Desarrollo de los nuevos materiales para recubrimientos duros de herramientas de corte.

- Jan 08, 2019-

Desarrollo de los nuevos materiales para recubrimientos duros de herramientas de corte.


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1. Desarrollo de materiales de revestimiento duro múltiples y compuestos.

 

La tecnología PVD, debido a su temperatura de procesamiento controlada a menos de 500 , se puede utilizar como el proceso de tratamiento final, muy adecuado para el recubrimiento de herramientas de acero de alta velocidad, mejora en gran medida el rendimiento de corte del cortador de acero de alta velocidad, por lo que la tecnología de los años 80 promoción rápida; a fines de la década de 1980, la relación de recubrimiento PVD de las herramientas de corte complejas HSS en los países industrialmente desarrollados superó el 60%. A principios del siglo 21, la relación de recubrimiento PVD de las cortadoras HSS en los países industrialmente desarrollados alcanzó el 50% ~ 70 %, y la relación de recubrimiento PVD de los cortadores complicados HSS alcanzó hasta el 90%. La aplicación exitosa de la tecnología PVD en el campo de las herramientas de acero de alta velocidad ha atraído una gran atención de la industria manufacturera en todo el mundo. Al competir para desarrollar equipos de revestimiento de alto rendimiento y alta confiabilidad, el campo de aplicación de la tecnología PVD se ha ampliado (especialmente en la aplicación de carburo cementado y herramientas de cerámica). Los resultados muestran que, en comparación con el proceso CVD, la temperatura del proceso PVD es baja. bajo 600 no tuvo ningún efecto en la resistencia a la flexión del material de la herramienta de corte. El estado de tensión interna de la película es la tensión de compresión, que es más adecuada para el recubrimiento de carburo cementado de precisión y herramientas de corte complejas. en línea con la dirección de desarrollo de la fabricación ecológica. A finales de la década de 1990, la tecnología PVD se ha aplicado ampliamente al tratamiento de recubrimiento de fresado de carburo, broca, taladrado de orificios de aceite, escariador, roscado, pieza de corte de fresado indexable y cortador de forma especial, etc.

 

La empresa consultora alemana Eurasia ha analizado el mercado del recubrimiento de herramientas en China en 1999. El tamaño del mercado del recubrimiento de herramientas en China en 1999 fue de 75,12 millones de yuanes. Según las estadísticas del anuario de la industria de maquinaria de China (el alcance es un miembro de la asociación de herramientas) Los productos de herramientas de acero de alta velocidad en China representaron la mayor proporción, su valor de producción representó el 85.9%, las ventas representaron el 89.8% y la herramienta de recubrimiento del mismo año solo representó el 3% ~ 4%. La compañía pronostica que la herramienta china el mercado de recubrimientos crecerá en más de un 20 por ciento anual, y el mercado de recubrimientos de herramientas PVD crecerá aún más, y se espera que el tamaño del mercado chino de recubrimientos de herramientas alcance 247.69 millones de yuanes para el año 2005. Dado que el mercado de procesamiento de herramientas de China es muy grande, por lo tanto, el desarrollo de la tecnología de recubrimiento de herramientas es de gran importancia. Aunque la tecnología de recubrimiento de herramientas doméstica actual y el nivel avanzado internacional en comparación con la gran brecha, el recubrimiento de TIALN ordinario tec La tecnología no está madura, pero el enorme mercado de aplicaciones y los requisitos cada vez más urgentes del país para la innovación, la tecnología de fabricación ecológica, ha promovido el desarrollo innovador de la tecnología nacional de recubrimiento de herramientas.

