中國刀具涂層材料之納米技術涂層研究
發布于:2013-06-03    點擊次數:3362


    隨著納米技術的發展和涂鍍技術的進步,納米刀具涂層材料也引起的廣大研究者的關注。納米涂層主要有兩種:納米多層結構和納米復合結構。納米多層涂層一般由高層數的同種結構材料、化學鍵和原子半徑及點陣常相近的各單層材料組成,可能得到與組成它的各單層涂層的性能差異顯著的全新涂層。這是一種人為可控的一維周期結構,交替沉積單層涂層不超過5~15nm。Chu和Barnett認為,納米多層涂層的高硬度主要是由于層內或層間位錯運動困難所致。當涂層非常薄時,兩層間的剪切模量不同,如果層間位錯能量有較大差異,則層間位錯運動困難,即位錯運動的能量決定了超點陣涂層的硬度。納米多層涂層的結構主要有三種方式:(1)金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層交替涂覆;(2)金屬AlN納米層與金屬AlCN納米層交替涂覆;(3)金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層及金屬AlCN納米層交替涂覆。涂層過程中均可添加其他金屬元素(如鈦、鈮、鉿、釩、鉭、鋯或鉻),以進一步提高涂層的硬度、化學穩定性、韌性和抗氧化性能。研究表明,對于TiN/AlN納米多涂層,當層厚為2~4nm時,AlN呈現立方NaCl結構,涂層顯微硬度達到30~40GPa,其抗氧化溫度達到1000℃,采用等離子增強化學氣相沉積制得的AlN/TiAlN納米多層膜具有高硬度、高附著力和高耐磨性。

    納米多層涂層雖然達到了較高的硬度,但研究認為納米多層涂層的性能與涂層的周期膜厚有很大關系,當在形狀復雜的刀具或零件表面沉積納米多層膜時,很難控制各層的膜厚,同時在高溫工作環境下各層間的元素相互擴散也會導致涂層性能下降,而采用單層的納米復合涂層能解決這些問題。德國材料科學家Veprek等根據Koehler的外延異質結構理論,提出了納米復合超硬涂層的理論和設計概念,并在由等離子體增強化學氣相沉積法制備的Ti-Si-N(nc-TiN/a-Si3N4)系統中被證實,同時nc-W2N/a-Si3N4和nc-VN/a-Si3N4也都表現出了良好的機械性能。以nc-TiN/a-Si3N4為代表的納米復合超硬材料,以其優異的性能,如超高硬度、高硬高韌性及低的摩擦系數等,引起了人們的極大興趣。Zhang用離子束沉積了nc-TiN/a-Si3N4納米復合涂層,并系統的研究了其微觀結構、表面形貌和力學性能。結果顯示,在Si含量11.4%時復合涂層達到最大值42GPa。Kim等研究了閉合場非平衡磁控反應濺射TiAlSiN涂層,由納米晶的TiAlN和非晶態的Si3N4組成,顯微硬度及彈性模量約為42和490GPa。Nakonechan等用陰極弧PVD制備了(Ti,Si,Al)N涂層,最大硬度38~39GPa。Ribeiro等研究了離子轟擊對(Ti,Si,Al)N涂層的影響,發現系統中存在TiAlN和SiNx相,并形成了nc-TiN/a-Si3N4復合納米結構,增加離子轟擊可使硬度從30GPa增大到45GPa。

    盡管這些納米結構的涂層大多是實驗室里的結果,但其結果顯示出了納米結構涂層在金屬切削中的良好前景。

    日本住友公司開發的AC105G,AC110G等牌號的ZX涂層是一種TiN與AlN交替的納米多層涂層,層數可達2000層,每層厚度約為1nm。這種新涂層與基體結合強度高,涂層硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剝離性強,而且可顯著改善刀具表面粗糙度,其壽命是TiN、TiAlN涂層的2~3倍。Balzers公司開發并已被應用的FUTUNANANO和FUTUNATOP是兩種TiAlN納米結構涂層,涂層硬度平均為HV3300,開始氧化溫度為900℃。

    瑞士Platit公司開發納米多層涂層,以AlN作為主層,TiN-CrN為中間層,兩者相互交替形成多層結構。試驗表明,當周期為7nm時涂層的硬度達到最高,約45GPa。該公司利用LARC?(LateralRotatingARC-Cathodes)技術開發的新一代nc-TiAlN/(a-Si3N4)納米復合涂層是在強等離子體作用下,3nm的TiAlN晶體被鑲嵌在非晶態的Si3N4體內,在晶粒之間為1nm厚的Si3N4,這種結構使涂層硬度可達到50GPa,且高溫硬度更是十分突出,當溫度達到1200℃時,其硬度值仍可保持在30GPa。日立公司最近也開發了采用納米結晶材料組成TH涂層(TiSiN),實現了耐高溫和高硬度性,從預硬鋼到淬火鋼的高速切削加工,高效加工中有顯著的優越性,加工效率提高2倍以上,與常用涂層比較,切削加工時由于耐高溫,所以最適合干銑削加工。同時日立公司還開發了納米結構適用于軟鋼的加工領域的CS涂層(CrSiN)。三菱綜合材料神戶工具生產的“IMPACTMIRACLE立銑刀”采用先進的單相納米結晶(Al,Ti,Si)N涂層,氧化溫度達到了1300°,與基材的結合力達100N,在加工HRC60左右的高硬度材料時,可大幅延長刀具的壽命。

    Cemecom公司新的納米結構Supernitrides涂層成分中含有可生成不同氧化物的高含量元素。這類涂層將硬質涂層卓越的抗磨損性能及傳統的氧化涂層所具有的化學穩定性完美地結合起來,在應用中表現出極佳的熱穩定性及化學穩定性。涂層的形態及構成(例如鋁含量、結構、表面光潔程度等)可根據應用的需要進行最佳設計。對多種不同的被加工材料(如CGI、42CrMo4、鑄鐵、工具鋼等)進行鉆削、銑削、滾削和車削加工測試的結果證實了Supernitrides涂層的優越性能

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