CrTiAlN复合涂层硬质合金刀具的制备与切削性能研究

利用多弧离子镀技术在YT14硬质合金刀具上制备了CrTiAlN复合涂层,对不同偏压条件下CrTiAlN复合膜的表面形貌、硬度、结合性能进行了系统研究,采用X射线衍射分析技术(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)等现代材料分析技术对CrTiAlN复合涂层的微观组织结构进行了分析表征,结果表明:CrTiAlN复合涂层的主要成分为Cr、Ti、Al、N、O,相组成为Cr、CrN、Cr2N和TiN晶体相与AlN非晶相。在干式切削条件下,不同涂层刀具的切削寿命的排序依次为:CrTiAlN>TiAlN>TiN>未涂层,同时对不同涂层刀具的耐磨损特性进行了讨论分析。

单涂层与复合涂层硬质合金刀具性能对比

随着涂层技术的进步,硬质合金刀具涂层种类也在不断地增加,从单一的化合物涂层朝着多元复杂化合物涂层发展。通过多次实验,将单涂层与复合涂层硬质合金的刀具寿命作了比较。研究结果表明,复合涂层刀具在提高切削性能方面效果是显著的。

硬质合金涂层刀具车削GFRP的切削力研究

研究了硬质合金涂层刀具车削玻璃纤维增强复合材料时,切削用量对切削力的影响,并通过正交试验建立了切削力经验公式。结果表明:切削速度引起的树脂软化对切削力的影响较大,切削分力随切削速度的增加先减后增,但切削速度由243 m/min增至342 m/min时,切削力变化趋于平缓;切削力随进给量和背吃刀量的增加而增大,但在进给量为0.05 mm/r时,由于涂层刀具刃口的挤压作用,轴向切削力反而较大。正交试验和极差分析表明,背吃刀量对切削合力及各切削分力的影响最大,切削速度对切削合力及轴向分力Fx和径向分力Fy的影响次之,进给量对主切削力Fz的影响较切削速度大。

Cr-C类石墨复合涂层制备表征及其在硬质合金铣刀上的应用

为了提高硬质合金铣刀的使用寿命,降低摩擦加工时的摩擦因数,本文结合Cr元素对涂层生长的促进作用与类石墨(GLC)涂层的优异性能,采用磁控溅射离子镀的方法,在硬质合金(YG8)上制备Cr-C类石墨复合涂层。通过拉曼光谱对复合涂层成分类石墨进行表征。利用扫描电镜观察涂层截面形貌,结合线扫描与面扫描结果对涂层元素成分分布进行表征。对复合涂层试样进行摩擦磨损试验,测定摩擦因数并计算磨损率,采用硬度测量仪测定复合涂层的硬度,使用自动划痕仪来评定复合涂层结合力。结果表明:Cr-C类石墨复合涂层具有典型的类石墨非晶碳结构特征,复合涂层整体厚度约为0.68μm;Cr元素主要分布在底层与过渡层,少量掺杂在工作层;C元素主要分布在工作层中,各层涂层内部没有裂纹、孔洞等缺陷,涂层的致密性较好。Cr-C类石墨复合涂层摩擦因数约为0.2,由磨痕形貌测得磨损体积为65.6651 mm^(3),磨损率为2.28×10^(-4) mm^(3)/(N·mm),复合涂层摩擦因数低,耐磨性好。复合涂层硬度可达824~986 HRV,与传统类石墨涂层相比,硬度提升28.22%~51.69%,复合涂层与基体之间的结合力为24 N,与同样应用于硬质合金铣刀的涂层相比,具有良好的结合性能。本文研究可为Cr-C类石墨复合涂层在硬质合金铣刀中的应用提供依据。

WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具研究现状

化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)金刚石涂层刀具具有高硬度、优异的耐磨性、良好的冲击韧性和化学稳定性,能满足高效率、高精度的加工要求,逐渐成为切削铝和高硅铝合金、碳纤维增强复合材料及石墨等轻质量高强度难加工材料的主流涂层刀具。基于WC-Co硬质合金为基体的CVD金刚石涂层刀具在切削加工过程中容易发生CVD金刚石涂层的剥落,自主研发结合性能优良、长时间加工稳定的WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具仍是该领域国内外发展的必然趋势。目前,研究者为了提高WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具的结合性能,采用化学刻蚀法和机械处理法相结合去除WC-Co硬质合金基体表层中的Co粘结相,发现其能增强涂层与基体的结合强度,但基体表层Co粘结相含量的减少容易导致基体中形成脆化层,降低基体的强度和韧性。为了减少基体的强度和韧性损失,研究者在WC-Co硬质合金基体和金刚石涂层之间制备稳定的含Co中间化合物或沉积中间层,成功阻挡Co粘结相的热扩散。除了上述方法外,研究者还通过调控金刚石涂层工艺参数和结构,将微米晶与纳米晶金刚石层叠相结合,来提高金刚石涂层刀具的摩擦学性能和涂层与基体间结合强度。本文综述了WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具的应用进展,明确了WC-Co硬质合金与CVD金刚石涂层间附着失效是刀具切削加工中最主要的失效形式,详细分析了影响附着失效的主要原因。在此基础上,着重介绍了各种优化工艺对增强涂层刀具性能影响的最新研究进展;指出了WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具的性能受化学刻蚀、机械刻蚀、形成含钴化合物层、沉积中间层等基体前处理以及金刚石涂层工艺参数和结构的影响较大,对于不同牌号或不同厂家生产的同种牌号的WC-Co硬质合金基材,需要进行不同的表面前处理,而针对不同的切削加工材料,需要采用合适的金刚石涂层沉积工艺和结构以提高涂层与基材之间的结合强度,进而提高刀具的性能;最后提出了研制一种普适性强的基体前处理、涂层工艺和结构创新策略,以实现不同应用场景下WC-Co硬质合金/CVD金刚石涂层刀具的高效长寿命切削,可能是未来的研究方向。

用于碳纤维复合材料钻削的金刚石涂层刀具制备及结构优化

本文针对传统硬质合金涂层刀具钻削碳纤维复合材料(CFRP)使用寿命短、加工后工件易产生毛边等缺陷、孔加工粗糙度波动大的问题,制备并对比了不同涂层结构和不同刃口结构的金刚石涂层刀具的加工性能。结果表明,利用金刚石涂层刀具进行CFRP材料的钻削加工时,微晶金刚石(MCD)/纳米金刚石(NCD)复合结构比单一MCD涂层结构的耐磨性更好,使用寿命更长;通过减小钻头倒锥、钻尖角,增大槽前角、钻尖容屑槽前角和背宽优化刃口结构后,金刚石涂层刀具加工孔径粗糙度平均值显著降低,粗糙度极差由4.105µm下降至0.848µm。

TiN基复合涂层硬质合金刀具的力学性能与切削性能研究

采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀在YT14硬质合金刀具上沉积了TiN、TiAlN、TiN—MoS2和CrTiAlN复合梯度涂层。利用纳米硬度计、维氏显微硬度计、扫描电子显微镜和X射线衍射分析仪表征了刀具涂层的力学性能和组织结构，并在干式切削条件下，比较研究了涂层对硬质合金刀具切削性能的影响，得出4种涂层刀具的切削寿命的排序依次为：CrTiAIN〉TiN—MoS2〉TiAIN〉TiN；研究结果表明，多元复合涂层刀具在提高切削性能方面效果是显著的。

复合化学气相沉积法制备厚膜α-Al_2O_3涂层硬质合金刀具

研究了厚膜α-Al2O3涂层硬质合金刀具的涂层设计方法,探索了采用中、高温连续复合化学气相沉积技术(MHT-CVD)生产厚膜α-Al2O3涂层硬质合金刀具的工艺,表征了复合涂层的微观结构,并对厚膜α-Al2O3涂层硬质合金刀具的性能进行了测试。研究表明,通过MHT-CVD工艺生产的厚膜α-Al2O3涂层硬质合金刀具具有比普通TiN涂层硬质合金刀具更佳的切削性能。

