刀具的涂層技術

刀具的涂層技能，硬質合金刀具修磨，有用，要轉發(fā)收藏！

1.刀具涂層的特點

　?。?）力學和切削功用好。涂層刀具將基體資料和涂層資料的優(yōu)良功用結合起來，既堅持了基體良好的韌性和較高的強度，又具有涂層的高硬度、高耐磨性和低沖突系數。因而，涂層刀具的切削速度與未涂層的相比，切削速度可進步2~5倍，運用涂層刀具能夠獲得明顯的經濟效益。

　　（2）通用性強。涂層刀具通用性廣，加工范圍明顯擴展，一種涂層刀具能夠替代數種非涂層刀具運用，因而能夠大大削減刀具的品種和庫存量，簡化刀具管理，下降刀具和設備本錢。

2.涂層的分類

　　依據涂層辦法不同，涂層刀具可分為化學氣相堆積涂層刀具、物理氣相堆積，涂層刀具及混合工藝及組合技能。CVD涂層原理如圖1a所示，PVD涂層原理如圖1b所示。混合工藝是等離子輔助CVD技能與傳統的PVD技能進行有用的結合。比如先堆積傳統的CrN硬質涂層，再在上面堆積一層用于削減沖突的DLC涂層。組合技能是涂層前對東西或零部件的外表層進行氮化，能夠進步涂層的成效。

　　CVD能夠涂覆耐磨損性優(yōu)異的TiCN、耐熱性非常優(yōu)異的Al2O3厚膜，因而在發(fā)生高溫的高速、率切削加工中能顯示出長壽命，CVD涂層如圖2a所示。

　　PVD一般用在與無涂層硬質合金、高速鋼相同或較高速的切削速度條件下，以延常刀具壽命為方針。對基體制約少、損傷小，因而特別適合用于要求耐磨損性、耐崩刃性的刀具，也適用于要求鋒利刃口的低進給加工與精加工或螺紋加工東西等，PVD涂層如圖2b所示。

　　依據涂層刀具基體資料的不同，涂層刀具可分為硬質合金涂層刀具、高速鋼涂層刀具以及在陶瓷和超硬資料（金剛石和立方氮化硼）上的涂層刀具等。涂層硬質合金刀具一般選用化學氣相堆積法，堆積溫度在1 000℃左右。涂層高速剛刀具一般選用物理氣相堆積法，堆積溫度在500℃左右。

　　金剛石涂層選用CVD（化學蒸鍍法）在硬質合金基體上組成。組成的涂層具有與天然金剛石相匹敵的硬度與導熱系數，在非鐵資料的加工中發(fā)揮著優(yōu)異的功用。金剛石涂層刀具由于其良好的切削功用，在切削加工范疇具有廣闊的使用前景，是加工石墨、金屬基復合資料、高硅呂合金及許多其他耐磨蝕資料的理想刀具，目前其主要使用范疇是轎車和航空航天工業(yè)。金剛石涂層刀具的組織如圖3所示。

　　依據涂層資料的性質，涂層刀具又可分為兩大類，即“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具。“硬”涂層刀具尋求的主要方針是高的硬度和耐磨性，其主要長處是硬度高、耐磨性好，典型的是TiC和TiN涂層，各種涂層刀具如圖4所示?！败洝蓖繉拥毒呤沁x用固體潤滑劑如MoS2、WS2等制備的刀具，“軟”涂層尋求的方針是低沖突系數，也稱為自潤滑刀具，它與工件資料的沖突系數很低，只有0.1左右，可減小粘、減輕沖突、下降切削力和切削溫度。

　　對刀具進行涂層處理是進步刀具功用的重要途徑之一，涂層刀具的出現，使刀具切削功用有了較大的進步，使用范疇不斷擴展，涂層刀具在數控加工范疇有巨大潛力，將是往后數控加工范疇中重要的刀具品種。目前國外硬質合金可轉位刀片的涂層份額在70%以上，歐洲齒輪刀具的涂層份額高達90%。涂層技能已使用于立銑刀、鉸刀、復合孔加工東西、齒輪滾刀、剃齒刀、成形拉刀及各種機夾可轉位刀片，滿意高速切削加工各種鋼和鑄鐵、耐熱合金和有色金屬等資料的需求。

