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切削刀具涂层技术的发展

二十世纪六十年代以来,cvd技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。由于CVD工艺气相沉积所需金属源的制备相对容易,可实现Tin、Tic、TiCN、Tibn、Tib2、Al2O3等单层及多元多层复合涂层的沉积,涂层与基体结合强度较高,薄膜厚度可达7~9μm,因此到八十年代中后期,美国已有85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理,其中cvd涂层占到99%;到九十年代中期,cvd涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占80%以上。

尽管CVD涂层具有很好的耐磨性,但cvd工艺亦有其先天缺陷:一是工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度下降;二是薄膜内部呈拉应力状态,易导致刀具使用时产生微裂纹;三是cvd工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染,与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触,因此自九十年代中期以来,高温CVD技术的发展和应用受到一定制约。八十年代末,krupp.WIDIA开发的低温化学气相沉积(pcvd)技术达到了实用水平,其工艺处理温度已降至450~650℃,有效抑制了η相的产生,可用于螺纹刀具、铣刀、模具的tin、ticn、tic等涂层,但迄今为止,pcvd工艺在刀具涂层领域的应用并不广泛。九十年代中期,中温化学气相沉积(mt-cvd)新技术的出现使cvd技术发生了革命性变革。mt-cvd技术是以含c/n的有机物乙腈(ch3cn)作为主要反应气体、与ticl4、H2、N2在700~900℃下产生分解、化学反应生成ticn的新工艺。采用mt-cvd技术可获得致密纤维状结晶形态的涂层,涂层厚度可达8~10μm。这种涂层结构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性,并可通过高温化学气相沉积(ht-cvd)工艺在刀片表面沉积al2o3、tin等抗高温氧化性能好、与被加工材料亲和力孝自润滑性能好的材料。

mt-cvd涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用,其寿命可比普通涂层刀片提高一倍左右。目前,cvd(包括mt-cvd)技术主要用于硬质合金车削类刀具的表面涂层,涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用CVD技术还可实现α-Al2O3涂层,这是pvd技术目前难以实现的,因此在干式切削加工中,CVD涂层技术仍占有极为重要的地位。最常用的涂层:TiN,涂层颜色为金黄色,适合于加工低合金钢和不锈钢;TiCN(碳氮化钛),涂层颜色为灰色,硬度比TiN要高,耐磨性更好,其进给速度和切削速度分别较TiN高出40%和60%;TiAlN,涂层为灰色或黑色,主要涂在硬质合金刀具基体表面。


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