硬质合金涂层刀具铣削SiCp/Al复合材料刀具磨损研究

SiCp/Al复合材料因含有大量SiC硬质颗粒而使其切削加工性较差。针对该材料的高速高效加工问题,利用硬质合金涂层刀具对体积分数为20%的SiCp/Al复合材料进行面铣,通过单因素实验,研究了切削速度、进给量和轴向切削深度对刀具前刀面和后刀面的磨损过程的影响,以及刀具磨损萌生、扩展演化规律。结果表明:在硬质合金涂层刀具精加工SiCp/Al复合材料过程中,刀尖与工件表面的接触先是凸圆弧面接触,然后变成凹圆弧面接触,最后变成平面接触;刀具磨损随切削速度和轴向切深的增大而增大,而随进给量的增大而减小;硬质合金涂层刀具失效的原因主要是后刀面的耕犁磨损,后刀面最大磨损量VB_(max)超过了0.6 mm,而后刀面磨损的主要原因是磨粒磨损和涂层剥落。

涂层硬质合金刀具切削碳纤维复合材料磨损机理

针对碳纤维复合材料切削过程中刀具磨损的问题,采用涂层硬质合金刀具对碳纤维复合材料管材试件进行了切削试验。对切削过程中的刀具磨损形态、磨损原因和磨损规律进行了研究,并分析了切削速度对刀具磨损的影响。试验结果表明:涂层硬质合金刀具的磨损发生在后刀面和切削刃处,刀尖圆弧处磨损最严重,出现凹坑,刀具磨损后期,后刀面上有黑色粘结物。刀具磨损原因主要是磨粒磨损,刀具磨损速度较快,刀具寿命低,并且切削速度的增加对刀具磨损的影响十分明显。

面向钛合金切削的硬质合金涂层刀具切削热分配仿真研究

切削钛合金时会产生大量切削热,研究切削参数、涂层种类及厚度对硬质合金涂层刀具切削热分配的影响可以延长刀具使用寿命,提高加工效率。采用Deform软件对钛合金进行车削模拟,并结合切削热分配的解析法研究得出:切削热分配系数随着切削速度的增大呈上升趋势,且切削温度也随之升高;切削热分配系数随切削深度的增大却呈下降趋势,即流入切屑的热量降低,但切削温度依旧随着切削深度的增大而上升;对于不同的涂层材料,导热系数越低,切削热分配系数越大;涂层厚度对于切削热分配系数基本无影响,涂层厚度越大,切削温度越高。研究结果可以为选择刀具涂层种类和优化切削参数提供参考。

YT类硬质合金金刚石涂层成形刀具对高体积分数SiC_P/Al复合材料的铣削特性研究

采用热丝化学气相沉积法在B212型YT15硬质合金成形铣刀片上制备了微米级金刚石涂层,并以65%SiC颗粒增强铝基复合材料为试件材料进行铣削试验。通过与未涂层硬质合金铣刀进行对比,评价了金刚石涂层硬质合金成形铣刀的涂层效果。结果表明：在相同的切削参数下,金刚石涂层硬质合金刀具各种铣削力比未涂层硬质合金刀具的降低50%-65%;所涂覆金刚石薄膜在铣削过程中具有良好的膜-基附着强度,且经酸碱预处理的涂层硬质合金刀具较适合于高体积分数SiCP/Al复合材料的粗加工,醇碱预处理的涂层硬质合金刀具较适合于其半精加工;涂层硬质合金刀具持续加工的工件表面质量优于未涂层硬质合金刀具所加工,且所铣槽的成形精度较未涂层硬质合金刀具所铣槽提高约30%。