3.涂層刀具的制備

　　精密東西、零部件和功用件的新式高功用涂層都是由涂層爐出產出來的。由于不同的使用需求不同品種的涂層，且需求快速的交貨期，因而涂層爐有必要要有滿足的靈活性，以保證出產不同系列的涂層都能有蕞佳的本錢效益?，F代化的涂層設備能夠在金屬、陶瓷乃至是塑料的外表進行快速、穩(wěn)定且全自動的涂層?，F代涂層設備有必要滿意以下原則：①單爐時間短。②日常運營本錢低。③靈活性高。④設備保養(yǎng)和備件費用本錢規(guī)劃低。⑤出產可靠性高。⑥全自動操作。⑦CE認證，工作安全標準高。

4.涂層的選用

　　為了更好地挑選和開展刀具及零部件的蕞佳成效，需求辨別其主要及特定的磨損性和失效機理。磨損、粘附、腐蝕和疲憊都視為磨損機理，而且都取決于實踐的使用。經歷指出，資料的沖突和磨損都不是資料的原因，而是整個系統的原因。因而，在挑選涂層前就有必要分析整個沖突系統，包括零部件的技能功用、抗壓力范圍以及磨損機理的類型。

5.結語

　　正確選用涂層是合理運用涂層刀具和充分發(fā)揮涂層功用的前題?，F在的涂層主要是以TiN和CrN為主。當然DLC涂層和用于鋁壓鑄模具的新式微合金涂層的使用也越來越廣泛。在曩昔幾十年間，為了滿意對功用涂層不斷的要求，工業(yè)等離子外表技能獲得了十分迅猛的開展。面向未來，新的挑戰(zhàn)也會推進現行的涂層技能和新涂層概念及其使用向更先進的方向開展。經過使用新的蒸發(fā)設備和濺射理念以及脈沖技能，電弧PVD和濺射工藝也將愈加先進。經過選用超高密度的等離子體和優(yōu)化的電弧蒸發(fā)技能能夠生成微合金涂層和專用規(guī)劃的多結構涂層。涂層的納米規(guī)劃也將成為東西開展方向之一。

高溫合金

一、高溫合金的概念、原理和分類

高溫合金一般是指能在600~1200℃的高溫下抗癢化、抗腐蝕、抗蠕變，并能在較高的機械應力效果下長期作業(yè)的合金資料。

高溫合金強調的不是耐受溫度指標，耐受溫度比高溫合金高的資料有很多，比如難熔合金、陶瓷及碳碳復合資料等。高溫合金底子的特性在于必定溫度下所具有的高強度。以一般的修建用鋼材為例，鹽城硬質合金刀具，它在室溫下強度很高，但在修建焚燒時強度會急劇下降，從而導致修建坍塌。高溫合金的長處是，在600~1200℃的高溫下，它仍然能堅持極高的強度和硬度以接受較高的載荷。因而俄羅斯將其稱為熱強合金，而歐美稱之為超合金（superalloy）。

一般鋼材含有十多種化學元素，而高溫合金一般含有超越30-40種元素，高溫合金之所以能在高溫下堅持較高的強度和硬度首要原因在于這些元素在安排中發(fā)揮著強化金屬功能的效果。

高溫合金的分類有多種：1）按制造工藝分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末高溫冶金三類。2）按合金的首要元素分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金三類。3）按強化辦法分為固溶強化、時效強化、氧化物彌散強化和晶界強化等。

以工藝分類來看，變形高溫合金運用規(guī)劃廣，占比達70%，其次是鑄造高溫合金，占比20%。以合金首要元素來看，鎳基高溫合金運用規(guī)劃廣，占比達80%，其次為鎳-鐵基，占比14.3%，鈷基占比少，占比5.7%。

二、高溫合金展開進程及概略

高溫合金早誕生于20世紀初期的美國，被用作車站的防腐支架。從開端，高溫合金的研發(fā)進入了高速展開時期，鎳基高溫合金、鈷基高溫合金、鐵基高溫合金紛紛研發(fā)成功，并大量運用。現在鎳基高溫合金是現代航空發(fā)起機、航天器和火箭發(fā)起機以及艦船和工業(yè)燃氣輪機的要害熱端部件資料（如渦輪葉片、導向器葉片、渦輪盤、焚燒室等），也是核反應堆、化工設備、煤轉化技能等方面需求的重要高溫結構資料。

