重涂技术的发展趋势
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在市场无国界化和国际产品低价格化竞争的形势下,在生产基地向国外转移及国内生产与同行业其他公司联合起来强化竞争力的严峻经济环境中,一种以强化竞争力而兴起的产品低成本化的潮流,正以强劲的势头迅速发展。与此同时,由于产品高性能化要求及实施以ISO14000国际标准为代表的环境保护的要求,又给产品增加了许多提高成本的因素。如在金属切削加工领域,由于市场需求给金属切削加工提出了更高的要求:①解决高硬度、难加工材料的切削加工;②采用高速切削加工技术;③要求切削刀具长寿命化;④实现加工产品的高精度化;⑤采用干式、半干式切削加工,保护环境及操作者的健康。这些切削加工要求必将给金属切削加工刀具带来提高成本的诸多因素。这对刀具制造厂商来说,即面临进一步提高刀具制造技术水平、提高刀具性能及质量、降低刀具制造成本的严峻挑战,也面临着发展的良好机遇。
各刀具制造厂商积极迎接挑战,不失时机地抓住机遇,一方面将生产基地转移至国外,以达到降低生产成本和降低运输量用及增强竞争力的目的,与此同时,还积极开展提高切削刀具材料的等级(高速钢刀具材料的粉末高速钢化、硬质合金化、硬质合金超细微粒化等)、改进刀具几何结构及几何参数的设计、新硬质涂层材料及涂覆技术的开发、切削条件的优化等开发及应用工作。
涂有硬质涂层的产品具有优良的性能,但在苛刻的使用条件下,由于涂层的磨损、剥落及其基体的损伤,使其不能继续使用。为实现产品低成本化和满足环境保护的要求,日本涂层中心研究开发出硬质材料重涂技术,所重涂的切削刀具性能可达到大体相当于新硬质涂层的刀具的水平。重涂技术具有下列优点:①能有效地利用资源和保护环境;②可实现低成本化;③保持原新涂层的性能。该技术具有广阔的发展前景。
日本涂层中心在神奈川县大和市和爱知县一宫市各有一个涂层基地,在为新刀具、模具及机构零件提供成套硬质涂层涂覆技术及成套涂层设备的同时,还积极开展了以金属切削刀具为主的硬质材料重涂技术的开发及应用的研究,取得了一定的进展。下面介绍该涂层中心开展表面改性技术和与重涂技术相关的应用实例。

