Phát triển vật liệu mới cho lớp phủ cứng của dụng cụ cắt

Phát triển vật liệu mới cho lớp phủ cứng của dụng cụ cắt

IKS PVD Công cụ Máy phủ chân không PVD ， liên hệ với chúng tôi ngay bây giờ iks.pvd@foxmail.com

1. Phát triển vật liệu phủ cứng nhiều lớp và composite

Công nghệ PVD vì nhiệt độ xử lý được kiểm soát dưới 500oC , có thể được sử dụng làm quy trình xử lý cuối cùng, rất phù hợp cho việc phủ các công cụ thép tốc độ cao, cải thiện đáng kể hiệu suất cắt của máy cắt thép tốc độ cao, vì vậy công nghệ từ những năm 1980 thúc đẩy nhanh chóng, vào cuối những năm 1980, tỷ lệ lớp phủ PVD của các công cụ cắt phức tạp HSS ở các nước phát triển công nghiệp đã vượt quá 60%. Vào đầu thế kỷ 21, tỷ lệ mạ PVD của máy cắt HSS ở các nước phát triển công nghiệp đạt 50% ~ 70 %, và tỷ lệ lớp phủ PVD của máy cắt phức tạp HSS đạt tới 90%. Ứng dụng thành công công nghệ PVD trong lĩnh vực công cụ thép tốc độ cao đã thu hút sự chú ý lớn từ ngành sản xuất trên toàn thế giới. Trong khi cạnh tranh để phát triển thiết bị phủ hiệu suất cao và độ tin cậy cao, lĩnh vực ứng dụng công nghệ PVD đã được mở rộng (đặc biệt là ứng dụng các công cụ gốm và cacbua xi măng). Kết quả cho thấy so với quy trình CVD, nhiệt độ quá trình PVD thấp, dưới 600oC không ảnh hưởng đến độ bền uốn của vật liệu dụng cụ cắt. Trạng thái ứng suất bên trong của màng là ứng suất nén, phù hợp hơn với lớp phủ của cacbua chính xác và các công cụ cắt phức tạp. Không ảnh hưởng xấu đến môi trường, trong Phù hợp với hướng phát triển của ngành sản xuất xanh. Vào cuối những năm 1990, công nghệ PVD đã được áp dụng rộng rãi vào xử lý lớp phủ của phay cuối cacbua, mũi khoan, khoan lỗ dầu, mũi khoan, vòi, mảnh dao phay có thể lập chỉ mục và dao cắt hình đặc biệt, v.v.

Công ty tư vấn Eurasia của Đức đã phân tích thị trường sơn công cụ tại Trung Quốc vào năm 1999. Quy mô thị trường của công cụ phủ tại Trung Quốc năm 1999 là 75,12 triệu nhân dân tệ. Theo thống kê của niên giám ngành công nghiệp máy móc Trung Quốc (phạm vi là thành viên của hiệp hội công cụ) Các sản phẩm công cụ thép tốc độ cao ở Trung Quốc chiếm tỷ lệ lớn nhất, giá trị sản lượng của nó chiếm 85,9%, doanh thu chiếm 89,8% và công cụ sơn cùng năm chỉ chiếm 3% ~ 4%. Công ty dự báo công cụ Trung Quốc Thị trường sơn phủ sẽ tăng trưởng hơn 20% mỗi năm và thị trường sơn công cụ PVD sẽ còn tăng trưởng hơn nữa và quy mô của thị trường sơn phủ công cụ Trung Quốc dự kiến sẽ đạt 247,69 triệu nhân dân tệ vào năm 2005. Vì thị trường gia công công cụ của Trung Quốc rất lớn, Vì vậy, sự phát triển của công nghệ sơn công cụ có ý nghĩa rất lớn. Mặc dù công nghệ sơn công cụ trong nước hiện nay và trình độ quốc tế tiên tiến so với khoảng cách lớn, lớp phủ TIALN thông thường hnology chưa trưởng thành, nhưng thị trường ứng dụng khổng lồ và yêu cầu ngày càng cấp bách của đất nước đối với đổi mới, công nghệ sản xuất xanh, đã thúc đẩy sự phát triển đổi mới của công nghệ sơn công cụ trong nước.