 

Superficie de la herramienta de corte de la película dura sobre los requisitos del material: 1, alta dureza, buena resistencia al desgaste; 2. Propiedades químicas estables, sin reacción química con materiales de la pieza de trabajo; 3, resistencia al calor y a la oxidación, bajo coeficiente de fricción y firma de adhesión a la matriz. Es difícil que un solo material de recubrimiento cumpla con todos los requisitos técnicos anteriores. El desarrollo de los materiales de recubrimiento, ha sido del recubrimiento original de TiN único, el recubrimiento de TiC, ha pasado por el TiC Al, el recubrimiento compuesto de estaño 03 y el TiCN, el TiAlN y otras etapas de desarrollo de recubrimiento de compuesto múltiple, ahora el último desarrollo de TiN / NBN, TiN / CN y otros materiales de película de compuesto múltiple, el rendimiento del recubrimiento de la herramienta se ha mejorado considerablemente.

 

TiN es el material de recubrimiento duro más maduro y más utilizado. En la actualidad, la tasa de uso de las cortadoras HSS recubiertas con TiN en los países industrialmente desarrollados ha representado entre el 50% y el 70% de las cortadoras HSS, y la tasa de uso de algunas cortadoras complejas no regrindables ha superado el 90%. Debido a los altos requisitos técnicos de las modernas herramientas de corte de metal, el revestimiento de TIN se fue adaptando poco a poco. La resistencia a la oxidación del revestimiento de TiN es peor cuando la temperatura de uso es de 500 ; la película fue obviamente oxidada y ablacionada, y la dureza no puede satisfacer la necesidad. El TiC tiene una microdureza más alta, por lo que la resistencia al desgaste de este material es mejor. Al mismo tiempo, se adhiere firmemente al sustrato. En la preparación de un revestimiento de capas múltiples resistente al desgaste, el TiC se usa a menudo como la película subyacente en contacto con el sustrato. Es un material de recubrimiento muy común en la herramienta de recubrimiento. El desarrollo de TiCN y TiAlN mejoró aún más el rendimiento de los cortadores recubiertos. El TiCN puede reducir la tensión interna del recubrimiento, mejorar la tenacidad del recubrimiento, aumentar el espesor del recubrimiento, evite la difusión de grietas y reduzca la rotura de la hoja. El TiCN se establece como la capa principal de desgaste de la herramienta recubierta, lo que puede mejorar significativamente la vida útil de la herramienta. El TiAlN tiene una buena estabilidad química y abrasión antioxidante. Cuando se procesa acero de alta aleación, acero inoxidable, aleación de titanio y aleación de níquel, la vida útil del cortador recubierto de estaño se puede aumentar de 3 a 4 veces. Si hay una alta concentración de Al en el revestimiento de TiAlN, es un amorfo muy delgado. Al2O3 se generará en la superficie del recubrimiento durante el corte, formando una película protectora inerte dura. La herramienta recubierta se puede utilizar de manera más efectiva en el corte a alta velocidad. El nitruro de titanio dopado con oxígeno TiCNO tiene una microdureza y una estabilidad química muy altas, que pueden producir un revestimiento compuesto equivalente a TIC + AL2O3.Algunos nitruros, carburos, boruros de metales de transición Los compuestos complejos, algunos de los cuales tienen una alta dureza, estos materiales pueden desarrollarse y aplicarse a herramientas de recubrimiento, harán un nuevo avance en el rendimiento de las herramientas de recubrimiento.

 

2. Aplicación de película de diamante de síntesis en fase gaseosa a baja presión.

 

Entre los materiales de película dura mencionados anteriormente, hay tres tipos de película de diamante, nitruro de boro cúbico CBN y nitruro de carbono cuya microdureza HV puede superar los 50GPa. Estos pocos materiales de película de dureza ultra alta han abierto un uso muy importante para el desarrollo de revestimientos herramienta de corte película dura, porque el diamante natural raro y costoso está lejos de satisfacer las necesidades de la industria moderna. A mediados de la década de 1950, la compañía de motores generales de los Estados Unidos sintetizó artificialmente el diamante y obtuvo diamante granular y en polvo. Debido a que el diamante granular es difícil maquinado, es difícil aplicarlo a la superficie de la herramienta. Los discos de diamante policristalino (PCD) que se usan comúnmente en la industria mecánica también tienen un rendimiento limitado debido a su geometría simple, sin rompevirutas y parámetros geométricos razonables. A principios de la década de 1970, diamante delgado Las películas se sintetizaron por deposición química de vapor a baja presión (LCVD). Después de más de 20 años de avances tecnológicos, la tecnología de deposición de vapor a baja presión para el diamante finalmente logró un gran avance, y la investigación del diamante se ha convertido en un tema candente en todo el mundo.