高溫合金的展開首要閱歷了幾個階段：二十世紀40時代以前提出概念，40-50時代實現在噴氣發(fā)起機的運用，50-60時代在真空熔煉技能取得重大進展，60-70時代會集在合金化方面，70時代后首要在工藝研討方面，定向凝結、單晶合金、粉末冶金、機械合金化和陶瓷過濾等新工藝成為高溫合金展開的首要動力，其間定向凝結工藝制備的單晶合金尤為重要，在航空發(fā)起機渦輪葉片中運用尤為廣泛。二十世紀80時代以來，國內外廣泛展開數值模仿研討，取得了重要進展，并在此基礎上展開了顯微安排及冶金缺點猜測研討。

三、鎳基高溫合金

在整個高溫合金領域中，鎳基高溫合金占有特別重要的地位，與鐵基和鈷基合金比較，鎳基合金具有更好的高溫功能、良好的抗癢化和抗腐蝕功能。鎳基高溫合金是高溫合金中運用廣、高溫強度蕞高的一類合金。其首要原因，一是鎳基合金中能夠溶解較多合金元素，且能堅持較好的安排安穩(wěn)性；二是能夠構成共格有序的A3B型金屬間化合物[Ni3(Al，Ti)]相作為強化相，使合金得到有用強化，獲得比鐵基高溫合金和鈷基高溫合金更高的高溫強度；三是含鉻的鎳基高溫合金具有比鐵基高溫合金更好的抗癢化和抗燃氣腐蝕才能。能夠說，鎳基高溫合金的展開決定了航空渦輪發(fā)起機的展開，也決定了航空工業(yè)的展開。選用定向凝結技能制備出的鎳基單晶合金，其運用溫度已接近合金熔點的90%，成為今世先進航空發(fā)起機熱端部件不行替代的重要結構資料。

鎳基高溫合金含有十多種元素，增加合金元素對高溫合金的功能起要害的效果。以鑄造鎳基高溫合金為例，鑄造鎳基高溫合金以γ相為基體，增加鋁、鈦、鈮、鉭等構成γ’相進行強化，γ’相數量較多，有的合金高達60%；參加鈷元素能前進γ’相溶解溫度，前進合金的運用溫度；鉬、鎢、鉻具有強化固溶體的效果，鉻、鉬、鉭還能構成一系列對晶界發(fā)生強化效果的碳化物；鋁、鉻有助于抗癢化才能，但鉻下降γ’相的溶解度和高溫強度，因而鉻含量應低些；鉿改進合金中溫塑性和強度；為了強化晶界，增加適量的硼、鋯等元素。研討標明，GMR235鑄態(tài)合金的含碳量為0.18%時，高溫耐久壽數和抗拉強度蕞大，且具有較好的塑性，增加硼和鋯的合金耐久性明顯改進，合金的枝晶距離削減，硬質合金刀具規(guī)格，碳化物的析出量削減且碳化物顆粒細化，從而改進各方面功能。

鎳基高溫合金是20世紀30時代后期開端研發(fā)的。英國于1941年首先出產出鎳基高溫合金Nimonic75；為了前進蠕變性又增加了鋁，研發(fā)出Nimonic80。美國于40時代中期，蘇聯于40時代后期，我國于50時代中期也研發(fā)出鎳基合金。

鎳基合金的展開包含兩個方面：合金成分的改進和出產工藝的改造。50時代初，真空熔煉技能的展開，為煉制含高鋁和鈦的鎳基合金創(chuàng)造了條件。初期的鎳基合金大都是變形合金。50時代后期，因為渦輪葉片作業(yè)溫度的前進，要求合金有更高的高溫溫度，可是合金的強度高了，就難以變形，乃至不能變形，于是選用熔模精細鑄造工藝，展開出一系列具有良好高溫強度的鑄造合金。60時代中期展開出功能更好的定向結晶和單晶高溫合金以及粉末冶金高溫合金。為了滿意艦船和工業(yè)燃氣輪機的需求，60時代以來還展開出一批抗熱腐蝕功能較好、安排安穩(wěn)的高鉻鎳基合金。在從40時代初到70時代末大約40年的時間內，鎳基合金的作業(yè)溫度從700℃前進到1100℃，平均每年前進10°C左右。