硬质合金刀具表面微/纳米金刚石复合涂层制备研究

硬质合金是目前应用最为广泛的刀具材料,在刀具表面施加金刚石涂层可以提高硬质合金刀具的性能和耐用度。通过热丝CVD法在硬质合金刀具表面制备了多层微/纳结构的复合涂层,采用扫描电镜观察了复合涂层的表面和截面,并用拉曼光谱检测了涂层的成分,用压痕法检验了复合涂层的膜基结合性能。结果显示复合涂层的结构参数对膜基结合性能有较大影响,特定结构的复合涂层可以提升涂层的结合性能。

多弧离子镀工艺对硬质合金PCB铣刀涂层性能的影响

在硬质合金PCB(printed circuit board)铣刀表面制备高性能的硬质涂层,可以改善切削过程中刀具快速磨损的问题。采用多弧离子镀涂层技术在YG06硬质合金试片及PCB铣刀基体上分别制备AlCrN单涂层、CrN/AlCrN复合涂层以及AlCrSiN/AlCrN纳米复合涂层,利用压痕仪及扫描电镜分析观察3种涂层的力学性能及形貌特征,且在相同条件下对3种PCB涂层铣刀进行涂层性能对比试验,分析刀具磨损机理。结果表明:3种工艺方案的涂层均有较好的膜基结合力;AlCrSiN/AlCrN纳米复合涂层铣刀使用寿命最长,约为CrN/AlCrN复合涂层铣刀的1.5倍,AlCrN单涂层铣刀的1.9倍;且其涂层的致密性和表面质量最好,更适用于IT158覆铜板的高速切削加工。

硬质合金整体刀具外圆磨削加工表面缺陷分析

亚微、超细和纳米晶硬质合金是硬质合金整体刀具的典型材质,磨削加工表面缺陷会严重影响其使用寿命和服役行为的稳定性。本文分析了硬质合金整体刀具外圆磨削加工表面存在的4种典型缺陷及其形成原因,即磨屑表面粘附、表面条状撕裂、黏结相浸出和次表层裸露、WC晶粒碎裂。剖析了硬质合金整体刀具磨削加工的特殊性,即(1)合金中易存在以Co池和WC晶粒异常长大为典型代表的微观缺陷;(2)高矫顽磁力导致的难消磁特性;(3)高硬度和高强度导致的磨削碎屑的强损伤力;(4)低热导率和强磨削力工况条件对磨削液施载效果的严要求;(5)微观缺陷与磨削液的交互作用可促进黏结相和硬质相的电偶腐蚀和磨削表面Co的浸出;(6)强磨削力和WC本征脆性共同作用下,WC微小碎粒的形成对高效排屑的严要求。在棒材材质质量控制、磨削加工、磨屑处置、加工工序、磨削液选择与使用、磨削后处理和产品包装等方面提出了一系列抑制与预防磨削加工表面缺陷的建议。

硬质合金涂层刀具研究的新进展

随着现代机械加工工业朝着高精度、高速切削、干式切削技术以及降低成本等方向发展,人们对硬质合金刀具提出了更高的要求。涂层硬质合金具有高硬度和优良的耐磨性,延长了刀具的寿命,这是切削刀具发展的又一次革命。本文综述了目前国内外硬质合金涂层刀具在涂层方法、涂层种类和涂层基体等方面的新进展。

溶胶-凝胶法制作陶瓷涂层硬质合金刀具

以异丙醇铝为前驱物 ,将溶胶 -凝胶工艺应用于硬质合金刀片涂层 ,研制成功一种新型的陶瓷涂层刀片。使用浸渍提拉法对刀具基体进行涂层 ,在基体表面获得勃姆石凝胶膜 ,经 1 2 0 0℃热处理后可以得到厚度适宜的α -Al2 O3涂层 ,涂层完整 ,无宏观缺陷 ,并且在初步的切削实验中显示出一定效果 ,从而为涂层刀具制造展示了一种全新的涂层方法。利用扫描电子显微镜 (SEM)观察了涂层的表面形貌 ,用X射线衍射 (XRD)和电子探针 (EPMA)分析了涂层的表面和界面的成分和微观结构。实验结果表明 ,涂层在 1 1 4 0℃左右转化成α -Al2 O3,在 1 2 0 0℃烧结致密 ,而在 1 2 50℃以上涂层发生明显收缩 ,晶粒明显长大 ;最终的涂层为多晶体结构 ,涂层界面未生成弱化相 ;硬质合金中的部分钴元素扩散到涂层中 ,有助于提高涂层和基体间的粘结强度。