 

El diamante y el grafito son alótropos, el cristal de diamante es un sistema de cristal cúbico y el grafito es un sistema de cristal hexagonal. Debido a los diferentes modos de enlace entre los átomos, su rendimiento varía enormemente. En términos termodinámicos, el grafito es más estable que el diamante. El crecimiento del diamante en baja presión La fase gaseosa, en el diagrama de fase del carbono, se lleva a cabo en la región donde el grafito es estable y el diamante es metaestable. Sin embargo, debido a que los potenciales químicos de las dos fases están muy cerca, se pueden formar ambas fases. La tecnología clave de baja La síntesis de la fase gaseosa a presión del diamante inhibe la fase de grafito y promueve el crecimiento de la fase de diamante. El método de síntesis común es el método de alambre caliente. Deposición de vapor químico mejorado por plasma (PECVD), incluyendo PCVD de microondas, resonancia de ciclotrón de electrones ecr-pcvd, dc y rf PCVD Métodos; método de plasma de descarga por arco de alta frecuencia y CC. La energía que ingresa en el proceso de reacción (como la potencia de RF, la potencia de microondas, etc.), el estado de activación y La mala relación del gas de reacción y el modo de nucleación en el proceso de deposición, etc., juegan un papel decisivo en la formación de la película de diamante. Las constantes de cristal y red de los materiales del sustrato tienen una gran influencia en el crecimiento de la nucleación de la película de diamante. Cuando la fase de diamante y la fase de grafito se nuclean al mismo tiempo en el sustrato, la fase de grafito crecerá rápidamente. Si hay una alta concentración de hidrógeno atómico, corroerá la fase de grafito en crecimiento y eliminará la fase de grafito. Aunque puede corroer la fase de diamante, es mucho más lenta, para inhibir el crecimiento de la fase de grafito. Muchos requisitos para el depósito de la temperatura de la película de diamante 600 ~ 900 ℃, por lo que la tecnología utilizada para depositar la película de diamante en la superficie de cementado Herramientas de corte de carburo.

 

3. La tecnología de película delgada CBN será un gran avance aún.

 

Comparada con la película de diamante sintético, la película de CBN sintética es un campo de investigación tardía. La CBN tiene tres isómeros: estructura de esfalerita cúbica de CBN, estructura de grafito hexagonal H-bn, estructura de wurtzita hexagonal W-bn. Las propiedades de los tres isómeros son muy diferentes. H-bn tiene una estructura muy similar al grafito y una textura muy suave. En w-bn y CBN, los átomos B y N tienen que formar una estructura de coordinación cuádruple entre sí. Ambos son materiales súper duros. El CBN obtenido por el método de alta temperatura y alta presión es un cristal granular con el mayor microdureza hasta 84.3GPa. La microdureza más alta de la película de CBN es 61.8GPa, y su rendimiento integral no es menor que el de la película de diamante. La CBN es la segunda en comparación con la dureza y la conductividad térmica del diamante, y tiene una excelente estabilidad térmica. En la atmósfera, no se calienta. a 1000 ℃ óxido. El CBN tiene propiedades químicas extremadamente estables para los metales del grupo del hierro, que es diferente del diamante que no es adecuado para el procesamiento del acero. Puede ser ampliamente utilizado para el acabado y esmerilado de productos de acero. Además de una excelente resistencia al desgaste, el recubrimiento CBN se puede usar para procesar acero resistente al calor, aleación de titanio y acero endurecido a una velocidad de corte bastante alta, y se puede usar para cortar duro rodillos con alta dureza, materiales de enfriamiento con mezcla de carbono y aleación de si-al con desgaste de herramientas muy severo. Los métodos de CVD y PVD son los principales métodos para sintetizar películas de CBN. La CVD incluye PCVD de transporte químico, calefacción por cable asistida por calor PCVD, ecr-cvd, etc.PVD incluye placas reactivas de haz de iones, evaporación reactiva y deposición de haces de iones asistida por láser.

