Desenvolvimento de novos materiais para revestimentos duros de ferramentas de corte

Desenvolvimento de novos materiais para revestimentos duros de ferramentas de corte

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1. Desenvolvimento de materiais de revestimento duro múltiplos e compostos

Tecnologia PVD por causa de sua temperatura controlada de processamento inferior a 500 ℃ , pode ser usado como o processo de tratamento final, muito adequado para o revestimento de ferramentas de aço de alta velocidade, melhorar significativamente o desempenho de corte de alta velocidade cortador de aço, então a tecnologia da década de 1980 promoção rápida; Até o final da década de 1980, a taxa de revestimento PVD de ferramentas de corte complexo HSS em países desenvolvidos industrial ultrapassou 60% .Pelo início do século 21, a taxa de revestimento PVD de cortadores de HSS em países desenvolvidos industrial atingiu 50% ~ 70 %, e a taxa de revestimento PVD dos cortadores complicados HSS alcançou até 90%. A aplicação bem-sucedida da tecnologia PVD no campo das ferramentas de aço rápido tem atraído grande atenção da indústria de manufatura em todo o mundo. Enquanto competem para desenvolver equipamento de revestimento de alto desempenho e alta confiabilidade, o campo de aplicação da tecnologia PVD foi expandido (especialmente na aplicação de ferramentas de metal duro e cerâmica). Os resultados mostram que em comparação com o processo CVD, a temperatura do processo PVD é baixa, abaixo de 600 ℃ não teve efeito sobre a resistência à flexão do material da ferramenta de corte.O estado de tensão interna do filme é a tensão de compressão, que é mais adequado para o revestimento de precisão de metal duro e ferramentas de corte complexas.Não impacto negativo sobre o meio ambiente, em linha com a direção de desenvolvimento de fabricação verde.No final de 1990, a tecnologia PVD tem sido amplamente aplicada para o tratamento de revestimento de fresa de topo de carboneto, broca, furação de óleo, alargador, torneira, fresa indexável e especial-shaped cortador, etc.

A empresa de consultoria alemã Eurasia analisou o mercado de revestimento de ferramentas na China em 1999. O tamanho do mercado de revestimento de ferramentas na China em 1999 foi de 75,12 milhões de yuan.Segundo as estatísticas do anuário da indústria de máquinas da China (escopo é um membro da associação de ferramentas) produtos ferramenta de aço de alta velocidade na China representaram a maior proporção, o seu valor de produção representou 85,9%, as vendas representaram 89,8%, e no mesmo ano ferramenta de revestimento representaram apenas 3% ~ 4% .A empresa prevê que a ferramenta chinesa mercado de revestimento crescerá mais de 20 por cento anualmente, e o mercado de revestimento de ferramentas PVD crescerá ainda mais, e o tamanho do mercado chinês de revestimento de ferramentas deverá chegar a 247,69 milhões de yuan em 2005. Porque o mercado de processamento de ferramentas da China é muito grande, por isso, o desenvolvimento de tecnologia de revestimento de ferramentas é de grande importância.Embora a tecnologia de revestimento de ferramentas doméstica atual e o nível avançado internacional em comparação com a grande lacuna, o revestimento TIALN ordinário tec hnology não é maduro, mas o enorme mercado de aplicativos e requisitos cada vez mais urgentes do país para a inovação, a tecnologia de fabricação verde, promoveu o desenvolvimento inovador da tecnologia de revestimento de ferramentas domésticas.

Superfície da ferramenta de corte do filme duro sobre os requisitos de material: 1, alta dureza, boa resistência ao desgaste; 2. propriedades químicas estáveis, nenhuma reação química com materiais da peça de trabalho; 3, resistência ao calor e à oxidação, baixo coeficiente de atrito e matriz de adesão firme. É difícil que um único material de revestimento atenda a todos os requisitos técnicos acima. O desenvolvimento de materiais de revestimento, foi a partir do revestimento TiN único original, revestimento de TiC, passou por TiC Al, 03-tin revestimento composto e TiCN, TiAlN e outro estágio de desenvolvimento de revestimento multi-composto, agora o mais recente desenvolvimento de TiN / NBN, TiN / CN e outros materiais de filme multi-compósito, o desempenho do revestimento da ferramenta foi muito melhorado.

