利用纳米技术开发新型刀具涂层.doc

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利用纳米技术开发新型刀具涂层

利用纳米技术开发新型刀具涂层 利用纳米技术开发新型刀具 涂层 很长一段时间以来,”纳米技 术”在许多行业一直是一个时髦词 汇.但是,在刀具涂层材料领域,纳 米技术又意味着什么呢?纳米结构 刀具涂层的发展近况如何呢? 定义纳米尺度可能是一个不错 的出发点.被普遍接受的纳米尺度 定义是指100纳米(或更小)的尺寸 数量级(1纳米是1米的十亿分之 -- ). 然而,对于刀具涂层而言,问题 并非如此简单.尽管纳米涂层材料 的特征尺寸的确符合lOOnm或更小 的尺度,但人们正在利用新的涂层 工艺和涂层材料为许多困难的加工 生产切削刀具,在某些情况下,这些 涂层刀具在使用寿命和加工性能上 可能远远优于传统刀具. NanoMech公司的创始人兼首 席技术官AiayMalshe博士认为,利 用纳米技术来开发刀具涂层,需要 具备一种与基于化学合成的观念完 全不同的思维方式,在上个世纪或 更长一段时间里,材料科学的发展 主要是由化学合成技术推动. Malshe博士表示,”我们基本上 是以与利用化学方法相反的方式利 用尺寸效应.关于材料特性的传统 思维并不适用于纳米尺度.例如, 对于刀具涂层而言,它可能意味着 比传统材料硬度更高,强度更好的 新材料,或者可能意味着在涂层上 产生新的表面结构,使其可以在加 工时充当一种微型断屑器.” CBN涂层的新进展 作为NanoMech公司的子公司, Duralor公司已经开发出了在刀具 表面沉积CBN复合涂层的纳米技 术涂层工艺,并正在对其进行商业 化应用(参见本刊2009年第1期 “CBN涂层有望实现商品化”一 文).2008年时,这种CBN纳米复 合涂层还处于初期开发阶段,在随 后这两年时间里,Duralor公司专注 于CBN涂层刀具的加工应用,并与 选定的用户——据Duralor公司总 裁BobReed介绍,大约有十几家 —— 合作,对CBN涂层刀具进行商 品化. Reed表示,”目前,我们重点关 注用CBN涂层刀具加工硬度达 2 HRC54的淬硬钢.用该涂层加工 预硬钢和粉末冶金材料的效果也非 常不错.”Duralor公司目前主要研究 CBN涂层的连续车削加工,不过,今 后几个月,该公司期望在用CBN涂 层刀片和圆刀具进行断续切削的开 发上取得进展. Duralor公司与阿肯色大学的研 究人员共同开发的Tufftek~艺包括 两个步骤:首先,在硬质合金基体上 静电沉积CBN亚微米粒子;然后,利 用化学气相沉积法(CVD),使TiN, TiCN,TiC或其他传统刀具涂层材 料渗入CBN粒子.该技术能够沉积 相对较厚(100m以上)的涂层,但 更典型的涂层厚度为20m以下. Reed表示,与采用PCBN刀尖 的刀具相比,CBN涂层刀具具有更 大的成本优势,并且,由于CBN涂层 具有使刀具寿命延长3—4倍的潜 力,因此,与传统的多层涂层刀片的 加工成本相比,也颇具竞争性. 除了将CBN涂层的应用范围 拓展到铣削和(如果可能的话)钻削 加工以外,Duralor公司的研究工作 还集中在采用不同的涂层材料渗入 静电沉积的CBN粒子.该公司正 在研究将CVDA1O作为可能的复 合涂层材料,以及研究在复合涂层 中加入具有润滑性的材料. Malshe博士解释说,”采用这种 方式涂层的刀具将CBN纳米粒子 与可为切削刃不断提供润滑的润滑 材料(如二硫化钼)结合起来.因 此,我们这种沉积工艺实际上是一 种技术平台,能以采用传统的CVD 或PVD工艺不可能实现的方式,将 不同的涂层材料和涂层结构结合在 一 起.” HPPD纳米涂层的应用 另一种纳米涂层新lT艺是 RushfordHypersonicLLC公司开发 的超音速等离子体颗粒沉积工艺 (HPPD)(参见本刊2009年第5期 “用于干式钻削的刀具涂层”一 文).该公司总裁DanielFox解释 说,”这种沉积工艺的基本原理是, 将材料分子分离为其基本形态,从 而在等离子体流中产生反应物.然 后,通过成核过程,重新组合这些物 质,并将组合成的材料分子加速到8 倍音速以上(大约6,000英里/每小 时),使其沉积到基体上.” Fox指出,这种粒度为2—2Onto 的纳米颗粒在高速撞击基体时,会 发生相变,并与基体形成化学结合, 其结果是形成具有优异的粘附性, 高硬度,高断裂韧性的单层薄涂 层.他说,”我们的涂层通常具有高 于37GPa的硬度和超过3.1MPa的 断裂韧性.而且,我们对纳米粒子 粒度分布的控制越精确,获得的涂 层断裂韧性和硬度就越高.在今后 6个月内,我们预计可使涂层的断裂 韧性达到6MPa,硬度超过50— 60GPa.” Rushford公司正在采用HPPD 图1在切削试验中,用一支直径为 6.35mm,涂覆Rushford公司HPPD SiC涂层的钻头在

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