 

La tecnología de síntesis de CBN todavía tiene mucho trabajo por hacer en investigación básica y tecnología de aplicación, incluyendo mecanismo de reacción y proceso de formación de película, diagnóstico de plasma y análisis de espectrometría de masas, determinación de las mejores condiciones de proceso, desarrollo de equipos de alta eficiencia, etc. .

 

4. Nitruro de carbono que puede exceder la dureza del diamante.

 

A fines de la década de 1980, los científicos estadounidenses IIU y la gallina diseñaron p-c3n4, un nuevo compuesto similar a p-si3n4. El módulo de volumen, la banda de energía y las constantes de caracteres de p-c3n4 se calcularon utilizando la física del estado sólido y la teoría de la química cuántica, y se encontró que el módulo de volumen de nitruro de carbono alcanzó el rango numérico del diamante. Dado que la dureza del material es proporcional al módulo de volumen, la dureza del C3N4 puede alcanzar la dureza del diamante, lo que ha atraído la atención de científicos de todo el mundo. En 1994, IIU publicó el nuevo resultado de investigación E53. Adoptó el método de cálculo ab initio de dinámica molecular modelo de red variable (vs-md), extendió la investigación teórica de C3N de baja energía y sólido, y señaló que C y N pueden tener tres estructuras: Fase P del sistema de cristales hexagonales, estructura de esfalerita del sistema de cristal cúbico y estructura similar al grafito del sistema de cristal triangular. En 1996, Jeter y Hemley en los Estados Unidos todavía utilizaban los primeros principios de los cálculos ab initio, pero cambiaron el proceso. El método de gradiente de conjugado se usa para minimizar el electrón grados de libertad en las condiciones iniciales. La función periódica se usa para expandir la onda de electrones en dos ondas planas. Se usó la conservación de la fuerza y la resistencia estándar extendida (ENHC). Se obtuvo C3N4 con cinco estructuras, que son de fase n, p- fase, estructura de la mezcla de cubofase, estructura de silicozinc E de cubofase y fase grafítica. Además de la fase de grafito, los otros cuatro son todos materiales superduros. El módulo de volumen de E - cc 3 n 4 en la fase cúbica el mineral de silicozinc es más alto que el del diamante. Por lo tanto, el nitruro de carbono puede tener la dureza del diamante.

 

El éxito de la síntesis de nitruro de carbono es un ejemplo notable de ingeniería molecular. Se espera que el nitruro de carbono, como un material superduro, tenga muchas otras propiedades físicas y químicas valiosas. Los principales métodos de síntesis del nitruro de carbono son la deposición reactiva de dc y rf. Evaporación con láser y el método de deposición asistida por haz de iones, el método ECR-CVD, el método de deposición de haz de ión doble, etc. La película de nitruro de carbono obtenida por deposición asistida por haz de iones por evaporación de haz de electrones en la Universidad de Okayama en Japón alcanzó la mayor microdureza de nitruro de carbono en la actualidad - 63.8 La universidad de Tsinghua de GPa.China también obtuvo 60.8GPa de nitruro de carbono de alta dureza, y la dureza de nitruro de carbono sintético de wuhan university alcanzó 50.0GPa9, y se depositó en la broca HSS, y obtuvo un excelente rendimiento de perforación. La tecnología clave para preparar el recubrimiento superduro de nitruro de carbono Es evitar la precipitación de la fase de grafito.