O TiN é o material de revestimento duro mais maduro e amplamente utilizado. Atualmente, a taxa de uso de cortadores de HSS revestidos com TiN em países industrializados tem representado 50% ~ 70% de cortadores HSS e a taxa de uso de alguns cortadores complexos não reafiados. excedeu 90% .De acordo com os requisitos técnicos elevados de modernas ferramentas de corte de metal, revestimento de estanho gradualmente não conseguiu adaptar.A resistência à oxidação do revestimento de TiN é mais pobre, quando a temperatura de uso é de 500 ℃ ; O filme foi obviamente oxidado e ablacionado, e sua dureza não poderia atender a necessidade.TiC tem maior microdureza, então a resistência ao desgaste deste material é melhor.Ao mesmo tempo, adere firmemente ao substrato. Na preparação de revestimento multicamada resistente ao desgaste, o TiC é frequentemente usado como o filme subjacente em contato com o substrato. É um material de revestimento muito comum na ferramenta de revestimento.O desenvolvimento de TiCN e TiAlN melhorou ainda mais o desempenho de cortadores revestidos.TiCN pode reduzir a tensão interna do revestimento, melhorar a tenacidade do revestimento, aumentar a espessura do revestimento, evitar a difusão de rachaduras, e reduzir a quebra da lâmina.TiCN é definido como a camada de desgaste principal da ferramenta revestida, o que pode melhorar significativamente a vida útil da ferramenta.TiAlN tem boa estabilidade química e abrasão anti-oxidação. Ao processar aço de alta liga, aço inoxidável, liga de titânio e liga de níquel, a vida útil do cortador revestido de estanho pode ser aumentada em 3 ~ 4 vezes. Se houver uma alta concentração de Al no revestimento de TiAlN, um amorfo muito fino O Al2O3 será gerado na superfície do revestimento durante o corte, formando uma película protetora inerte e dura. A ferramenta revestida pode ser usada com mais eficiência em cortes de alta velocidade.Nitrato de titânio dopado com silicone O TiCNO possui microdureza e estabilidade química muito altas, que podem produzir um revestimento composto equivalente a TIC + AL2O3.Alguns nitretos, carbonetos, boretos e seus metais de transição compostos complexos, alguns dos quais têm alta dureza, esses materiais podem ser desenvolvidos e aplicados a ferramentas de revestimento, farão um novo avanço no desempenho de ferramentas de revestimento.

2. Aplicação de filme de diamante de síntese em fase gasosa a baixa pressão

Entre os materiais de filme duro mencionados acima, existem três tipos de filme de diamante, nitreto de cúbico de boro CBN e nitreto de carbono cuja microdureza HV pode exceder 50GPa.Estes materiais de filme ultra-alta dureza abriram um uso muito importante para o desenvolvimento de revestido filme duro de ferramenta de corte, porque diamante natural raro e caro está longe de atender às necessidades da indústria moderna.Em meados da década de 1950, os Estados Unidos motores gerais empresa sintetizaram artificialmente diamante e granular e pó diamante.Como diamante granular é difícil de ser usinado, é difícil de aplicá-lo à superfície da ferramenta.Plinas de diamante policristalino (PCD) comumente usadas na indústria mecânica também têm desempenho limitado devido à sua geometria simples, sem quebra-cavaco e parâmetros geométricos razoáveis.No início de 1970, diamante fino Os filmes foram sintetizados por deposição de vapor químico de baixa pressão (LCVD). Depois de mais de 20 anos de avanços tecnológicos, a tecnologia de deposição de vapor de baixa pressão para diamante finalmente fez um grande avanço, e a pesquisa de diamantes tornou-se um tema quente em todo o mundo.

Diamante e grafite são allotrope, cristal de diamante é o sistema de cristal cúbico, e grafite é sistema de cristal hexagonal.Devido aos diferentes modos de ligação entre os átomos, seu desempenho varia muito.Termodinamicamente, a grafite é mais estável do que o diamante.O crescimento de diamante em baixa pressão fase gasosa, no diagrama de fases do carbono, é realizada na região onde a grafite é estável e o diamante é metaestável. No entanto, como os potenciais químicos das duas fases são tão próximos, ambas as fases podem ser formadas. síntese de fase gasosa de pressão de diamante está inibindo a fase de grafite e promovendo o crescimento da fase de diamante.O método de síntese comum é o método de fio quente.Deposição de vapor químico melhorada (PECVD), incluindo microondas PCVD, ressonância de elétron ciclotron ecr-pcvd, dc e rf PCVD métodos; Dc e método de plasma de descarga de arco de alta freqüência.A entrada de energia no processo de reação (como o poder de RF, potência de microondas, etc.), o estado de ativação e opti A razão mal do gás de reação e o modo de nucleação no processo de deposição, etc., desempenham um papel decisivo na formação do filme de diamante. As constantes de cristal e rede de materiais de substrato têm grande influência no crescimento de nucleação do filme de diamante. Quando fase de diamante e fase de grafite são nucleadas ao mesmo tempo sobre o substrato, a fase de grafite vai crescer rapidamente.Se houver uma alta concentração de hidrogênio atômico, ele irá corroer a crescente fase de grafite e remover a fase de grafite. Embora possa corroer a fase de diamante, é muito mais lento, de modo a inibir o crescimento da fase de grafite.Muitas exigências para o depósito de temperatura de filme de diamante 600 ~ 900 ℃, então a tecnologia usada para deposição de filme de diamante na superfície de cimentado ferramentas de corte de metal duro.