硬质涂层涂覆及其它表面改性处理装置

优质硬质涂层的涂覆方法主要有两大类:PVD法和CVD法。下面介绍日本涂层中心正在使用的主要涂覆方法和新的原子团氮化表面改性处理方法。
  1. PVD(离子镀)法
    PVD法中有真空涂覆、离子溅射涂覆和离子镀三种方法,其中离子镀在工业上应用最广。
    1. 阴极电弧离子涂覆
      阴极电弧离子涂覆是利用真空电弧放电,直接使蒸发源表面金属汽化形成等离子进行涂覆。就是在真空容器内使蒸发源最外表面产生电弧放电,靠蒸发源金属熔化蒸发而产生金属离子和电子,并在蒸发源附近形成带正电位的金属等离子气氛。由于被涂覆件加上了负电压,金属等离子被吸到被涂件,此时的反应气体由于直流辉光放电及金属等离子的轰击而被离子化,金属等离子和反应气离子发生反应就在被涂件表面上沉积一种物质——硬质涂层。
      该方法的特点是,由于能直接使蒸发源金属熔化蒸发,所以在真空容器中可以安装多个蒸发源,容易实现复合涂覆形成涂层。这种方法涂覆温度低,适于大型件的涂覆。
    2. 空心阴极离子涂覆
      空心阴极离子涂覆法的原理是,在圆筒形真空容器内中央的下方,装上做正极的坩埚,将用作涂层材料的金属装入坩埚内,在坩埚上方配置有等离子电子枪,靠等离子电子枪发射的电子轰击坩埚中的涂层材料,使其熔化蒸发而形成金属蒸汽,此蒸汽和反应气体受到电子枪发射电子的轰击而形成失去电子的正离子,这些正离子在电子枪和坩埚之间变成等离子状态。在等离子周围的被涂件上加工负电压,靠正负极的电位差产生的高能量使金属离子和反应气离子在被涂件表面产生轰动反应,从而在被涂件表面沉积上硬质涂层。空心阴极离子涂覆通常是将被涂件加热到400~500℃进行涂覆,此方法的最大特点是可在低温条件下获得优良的涂层。
  2. DLC涂覆方法
    DLC涂覆法有很多,而采用以碳氢气作原材料的高频等离子CVD法和离子涂覆法相结合的DLC法为最多。离子涂覆法是利用钨灯丝产生的热电子分解离化原料气,并利用偏压的电位差进行涂覆的方法。该方法使用的原料气体不是甲烷(CH4),而是苯,在获得的涂层中氢的含量比等离子CVD法要少,可获得硬度高的涂层。
  3. CVD法
    高温CVD法是在较低的温度下,以高蒸发压力的氯、氟元素为主,与卤族元素的金属化合物汽化后输入反应炉内,同时输反应气体,在被加热到900~1000℃高温的被涂件表面,使其产生热化学反应,在被涂件表面上析出并涂上所要求的硬质涂层。这种涂覆方法的特点是,涂层和基体间的粘结力强,涂层能承受高压;涂层是化学反应生成,所以可涂复杂形状的产品和有小孔的产品,绕涂性优良。由于是高温涂覆,所以对于公差要求较严格的产品,应注意对其尺寸变化的影响。
  4. 原子团氮化法
    最近市场上推出一种新的原子团氮化表面改性处理方法引起人们的关注。这种方法是对高合金钢等产品进行氮化处理的方法。在通常的等离子(离子)氮化处理中,把被氮化处理件做阴极,使其产生直流辉光放电等离子,靠离子轰击时的撞击能量进行被氮化处理件的加热起氮化反应。考虑到因轰击而使表面粗糙度变差及促进化合物层的形成,在离子浓度低的等离子中,有效地利用氮气的高反应性,高效地形成原子团(NH等)的等离子状态。因此,靠这种等离子状态在高合金钢只形成扩散层。与过去的氮化方法相比,原子团氮化法由于能抑制表面粗糙度变差及化合物层的形成,氮化处理后不经研磨即可使用。本方法是用于强化涂层基本的最佳复合处理的方法,可进一步提高硬质涂层的效果。日本涂层中心正积极地向市场提供技术和产品。

硬质涂层的特性

下表列出了用离子镀(离子涂覆)法获得的有代表性涂层的特性。
表 硬质涂层的种类及其特性
涂层种类颜色硬度(HV)摩擦系数涂层厚度(µm)耐磨性耐腐蚀性抗氧化性抗损伤性
TiN金色2000~25000.30~0.451.0~4.0较好较好较好较好
TiCN1红紫色3000左右0.10~0.151.0~4.0最好较好
TiCN2灰色3000~35000.10~0.151.0~4.0最好较好
TiAlN1红黑色2300~28000.30~0.401.0~4.0最好较好最好较好
TiAlN2红黑色2300~28000.30~0.401.0~4.0最好较好最好较好
CrN银白色2000~22000.25~0.351.0~10最好最好最好最好
ZrN白金色2000~22000.30~0.451.0~4.0较好较好
ACT(Cr+TiN)金色2000~25000.30~0.451.0~4.0较好最好较好较好
ACC(Cr+CrN)银白色2000~22000.25~0.351.0~10最好最好最好最好
Al2O3透明1000左右0.25~0.351.0~4.0较好较好最好
DLC黑色2500~45000.100.5~1.5最好最好