鎳基高溫合金按照制造工藝，可分為變形高溫合金、鑄造高溫合金、粉末冶金高溫合金。

3.1 變形高溫合金

變形高溫合金是高溫合金中運用廣的一類，占比到達70%。變形高溫合金首要選用常規(guī)的鍛、軋和揉捏等冷、熱變形手段加工成材。我國鎳基變形高溫合金以拼音字母GH加序號表明，如GH4169、GH141等。

變形高溫合金塑性較低，變形抗力大，運用一般的熱加工手段變形有必定困難，因而需求采納鋼錠直接軋制、鋼錠包套直接軋制和包套墩餅等新工藝來加工，也選用加鎂微合金化和彎曲晶界熱處理工藝來前進塑性。

變形高溫合金在航空發(fā)起機中至今仍然是首要用材。其間GH4169在我國航空發(fā)起機中已得到廣泛運用，被稱為高溫合金中的。其材質水平和加工工藝水平近年來得到明顯前進。GH4169合金的冶金產品有不同標準的鍛棒、熱軋棒、冷拉棒、板、帶、絲、管和鍛件，制造的零件有各類盤、轉子、環(huán)、機匣、軸、緊固件、彈性元件、阻尼元件等。

3.2 鑄造高溫合金

跟著運用溫度和強度的前進，高溫合金的合金化程度越來越高，熱加工成形越來越困難，必須選用鑄造工藝進行出產。另外，選用冷卻技能的空心葉片的內部雜亂型腔，只能選用精細鑄造工藝才能出產，因而鎳基鑄造高溫合金在實際出產運用中不行缺少。鑄造高溫合金運用也較為廣泛，占比約20%。國內的鑄造高溫合金以“K”加序號表明，如K1、K2等。

按結晶辦法，鑄造高溫合金又能夠分為多晶鑄造高溫合金、定向凝結鑄造高溫合金、定向共晶鑄造高溫合金和單晶鑄造高溫合金等4種類型。鑄造高溫合金的特點是：1）具有更寬的成分規(guī)劃。因為不用統籌變形加工功能，合金的規(guī)劃能夠會集考慮優(yōu)化其運用功能。2）具有更廣闊的運用領域。因為鑄造辦法具有的特別長處，可依據零件的運用需求，規(guī)劃、制造出近終型或無余量的具有任意雜亂結構和形狀的高溫合金鑄件。

1.概述

   通常，人們把含鉻量＞12%或含鎳量＞8%的合金鋼稱為不銹鋼。這種鋼在大氣中或在腐蝕性介質中具有一定的耐腐蝕能力，并在較高溫度（＞450℃）下具有較高的強度。含鉻量達16%～18%的鋼，稱為耐酸鋼或耐酸不銹鋼，通稱為不銹鋼。

    含鉻量達12%以上的鋼在與氧化性介質接觸時，由于電化學作用，表面形成一層富鉻氧化膜，可保護金屬內部不受腐蝕。但在非氧化性腐蝕介質中，不能形成堅固的鈍化膜。為提高鋼的耐腐蝕能力，通常選擇增大鉻的比例或添加可促進鈍化的合金元素，如添加Ni、Mo、Mn、Cu、Nb、Ti、W和Co等。這些合金元素不僅提高了鋼的抗腐蝕能力，同時改變了鋼的內部組織和物理力學性能。其在鋼中的含量不同，對不銹鋼性能產生的影響不同，有的有磁性，有的則無磁性，有的能夠進行熱處理，有的則不能進行熱處理。