3. A tecnologia de filmes finos CBN deve ser um avanço

Comparado com o filme de diamante sintético, o filme CBN sintético é um campo de pesquisa tardio.O CBN possui três isômeros: estrutura de esfalerita cúbica CBN, estrutura de grafite hexagonal H-bn, estrutura de wurtzita W-bn hexagonal.As propriedades dos três isômeros são muito diferentes. H-bn tem uma estrutura muito semelhante à grafite e uma textura muito suave. Em w-bn e CBN, os átomos de B e N têm que formar uma estrutura de coordenação quádrupla entre si. Ambos são materiais superduros. O CBN obtido pelo método de alta temperatura e alta pressão é um cristal granular com a maior microdureza até 84.3GPa. A maior microdureza do filme de CBN é 61.8GPa, e seu desempenho abrangente não é menor que o do filme de diamante. O CN é o segundo apenas em diamante na dureza e condutividade térmica e possui excelente estabilidade térmica.Na atmosfera, não ocorre aquecimento a 1000 ℃ de óxido de carbono.CBN tem propriedades químicas extremamente estáveis para metais do grupo de ferro, o que é diferente do diamante que não é adequado para o processamento de aço. Pode ser amplamente utilizado para acabamento e retificação de produtos de aço.Além da excelente resistência ao desgaste, o revestimento de CBN pode ser usado para processar aço resistente ao calor, liga de titânio e aço endurecido a uma velocidade de corte razoavelmente alta e pode ser usado para cortar cilindros com alta dureza, materiais de têmpera misto de carbono e liga si-al com desgaste muito severo da ferramenta. Os métodos CVD e PVD são os principais métodos para sintetizar filmes de CBN. O CVV inclui PCVD de transporte químico, aquecimento assistido por fio quente PCVD, ecr-cvd, O PVD inclui chapeamento de feixe de íon reativo, evaporação reativa e deposição de feixe de íons assistido por laser.

A tecnologia de síntese da CBN ainda tem muito trabalho a fazer em pesquisa básica e tecnologia de aplicação, incluindo mecanismo de reação e processo de formação de filme, diagnóstico de plasma e análise de espectrometria de massa, determinação das melhores condições de processo, desenvolvimento de equipamentos de alta eficiência, etc. .

4. Nitreto de carbono que pode exceder a dureza do diamante

No final da década de 1980, os cientistas americanos IIU e co-hen projetaram o p-c3n4, um novo composto semelhante ao p-si3n4. O módulo em massa, a banda de energia e as constantes de caracteres de p-c3n4 foram calculados usando física de estado sólido e teoria química quântica, e verificou-se que o módulo a granel de nitreto de carbono alcançou a faixa numérica de diamante.Desde a dureza do material é proporcional ao módulo de volume, a dureza do C3N4 pode atingir a dureza do diamante, que tem atraído a atenção de cientistas em todo o mundo. Em 1994, o IIU publicou o novo resultado de pesquisa E53. Ele adotou o método ab initio de cálculo da dinâmica molecular do modelo de rede variável (vs-md), estendeu a pesquisa teórica de C3N de baixa energia e sólido, e apontou que C e N podem ter três estruturas: fase P do sistema de cristal hexagonal, estrutura esfalerita do sistema de cristal cúbico e estrutura semelhante à grafite do sistema de cristal triangular.Em 1996, Jeter e Hemley nos Estados Unidos ainda usaram os primeiros princípios ab initio cálculos, mas mudou o processo.O método de gradiente conjugado é usado para minimizar o elétron graus de liberdade sob as condições iniciais. A função periódica é usada para expandir a onda de elétrons em duas ondas planas. Conservação padrão prolongada e conservação de força (ENHC) foram usados. NN4 com cinco estruturas é obtida, que são n-fase, p- fase, estrutura blenda cubophase, silicozinc cubophase E estrutura e fase graphitic.Além da fase semelhante à grafite, os outros quatro são todos materiais superhard.O módulo de volume de E - cc 3 n 4 em minério de silicozinc de fase cúbica é maior do que o de diamante. Portanto, o nitreto de carbono pode ter a dureza do diamante.

O sucesso da síntese de nitreto de carbono é um exemplo notável de engenharia molecular. O nitreto de carbono, como um material superhard, deve ter muitas outras propriedades físicas e químicas valiosas. Os principais métodos de síntese de nitreto de carbono são sputtering reativo de dc e rf. e método de deposição assistida por feixe de íons, método ECR-CVD, método de deposição de feixe de íons duplos, etc. O filme de nitreto de carbono obtido por deposição de feixe de íons evaporativo por feixe de elétrons na Universidade de Okayama alcançou a maior microdureza de nitreto de carbono no momento - 63,8 A Universidade Tsinghua de GPa.China também obteve 60,8GPa de nitreto de carbono de alta dureza, e a dureza sintética de nitreto de carbono alcançou 50.0GPa9, e depositou na broca de trefilados HSS, e obteve desempenho de perfuração muito bom.A tecnologia chave para preparar revestimento de nitreto de carbono é evitar a precipitação da fase de grafite.