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刀具涂层发展现状 4 WDC市场 4.TiAl合金靶的应用与国内市场突破 现今切削液通常不再必要的重要原因是有了涂层。它们通过抑制从切削区到刀片刀具的热传导来减缓温度的冲击。涂层的作用就象一层热屏障因为它有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数。因此这些刀具吸收的热量较少能承受较高的切削温度。蘼凼浅迪骰故窍诚涂层刀具都允许采用更高效的切削参数而不会降低刀具寿命。 4.1 TiAlN涂层的特性 4.1.1 TiAlN涂层较TiN涂层的优势 涂层厚度在2到18m之间它在刀具性能方面起著重要的作用。较薄的涂层比厚的涂层在冲击切削时经受温度变化的性能要好这是因为较薄的涂层应力较小不易产生裂纹。在快速冷却和加热时厚的涂层就象玻璃杯极快地加热冷却一样容易碎掉。用薄涂层刀片进行干式切削可以延长刀具寿命高达40这就是物理涂层常用来涂圆形刀具和铣刀片的原因。PVD涂层往往涂得比化学涂层要薄与轮廓结合得较牢固。另外PVD涂层可以在低得多的温度下沉积在硬质合金上因此它们更多地应用于非常锋利的刃口及大的正前角铣刀、车刀。 虽然涂层材料氮化钛在所有涂层刀具中占有80。然而在高速干式切削的情况下最好的PVD涂层是氮铝钛TiAlN它的性能在高温连续切削时优于氮化钛四倍例如用于高速车削。TiAlN涂层对于处在较高的热应力条件下的刀具也胜过其他涂层。象干式铣削及那些小直径孔的深孔钻削切削液难以到达的部位。 TiAlN在切削温度下比TiN更硬且具有热稳定性PVD涂层利用了它的抗化学磨损性能它的硬度高达维氏3500度它的工作温度高达1470°F800℃。材料科学家推测这些性质可归功于非结晶的氧化铝薄膜它是当高温时涂层表面中的一些铝氧化后在切屑/刀具介面上形成的。 TiN的晶体结构为NaCl结构面心立方并且在氮的含量在37.5-50at内时以一种含氮固溶体的形式存在。添加Al后随Al含量不同结构不同。Al小于60at时镀层取δ-TiN结构Al原子代替TiN中的Ti的位置。Al含量大于70at时出现AlN纤锌矿结构Ti原子部分替代了AlN薄膜中的Al原子但不形成TiN相不是AlN和TiN的混合体当薄膜中的Ti含量达到29 at时薄膜才出现很不明显的TiN衍射峰。Al含量介于两者之间时两种结构混合出现。并且相同的晶体结构不同的Al含量的镀层的晶格常数和择优取向会不同。当TiAlN为面心立方结构时随Al含量增加111择优取向明显减弱200择优取向明显增加晶格常数随Al含量的增加而减小。 图3 TiAlN晶胞结构示意图 由于Al元素的引入使得TiAlN薄膜具备了许多优于TiN薄膜的特性如薄膜硬度的提高、抗高温氧化性能、抗腐蚀性、优良的切割性能等。采用电弧离子镀制备的TiN和TiAlN薄膜薄膜厚度均约为2μm表5为TiAlN薄膜与TiN薄膜性能数据。 表5 TiAlN薄膜与TiN薄膜性能 性能TiAlNTiN 显微硬度/kgmm-23200±1002300±100 膜/基介面结合强度/N4133 抗高温氧化温度/℃800600 抗冷热疲劳性700℃200次550℃500次 装饰性浅紫至深紫多样金黄色单一 1硬度 采用电弧离子镀制备的TiN和TiAlN薄膜薄膜厚度均约为2μm。经测量TiN和TiAlN薄膜的显微硬度分别为2300±100kg/mm2和3200±100kg/mm2。TiAlN薄膜的显微硬度有明显的提高是由于TiAlN薄膜的晶粒尺寸更为细小Al原子取代了部分TiN晶格中的Ti原子引入了部分残余应力的作用。 在高温情况下由于固溶在TiN晶格中Al原子的作用TiAlN薄膜的高温硬度要明显高于TiN薄膜。采用空心阴极离子镀方法在高速钢表面沉积TiA1N多元超硬膜。WA16时膜/基介面结合强度最大值可达41N与TiN膜的33N相比膜/基介面结合强度有了较大程度的提高。有报道采用多弧离子镀法在WC-Co材料上制备Ti0.67Al0.33N临界载荷获得过90N的高结合力。 2抗高温氧化性能 相对于TiN薄膜TiAlN薄膜具有的更优的性能是抗高温氧化的能力。TiN膜层具有典型的柱状晶结构其晶粒的生长是从基体一直延伸到表面。这种结构有可能形成一定的空隙使TiN膜层的氧化可以沿晶界发生。在TiN膜层中掺入A1元素后TiN的柱状晶结构就不太明显了。同时Al元素与氧有极强的亲合力在膜层的表面极易形成致密的氧化膜从而提高了膜层的抗氧化能力。因此TiAlN涂层具有较强的抗高温氧化性能其温度高达800℃以上膜层也不会发生任何剥落而TiN涂层的抗高温氧化温度只可达600℃左右。 3抗腐蚀性 TiN和TiAlN薄膜对水有很好的抗腐蚀性。熔融状态下的铁氟龙对金属有著很强的腐蚀性。但是TiAlN是一种很好的保护铁氟龙挤压模具的材料。当TiAlN暴露在HF的气氛中时会生成一种化学上比较稳定的AlF3。它