Bề mặt dụng cụ cắt của màng cứng theo yêu cầu vật liệu: 1, độ cứng cao, chống mài mòn tốt; 2. Tính chất hóa học ổn định, không có phản ứng hóa học với vật liệu phôi; 3, khả năng chịu nhiệt và oxy hóa, hệ số ma sát thấp và công ty bám dính ma trận. Rất khó cho một vật liệu phủ duy nhất đáp ứng tất cả các yêu cầu kỹ thuật trên. Sự phát triển của vật liệu phủ, là từ lớp phủ TiN đơn ban đầu, lớp phủ TiC, đã trải qua lớp phủ TiC Al, lớp phủ hỗn hợp 03 tin và TiCN, TiAlN và giai đoạn phát triển lớp phủ đa hỗn hợp khác, hiện là sự phát triển mới nhất của TiN / NBN, TiN / CN và các vật liệu màng đa hỗn hợp khác, hiệu suất của lớp phủ công cụ đã được cải thiện rất nhiều.

TiN là vật liệu phủ cứng trưởng thành và được sử dụng rộng rãi nhất. Hiện nay, tỷ lệ sử dụng máy cắt HSS phủ TiN ở các nước phát triển công nghiệp đã chiếm 50% ~ 70% máy cắt HSS và tỷ lệ sử dụng một số máy cắt phức tạp không thể phục hồi đã vượt quá 90%. Do yêu cầu kỹ thuật cao của các công cụ cắt kim loại hiện đại, lớp phủ TIN dần dần không thích ứng. Khả năng chống oxy hóa của lớp phủ TiN kém hơn, khi nhiệt độ sử dụng là 500oC , màng rõ ràng bị oxy hóa và bị loại bỏ, và độ cứng không thể đáp ứng nhu cầu.TiC có độ cứng cao hơn, do đó khả năng chống mài mòn của vật liệu này tốt hơn. Đồng thời, nó bám chắc vào bề mặt. Trong quá trình chuẩn bị lớp phủ chống mài mòn nhiều lớp, TiC thường được sử dụng làm lớp màng bên dưới tiếp xúc với chất nền. Nó là một vật liệu phủ rất phổ biến trong công cụ sơn. Sự phát triển của TiCN và TiAlN cải thiện hơn nữa hiệu suất của máy cắt phủ. TiCN có thể làm giảm ứng suất bên trong của lớp phủ, cải thiện độ bền của lớp phủ, tăng độ dày của lớp phủ, ngăn chặn sự khuếch tán của vết nứt và giảm gãy lưỡi.TiCN được đặt làm lớp mài mòn chính của dụng cụ tráng, có thể cải thiện đáng kể tuổi thọ của dụng cụ.TiAlN có độ ổn định hóa học tốt và chống mài mòn chống oxy hóa. Khi gia công thép hợp kim cao, thép không gỉ, hợp kim titan và hợp kim niken, tuổi thọ của dao cắt tráng thiếc có thể tăng lên 3 ~ 4 lần. Nếu có nồng độ Al cao trong lớp phủ TiAlN, một dạng vô định hình rất mỏng Al2O3 sẽ được tạo ra trên bề mặt của lớp phủ trong quá trình cắt, tạo thành một lớp màng bảo vệ trơ cứng. Công cụ tráng có thể được sử dụng hiệu quả hơn trong việc cắt tốc độ cao. TiCNO pha tạp titan TiCNO có độ siêu vi và độ ổn định hóa học rất cao, có thể tạo ra một lớp phủ tổng hợp tương đương với TIC + AL2O3. Một số nitrua kim loại chuyển tiếp, cacbua, boride và chúng các hợp chất phức tạp, một số trong đó có độ cứng cao, những vật liệu này có thể được phát triển và áp dụng cho các công cụ phủ, sẽ tạo ra một bước đột phá mới trong hiệu suất của các công cụ phủ.

2. Ứng dụng của màng kim cương tổng hợp pha khí áp suất thấp

Trong số các vật liệu màng cứng được đề cập ở trên, có ba loại màng kim cương, nitrat boron CBN và carbon nitride có độ cứng HV có thể vượt quá 50GPa. Một số vật liệu màng có độ cứng cực cao đã mở ra một ứng dụng rất quan trọng cho sự phát triển của lớp phủ Công cụ cắt màng cứng, vì kim cương tự nhiên quý hiếm và đắt tiền không đáp ứng được nhu cầu của ngành công nghiệp hiện đại. Vào giữa những năm 1950, công ty động cơ nói chung của Hoa Kỳ đã tổng hợp nhân tạo kim cương, và thu được kim cương dạng hạt và kim cương. được gia công, rất khó để áp dụng nó lên bề mặt dụng cụ. Lưỡi kim cương tinh thể (PCD) thường được sử dụng trong ngành cơ khí cũng có hiệu suất hạn chế do hình học đơn giản, không có bộ phận bẻ phoi và các thông số hình học hợp lý. Đầu những năm 1970, kim cương mỏng màng được tổng hợp bằng lắng đọng hơi hóa học áp suất thấp (LCVD). Sau hơn 20 năm đột phá về công nghệ, công nghệ lắng đọng hơi áp suất thấp cho kim cương cuối cùng đã tạo ra một bước đột phá lớn, và nghiên cứu kim cương đã trở thành một chủ đề nóng trên toàn thế giới.