重涂技术的有效使用方法

为提高对已用过的涂层产品的利用率,目前广泛采用重涂技术。可采用重涂技术的产品有:维护保养较难的机械零件、想延长更换周期的夹具、切削刀具及环保用品等。这些产品经重涂后,可获得和新涂层产品相当的性能。但不是所有的重涂产品都能达到这样的效果。所以必须做好重涂前的技术准备工作。
  1. 重涂前的技术准备
    硬质涂层产品由于使用过长,致使涂层磨损而不能继续使用时,可进行重涂。重涂前,应进行涂层剥离处理,之后进行重磨、研磨,使其尽量恢复到起初时的形状后方可重涂。此时应注意以下几点。
    1. 重磨次数
      硬质涂层由于磨损等原因而丧失其性能时,如果硬质涂层产品是切削刀具,则可采用重磨刃部使其接近新涂层的刀具的状态,但切削刃形状特殊,就很难用重磨来复原;就成本而言,如果重磨和重涂的费用比新购价格便宜,并能达到相当的性能,就可得到理想的成本;随着重磨次数的增加,尺寸必然发生变化,前刀面和后刀面的角度也将发生微妙的变化,逐渐地就不具备初始时期的性能。因此,必须弄清重磨多少次才能保持重磨和重涂所获得的理想成本。也有重磨后不重涂再使用的实例,这种情况虽然不增加重涂费用,但有一点是肯定的,那就是使用一次的磨损量要增大,其重磨次数就会减少,所以要综合考虑哪一种办法合算。
    2. 剥离现存涂层和再处理技术
      日本涂层中心正在从事以重涂为目的的现存涂层的剥离处理。用化学和电化学的工艺能够实现通常的硬质涂层、DLC涂层等的剥离。关于重涂后的性能,靠剥离处理除去现存的涂层,然后进行重涂,效果较好。在硬质涂层的剥离处理中,一般涂层钢件的剥离处理没有问题,但涂层硬质合金(W、Co类)产品现存涂层的剥离,其中的Co易被刻蚀掉,因此剥离时,必须充分考虑到这一点。在现存涂层残留状态下进行重涂的实例也很〖多。硬质合金产品的DLC涂层的剥离也没有问题。
      目前,涂层硬质合金切削刀具重涂的现状是,不再进行涂层剥离处理,只需将要重涂的部分进行重磨,露出基体,然后进行重涂处理。在模具方面,要加强表面磨损、拉伤前的模具管理,采用涂层剥离和重涂或在重涂前进行抛光处理,以确保模具的长期使用。
    3. 表面性状
      在进行硬质涂覆时,被涂产品的表面性状是非常重要的。特别是重涂时,由于使用而导致磨损等的形状变化,产生了表面粗糙、形成氧化膜及金属疲劳等问题,在重磨和研磨中需改善和去除而恢复原来的状态。特别是金属疲劳,用肉眼很难判断。涂覆时的加热,其应力被释放会给硬质涂层带来不良影响。
      为防止这种不良影响,在加工完后,要进行释放应力的热处理,如果是重涂产品,在涂层剥离后,采取将表面磨去几微米甚至更厚一点的办法。
  2. 应用实例
    1. 金属切削刀具
      用无涂层硬质合金立铣刀、涂层硬质合金立铣刀和重涂硬质合金立铣刀在一定切削条件下加工模具钢(SKD11,HRC15)时,由切削长度的比较可知,涂层硬质合金立铣刀使用寿命是无涂层硬质立铣刀的2倍以上,重磨重涂硬质合金立铣刀的使用寿命约为涂层硬质合金立铣刀的90%。无涂层、新涂层和重涂硬质合金立铣刀在一定切削条件下加工模具钢(SKD11,HRC60)达到8米长时,由刀具磨损量的比较可知,无涂层硬质合金立铣刀的磨损量是新涂层硬质合金立铣刀的3倍;重涂硬质合金立铣刀的耐磨性是新涂层硬质合金立铣刀的80%以上。上述实例表明,要想延长刀具的使用寿命,达到反复使用的目的,应对涂层刀具实施重涂处理。
    2. 模具
      对比无涂层拉深模(材料相当于SKD11)、CrN涂层拉深模、重涂CrN拉深模及RN+重涂CrN拉深模的使用寿命(拉深件材料为普通钢)可知,硬质涂层拉深模的使用寿命明显优于无涂层拉深模,RN+重涂的拉深模的寿命能达到CrN涂层拉深模的水平。为了消除拉深模表面的金属疲劳,重磨后进行反复重涂使用。但由于模具基体表面硬度下降而导致寿命降低,所以在重涂前,如果对拉深模进行原子团氮化处理,之后再重涂,则可获得与新涂层拉深模相同的使用寿命。
      在提高生产率、产品低成本化、使用条件超苛刻化及强化环境保护的形势下,硬质涂层产品的需求正日益扩大。可以预料,与比相关的重涂技术的适用范围也必将日益扩大。重涂产品的性能可以达到与新涂层产品大体相当的性能。要想满足市场不断发展的需求,重涂技术中还有许多课题有待进一步研究,并积极地推广应用。如新涂层产品使用后形状发生了变化(如复原),清除涂层基体表面的污染物、氧化物,消除金属疲劳、降低表面粗糙度等;剥离残存涂层时使涂层基体保持不变的剥离技术;重涂技术及其装备的进一步革新、新涂层产品价格、性能对比相关的技术以及降低重涂成本等都有待进一步研究。
本文作者:廖先富(译)
原载:《工具展望》2004年第3期
上载于:2007-4-15 14:34:24

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