    不銹鋼被越來越廣泛地應用于航空、航天、化工、石油、建筑以及食品機械行業(yè)中。其所含的合金元素對切削加工性能影響較大，文中主要對不銹鋼的切削加工進行了分析。

    2.不銹鋼的分類及性能

    （1）按不銹鋼主要成分，分為以鉻為主的鉻不銹鋼和以鉻、鎳為主的鉻鎳不銹鋼兩大類。

    （2）按不銹鋼金相組織分類：①馬氏體不銹鋼。其含鉻量為12%～18%，含碳量為0.1%～0.5%（有時達1%）。其硬度為170～217HBW，硬質合金刀具參數，抗拉強度σb為540～1 079MPa，伸長率δ為10%～25%，熱導率к為25.12W/（m·K）。常見的牌號有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、1Cr17Ni2、9Cr18、9Cr18MoV和30Cr13Mo等。馬氏體不銹鋼通過淬火，可獲得較高的硬度、強度和耐磨性。然而，當鋼中含碳量低于0.3%時，組織不均勻，粘附性強，切削時易產生積屑瘤，且斷屑困難，切削加工性較差。當含碳量達0.4%～0.5%時，切削加工性較好。②鐵素體不銹鋼。其含鉻量為12%～13%。硬度為177～228HBW，抗拉強度σb為363～451MPa，伸長率δ為20%～22%，熱導率к為16.7W/（m·K）。加熱冷卻時組織穩(wěn)定，不發(fā)生相變，所以不能進行熱處理強化，只能靠變形強化，切削加工性相對較好。常見的牌號有0Cr13、0Cr17Ti、0Cr13Si4NbRe、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr17Mo2Ti、1Cr28以及1Cr25Ti等。③奧氏體不銹鋼。其含鉻量為12%～25%，含鎳量為7%～20%（或20%以上）。硬度為187～207HBW，抗拉強度σb為481～520MPa，伸長率δ為40%，熱導率к為16.33W/（m·K）。典型牌號有1Cr18Ni9Ti，其他還有00Cr18Ni10、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti、1Cr14Mn14Ni、2Cr13Mn9Ni4以及1Cr18Mn8Ni5N等。由于奧氏體不銹鋼含有較多的鎳或錳，加熱時組織不變，故淬火不能使其強化，可通過冷加工硬化來大幅度提高強度和硬度，其硬化程度為基體硬度的1.4～2.2倍，給下一次切削帶來很大困難。其具有優(yōu)良的力學性能和良好的耐腐蝕能力，無磁性。④奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。與奧氏體不銹鋼相似，僅在組織中含有一定量鐵素體，常見牌號有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、1Cr18Mn10Ni5Mo3N、0Cr17Mn13Mo2N、1Cr17Mn9Ni3Mo3Cu2N、Cr26Ni17Mo3CuSiN以及1Cr18Ni11Si4AlTi等。這類不銹鋼有硬度極高的金屬間化合物析出，強度比奧氏體不銹鋼高，切削加工性能比奧氏體不銹鋼更差。其硬度＜277HBW，抗拉強度σb為589～736MPa，伸長率δ為18%～30%。⑤沉淀硬化不銹鋼。這類不銹鋼因含有較高的鉻、鎳和極低的碳，還含有能起沉淀硬化作用的、鋁、鈦和鉬等合金元素，其在回火時析出，產生沉淀硬化，具有很高的硬度和強度。其硬度為363～388HBW，抗拉強度σb為1 138～1  324MPa，伸長率δ為5%～10%，這類鋼具有良好的耐腐蝕性能。常見牌號有0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al等。

   3.不銹鋼的切削特點

   不銹鋼的切削加工性能比45鋼差。若以45鋼的相對切削加工性Kr為1，則奧氏體不銹鋼的相對切削加工性Kr為0.4，鐵素體不銹鋼的Kr為0.48，馬氏體不銹鋼的Kr為0.55。其中以奧氏體和奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的切削加工性差，給切削加工帶來很大困難，其特點如下：

    （1）切削加工硬化嚴重。以奧氏體和奧氏體 鐵素體不銹鋼的加工硬化現象為嚴重，硬化層的硬度比基體硬度高1.4～2.2倍，其抗拉強度σb為1 470～1 960MPa。這類不銹鋼塑性大（δ＞35%），塑性變形時晶格扭曲，故強化系數大，且奧氏體不穩(wěn)定，在切削力作用下，部分奧氏體轉變?yōu)轳R氏體。

   （2）切削力大。不銹鋼的高溫強度和硬度高且韌性大，故在切削時所消耗的能量大，即切削抗力大。以奧氏體不銹鋼為例，在切削過程中溫度高達700℃時，其綜合力學性能高于一般結構鋼。加之其在切削過程中的塑性變形大、硬化現象嚴重，增大了切削力，所以不銹鋼的單位切削力為45鋼單位切削力的1.25倍。

   （3）切削溫度高。由于不銹鋼在切削時的塑性變形大，切屑與刀具間的摩擦大，加之其熱導率僅為45鋼熱導率的1/3～1/4，散熱條件差，大量切削熱集中在切削區(qū)，在相同切削條件下，切削溫度比切削45鋼時高200℃。

   

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