
切削刀具的后面承受磨粒磨损,在切削温度下,只要硬涂层比基体的硬度高,就有助于增强抗磨粒磨损,虽然切削主要由化学磨损所控制,但由于高的涂层硬度会使刀具前面在较高的温度下,其抗月牙洼磨损性能得到增强,这就赋予涂层刀片较高的抗机械摩擦和抗磨损的能力。
3)耐热性
涂层刀片的耐热性可达1000-1200℃,高于硬质合金基体。
如果在常温下涂层刀片的硬度为2000HV,在1000℃高温下仍能保持l000HV,而未涂层硬质合金的硬度这时会降到500HV。
不同碳化物的软化温度也不同,WC的软化温度为1100℃,TiC为1200℃,TiN为1300℃,如果考虑到钴的软化温度比WC还低得多,则TiC,TiC涂层刀片的抗软化也比硬质合金基体高得多。
涂层物质的导热系数低于硬质合金,切削时使切削热大部分积聚在切屑中,传到刀片基体中的热量减少,涂层起到了热障壁的作用,因而基体温度较低,可减少软化程度。
4)抗粘结性能
A1203与工件材料的亲合性很小,其次是TiC及,TiN,WC与工件材料的亲合性则大得多,因此涂层刀片与工件材料的亲合性较小,不容易产生粘结,减少刀具与工件间产生粘吸作用,减少刀具的粘结磨损。
5)摩擦系数低
TiC涂层刀片在切削时所形成的氮化钛薄膜可起润滑作用,故可降低摩擦系数和摩擦力。
TiN与铁基材料的摩擦系数较TiC更低。
另外,其它一些涂层材料与硬质合金相比对工件材料的摩擦系数对较低,如金刚石与铝,其摩擦系数仅为硬质合金的一半左右。
[6,7]
2.3涂层硬质合金刀具的应用
涂层硬质合金刀具,是通过物理或化学气相沉积技术或其他方法,在硬质合金基体上涂覆一薄层(一般只有几个微米)耐磨性高的难熔金属(或非金属)化合物。
它是提高刀具材料耐磨性而不降低其韧性的有效途径之一,也是解决刀具材料发展中的一对矛盾(材料硬度和耐磨性愈高,强度及韧性就愈低)的很好方法。
涂层硬质合金刀具有比基体更高的硬度及耐磨性,有高的耐热性(可达800-1000℃)。
如在常温时的硬度为HV200O,在1000℃时仍能保持HV1000,而未涂层硬质舍金却下降到HV500。
涂层硬质合金刀具比未涂层硬质合金耐用度高(一般可提高1-3倍,高的可达5-l0倍),切削速度高,进给量及切削深度大。
在用涂层刀片车削中,进给量高达0.51-0.76mm/r,同时切削深度达6.35-7.6mm也是不罕见的。
因此,能极大提高效率,改善工件表面质量,是近些年来硬质合金领域中取得的最大成就之一。
涂层硬质合金的另一优点是通用性广,一种涂层刀片可代替几种非涂层刀片使用,因而可大大减少硬质合金品种和库存量,简化刀具管理和降低刀具成本。
涂层硬质合金虽然有很多优点,而且使用量也越来越大,但还不能完全代替普通未涂层的硬质合金。
涂层刀具不适宜特别重负荷下的粗加工和冲击大的间断切削及低速范围切削。
同时,由于涂层前刀片要经过刀刃钝圆处理,因此涂层刀片不适于进给量很小(如0.015mm)的精加工及高硬度材料(如HB300以上的钢料、冷硬铸铁等)及带硬质夹杂的材料。
硬质合金涂层刀片的出现是硬质合金刀具材料领域的第二次“革命”,机夹可转位刀片的广泛应用更增加了涂层工艺的实用价值。
因此,涂层硬质合金自60年代研制成功以来,发展极为迅速。
西方国家的涂层刀片已由l978年的26%增加到l982-1985年的5O%~60%。
新的CNC机床所用切削刀具中有8O%左右使用涂层硬质合金刀具。
目前,涂层硬质合金已由早期的TiC(1969年)、TiN(1971年)、Al2O3(1972年)等单涂层发展到TiC—TiNTiCN一TiN等双涂层及TiC—TiN—Al2O3等3种涂层,最多的可达13涂层(如联邦德国的Widalon刀片)。
金刚石涂层、立方氮化硼涂层及其它新涂层也已出现并得到应用,如日本住友电工的非晶体金刚石涂层工艺。
当然,不同的涂层其性能和特点也不相同,对于不同的涂层最好使用与其匹配的硬质合金基体,以便获得良好的使用性能。
[8,9]
2.4本课题选用的涂层刀具、目的、意义
涂层刀具的涂层材料不同其适应的场合也不同,本课题选用(Ti,Al)N涂层硬质合金刀具高速切削不锈钢时,对有涂层和无涂层刀具的切削加工性能进行研究。
金刚石膜是近10年发展起来的一个大有前途的新型薄膜材料,是世界上最优异的材料之一。
它的全方位优良特性显示出广阔的应用前景和巨大的潜在市场,被誉为21世纪材料。
金刚石薄膜的许多优异性能是其他材料无法比拟的,它具有接近天然金刚石的硬度、极高的热导率、耐磨性及化学稳定性、低摩擦系数、低膨胀系数等优点。
是高速精密加工、数控加工、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料加工刀具及高耐磨材料和高级复合材料的加工刀具的理想材料。
。
1954年12月8日,在纽约州斯克内克塔迪的美国GE通用电器公司研究发展中心的科学家本迪(F·
P·
Bundy)、霍尔(H·
T·
Hall)等人首先克服了高温高压工程、材料和测试方面的种种困难而达到了这一转变条件,成功地将石墨和含碳物质在金属熔体中合成金刚石,做出了划时代的贡献。
1987年,“金刚石薄膜”在世界上兴起,国外文献发表生长金刚石膜的方法有几十种之多。
进入20世纪80年代以来,膜的生长速率、沉积面积和结构性质已逐步达到可应用的程度。
金刚石薄膜涂层刀具是直接在刀具基体上沉积金刚石薄膜,因而适于制造复杂形状刀具。
金刚石晶粒的发展经历了由粗晶金刚石到微晶金刚石再到微米-纳米金刚石的研制过程。
本研究主要就金刚石涂层刀具与未涂层刀具,粗晶金刚石与微晶金刚石涂层刀具,微晶金刚石与微米-纳米金刚石涂层刀具的表面形貌图片、切削性能及被加工面粗糙度进行比较,充分论证了金刚石涂层刀具的优良性能及其广阔的发展前景。
紧密围绕我国工业进步,特别是汽车行业的快速发展对机械加工中高速切削的需要,常用的刀具在切削上述材料时日益暴露出其不足之处,开发各种耐磨性优良.能长时间稳定加工的涂层切削刀具是必然趋势.通过材料学和切削加工学及其它学科的交叉和综合,探讨涂层刀具在切削领域的应用,通过考察涂层刀具与未涂层刀具寿命的比较,进行切削性能的分析和磨损机理的探讨,从而在理论和技术上为涂层刀具的机械加工领域的推广作些准备.
本课题选择了”金刚石涂层刀具切削性能受晶粒变化的影响”来进行研究,通过材料学和切削加工学及其它学科的交叉和综合,探讨涂层刀具在切削领域的应用,通过考察涂层刀
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