Kim cương và than chì là allotrope, tinh thể kim cương là hệ tinh thể lập phương và than chì là hệ tinh thể lục giác. Do các chế độ liên kết khác nhau giữa các nguyên tử, hiệu suất của chúng thay đổi rất lớn. Về mặt hình học, than chì ổn định hơn kim cương. Sự tăng trưởng của kim cương ở áp suất thấp pha khí, trong sơ đồ pha của carbon, được thực hiện ở khu vực có than chì ổn định và kim cương có thể di chuyển được. Tuy nhiên, vì tiềm năng hóa học của hai pha rất gần nhau, cả hai pha đều có thể được hình thành. Phương pháp tổng hợp pha khí áp suất của kim cương đang ức chế pha than chì và thúc đẩy tăng trưởng pha kim cương. Phương pháp tổng hợp phổ biến là phương pháp dây nóng. Làm lắng đọng hơi hóa học tăng cường (PECVD), bao gồm PCVD vi sóng, cộng hưởng cyclotron electron ecr-pcvd, dc và rf PCVD phương pháp; Dc và phương pháp plasma phóng điện hồ quang tần số cao. Đầu vào năng lượng trong quá trình phản ứng (như công suất rf, công suất vi sóng, v.v.), trạng thái kích hoạt và opti tỷ lệ mal của khí phản ứng và chế độ tạo mầm trong quá trình lắng đọng, v.v., đóng vai trò quyết định trong sự hình thành màng kim cương. Các hằng số tinh thể và mạng tinh thể của vật liệu nền có ảnh hưởng lớn đến sự tăng trưởng tạo mầm của màng kim cương. Khi pha kim cương và pha than chì được tạo hạt cùng một lúc trên đế, pha graphit sẽ phát triển nhanh. Nếu có nồng độ hydro nguyên tử cao, nó sẽ ăn mòn pha graphit đang phát triển và loại bỏ pha graphit. Mặc dù nó có thể ăn mòn pha kim cương, nhưng nó chậm hơn rất nhiều, do đó để kìm hãm sự phát triển của pha than chì. Nhiều yêu cầu cho việc lắng đọng màng kim cương ở nhiệt độ 600 ~ 900oC, vì vậy công nghệ được sử dụng để lắng đọng màng kim cương trên bề mặt xi măng dụng cụ cắt cacbua.

3. Công nghệ màng mỏng CBN là bước đột phá chưa

So với màng kim cương tổng hợp, màng CBN tổng hợp là lĩnh vực nghiên cứu muộn.CBN có ba đồng phân, cấu trúc sphalerit khối CBN, cấu trúc than chì lục giác H-bn; cấu trúc wurtzite lục giác W-bn. Tính chất của ba đồng phân rất khác nhau. H-bn có cấu trúc rất giống với than chì và kết cấu rất mềm. Trong các nguyên tử w-bn và CBN, B và N phải tạo thành cấu trúc phối trí bậc bốn với nhau. Cả hai đều là vật liệu siêu cứng. CBN thu được bằng phương pháp nhiệt độ và áp suất cao là tinh thể dạng hạt với độ siêu vi cao nhất lên tới 84,3GPa. Độ siêu vi cao nhất của màng CBN là 61,8GPa và hiệu suất toàn diện của nó không kém gì phim kim cương .BN chỉ đứng thứ hai sau kim cương về độ cứng và độ dẫn nhiệt và có độ ổn định nhiệt tuyệt vời. đến 1000 ℃ oxit.CBN có tính chất hóa học cực kỳ ổn định đối với kim loại nhóm sắt, khác với kim cương không phù hợp để gia công thép. Nó có thể được sử dụng rộng rãi để hoàn thiện và mài các sản phẩm thép. Ngoài khả năng chống mài mòn tuyệt vời, lớp phủ CBN có thể được sử dụng để gia công thép chịu nhiệt, hợp kim titan và thép cứng ở tốc độ cắt khá cao, và có thể được sử dụng để cắt cứng Các con lăn có độ cứng cao, vật liệu làm nguội hỗn hợp carbon và hợp kim si-al bị mài mòn công cụ rất nghiêm trọng. Phương pháp PVD và PVD là phương pháp chính để tổng hợp màng CBN .VD bao gồm PCVD vận chuyển hóa học, PCVD nóng, dây nóng, ecr-cvd, vvPVD bao gồm mạ chùm ion phản ứng, bay hơi phản ứng và lắng đọng chùm ion hỗ trợ bằng laser.

