涂层刀具的发展与应用_(NXPowerLite).ppt

涂层刀具的发展与应用一气相沉积技术概述图1气相沉积技术分类及工艺方法1.2气相沉积技术特点不同气相沉积技术也具有不同的工艺特点。属于热平衡的CVD工艺技术气体反应源的温度远低于沉积反应温度。所以在沉积工艺中很容易改变反应源物质组份获得种类繁多的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物单金属和合金涂层。CVD涂层厚度和质量均匀一致涂层和基体结合强度高尤其对形状复杂面积大的物件更为适合。CVD装备相对要简单一些适合工业化生产。所以在气相沉积技术中CVD一直占有重要地位。CVD技术缺点是被涂层基体要加热到1000℃左右高温超过了钢基体材料的回火温度再进行热处理容易产生变形即使基体为硬质合金材料也会因高温等因素使基体表面脱碳形成η相降低了抗弯强度。另外随着环保要求的提高处理CVD排放的有害废气也会增加生产成本。所以为了解决一般高温CVD的问题近几年有机金属化合物热分解MTCVD和等离子增强低温CVD技术发展很快。既具有一般高温CVD的优点又使沉积温度降到600℃以下取得了很好的效果。PVD属于非热平衡型。反应源的蒸发温度远高于基体物件的温度沉积温度一般都在600℃以下不会改变基体的力学性能和尺寸精度。工艺中基本不产生有害废气。近年来由于PVD技术和工艺设备水平的发展加上使用靶材品种和质量的增加有效提高了涂层和基体的结合强度扩大了涂层材料的种类使过去难于使用PVD技术沉积的碳化物、氮化物、氧化物等硬质涂层现在变成了可能。极大的扩展了PVD技术的应用范围。表1列出了几种PVD和CVD技术特性比较情况。表1几种不同PVD和CVD技术特性比较1.3气相沉积技术应用概述表2气相沉积技术主要应用范围二刀具涂层的发展史我国从1971年开始对硬质涂层CVD工艺技术和设备进行了研究并取得了很大的进展有些科研成果已达到了国外先进水平。日前TiC、TiN、TiBN、Al2O3、金刚石、C3N4等单涂层和复合涂层气相沉积技术和设备在我国正大力推广应用必将对我国工业现代化作出更大的贡献。三刀具涂层用设备及其工艺技术图2示出了负压沉积硬质涂层的CVD装置示意图装置由以下几部份组成：CVD装置主要性能加热方式及控制CVD装置的加热方式有电阻加热、高频感应加热、红外线和激光加热等这应根据装置结构、涂层种类和反应方式进行选择。对大型生产设备多采用电阻加热方式。沉积室及结构在设计沉积室时首先要考虑沉积室形式(如立式、卧式等)制造沉积室材料沉积室有效窖和盛料混气结构。一个好的沉积室结构应在保证产量的同时还要做到：第一各组分气体在沉积室内均匀混合；第二要保证各个基体物件都能得到充足的反应气体；第三生成附产物能迅速离开基体物件表面。这样就能使每一件基体和同一件基体的各个部分涂层厚度均匀一致涂层质量性能均匀一致。真空及废气处理CVD装置大多会产生腐蚀性、有毒性废气和粉状物附产物。这会对真空泵和环境造成很大损害。所以在大批量生产中真空机组多选用水喷泵和液体循环真空泵废气采用冷阱吸收和碱液中和等手段去除酸气和有害粉尘使尾气排放达到环保要求的标准。CVD工艺技术HT-CVD硬质涂层种类和性能表3CVD技术沉积的元素及其化合物V硬质涂层主要用于机械工业中如金属切削工具冷冲冷挤模具和耐磨损耐腐蚀机械零部件等。在实际应用中特别要求涂层制品要有高硬度(包括高温硬度)抵抗磨擦磨损和磨粒磨损要有好的耐高温抗氧化性能抵御高温时化学粘着磨损和抗腐蚀性能提高涂层制品的使用寿命。适合作硬质涂层的金属化合物种类也很多它们按化学键的特征一般分为金属键、共价键、离子键有三个类型。表4列出了硬质涂层材料分类表5给出了各种硬质材料的物性。不同金属碳化物显微硬度和温度关系曲线见图3。表4硬质涂层材料分类表5各种硬质材料的物性共价键型硬质材料图3不同金属碳化物显微硬度和温度关系曲线由表5和图3可以看出每一种材料的性能都有优势也存在不足的地方。所以仅用单涂层材料很难满足涂层制品综合性能的需要这在进行涂层材料设计时必须给予重视。HT-CVD工艺技术表6典型硬质涂层材料化学反应方式及条件氧化物主要工艺参数对硬质涂层质量的影响1.沉积温度图4部份金属化合物反应自由能曲线研究表明随着沉积温度的升高HT-CVD反应速度加快涂层沉积速率(um/h)提高二者近似呈线性关系。图5给出了沉积温度对TiC、TiN、TiCN涂层沉积速率影响曲线。图5TiC、TiN、TiCN涂层沉积温度对沉积速率的影响对在不同温度下沉积的涂层组织结构分析表明沉积温度过高沉积速率过快会造成涂层组织疏松、晶粒粗大甚至会出现枝状结晶。图6示出了不同温度下TiC涂层组织结构。图6不同温度下TiC涂层组织结构b.1020