金刚石薄膜涂层硬质合金刀具的界面表征

采用SEM对金刚石薄膜涂层硬质合金刀具的金刚石薄膜表面、背面及金刚石薄膜剥落后的硬质合金刀片表面的典型形貌进行了观察，并采用TEM对金刚石薄膜／硬质合金刀片横截面的微观组织进行了研究，还采用FT—Raman光谱法对金刚石薄膜表面及金刚石薄膜剥落后的硬质合金刀片表面的微观结构进行了表征．结果表明：经适当的化学侵蚀脱钻和等离子体刻蚀脱碳预处理后，金刚石薄膜涂层硬质合金刀具的界面通常存在薄的（数十um）石墨碳层；局部区域见到金刚石粒子直接生长在WC颗粒上,金刚石膜／基横截面的典型组织层次为：金刚石薄膜／薄的石墨碳层／细小的WC层／残留的脱碳层（η相＋W相）／原始的硬质合金基体．

涂层硬质合金刀具对奥氏体不锈钢的切削特性

为了深入探究涂层硬质合金刀具切削奥氏体不锈钢的切削机理,试验采用确定的进给量和背吃刀量,只改变切削速度的单因素法,来研究切削速度对奥氏体不锈钢工件加工表面质量的影响以及涂层刀具的切削机理。采用JEOL JSM-6360LV扫描电子显微镜和EDS能谱仪对工件加工表面及磨损刀片进行表面微区磨损形貌的观察分析与组成成分分析,采用X射线衍射仪对工件表面物相组成进行分析,采用激光扫描显微镜LSM对工件表面三维形貌进行观察分析。研究表明,切削速度较低时,不锈钢材料因材质较软,断屑性能较差;速度较高时,切削过程中粘着现象严重,致使摩擦剪应力较大,摩擦表面发生形变,进而诱发不锈钢的马氏体相变。因此,宜选用中速V=85m/min进行切削,在此速度下,被加工件获得的表面质量较好,表面粗糙度Ra=3.679μm。刀具磨损主要发生在前刀面靠近刀尖的部位,磨损机理主要表现为粘着磨损。研究发现,涂层硬质合金刀具在体现出一定的良好切削性能的同时也不可避免地发生了磨损,所以深入研究其切削机理能够丰富涂层刀具的切削理论,为提高涂层刀具在切削难加工材料时的刀具寿命以及拓展其在实际切削加工中的应用范围提供试验依据。

激光超声复合切削硬质合金的刀具磨损及其对工件表面质量的影响

基于激光加热辅助切削和超声椭圆振动切削提出了激光超声复合切削加工工艺。采用聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具对YG10硬质合金进行了常规切削,超声椭圆振动切削,激光加热辅助切削和激光超声复合切削对比试验。检测了刀具磨损量、刀具磨损形貌、工件表面粗糙度以及工件表面形貌,并通过扫描电镜(SEM)对刀具磨损区域进行了能谱分析,同时研究了激光超声复合切削硬质合金时PCBN刀具的磨损及其对工件表面质量的影响。最后,与常规切削、超声振动切削及激光加热辅助切削进行了对比试验。结果表明:激光超声复合切削时刀具使用寿命显著增加,加工后的工件表面粗糙度平均值分别降低了79%、60%和64%,且工件表面更加平整光滑。激光超声复合切削硬质合金时,PCBN刀具的前刀面磨损表现为平滑且均匀的月牙洼磨损,后刀面磨损表现为较窄的三角形磨损带和较浅的凹坑和划痕;刀具的失效机理主要为黏接磨损、氧化磨损和磨粒磨损的综合作用。