Công nghệ tổng hợp của CBN vẫn còn nhiều việc phải làm trong nghiên cứu cơ bản và công nghệ ứng dụng, bao gồm cơ chế phản ứng và quá trình tạo màng, chẩn đoán huyết tương và phân tích phổ khối, xác định điều kiện tốt nhất của quá trình, phát triển thiết bị hiệu quả cao, v.v. .

4. Carbon nitride có thể vượt quá độ cứng của kim cương

Vào cuối những năm 1980, các nhà khoa học Mỹ IIU và co-hen đã thiết kế p-c3n4, một hợp chất mới tương tự p-si3n4. Mô đun khối, dải năng lượng và hằng số ký tự của p-c3n4 được tính bằng cách sử dụng lý thuyết vật lý trạng thái rắn và hóa học lượng tử, và người ta thấy rằng mô đun khối lượng lớn của carbon nitride đạt đến phạm vi số của kim cương. tỷ lệ thuận với mô đun thể tích, độ cứng của C3N4 có thể đạt đến độ cứng của kim cương, điều này đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên toàn thế giới. Năm 1994, IIU đã công bố kết quả nghiên cứu mới E53. Ông đã áp dụng phương pháp tính toán ab initio của động lực phân tử mô hình mạng biến thiên (vs-md), mở rộng nghiên cứu lý thuyết về C3N và chất rắn năng lượng thấp, và chỉ ra rằng C và N có thể có ba cấu trúc: pha P của hệ tinh thể lục giác, Cấu trúc sphalerite của hệ tinh thể lập phương và cấu trúc giống như than chì của hệ tinh thể hình tam giác. Năm 1996, Jeter và Hemley ở Hoa Kỳ vẫn sử dụng các tính toán ab initio nguyên tắc đầu tiên, nhưng đã thay đổi quy trình. Phương pháp gradient liên hợp được sử dụng để giảm thiểu electron. bậc tự do trong các điều kiện ban đầu. Hàm tuần hoàn được sử dụng để mở rộng sóng điện tử thành hai sóng phẳng. Bảo tồn tiêu chuẩn và bảo tồn cường độ (ENHC) đã được sử dụng.C3N4 với năm cấu trúc thu được, đó là pha n, p- cấu trúc pha, cubophase, cấu trúc cubophase silicozinc E và pha graphit. Ngoài pha giống như than chì, bốn loại còn lại đều là vật liệu siêu cứng. Mô đun khối của E - cc 3 n 4 trong quặng silicozinc pha khối cao hơn kim cương. Do đó, carbon nitride có thể có độ cứng của kim cương.

Thành công của việc tổng hợp carbon nitride là một ví dụ đáng chú ý của kỹ thuật phân tử. Carbon nitride, như một vật liệu siêu cứng, dự kiến sẽ có nhiều tính chất vật lý và hóa học có giá trị khác. Các phương pháp tổng hợp chính của nitrat carbon là phún xạ phản ứng dc và rf. và phương pháp lắng đọng chùm ion, phương pháp ECR-CVD, phương pháp lắng đọng chùm ion kép, v.v ... Màng carbon nitride thu được từ chùm ion bay hơi hỗ trợ chùm tia điện tử tại trường đại học okayama ở Nhật Bản đạt mức độ vi mô cao nhất của carbon nitride hiện nay - 63.8 Đại học tsinghua của GPa.China cũng thu được 60,8GPa carbon nitride có độ cứng cao, và độ cứng carbon nitride tổng hợp của đại học wuhan đạt 50.0GPa9, và lắng đọng trên máy khoan bện HSS và đạt hiệu suất khoan rất tốt. Công nghệ chính để chuẩn bị lớp phủ siêu cứng carbon nitride. là để tránh sự kết tủa của pha graphit.