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切削刀具塗層技術的發展

二十世紀六十年代以來,cvd技術被廣泛應用於硬質合金可轉位刀具的表麵處理。由於CVD工藝氣相沉積所需金屬源的製備相對容易,可實現Tin、Tic、TiCN、Tibn、Tib2、Al2O3等單層及多元多層複合塗層的沉積,塗層與基體結合強度較高,薄膜厚度可達7~9μm,因此到八十年代中後期,美國已有85%的硬質合金工具采用了表麵塗層處理,其中cvd塗層占到99%;到九十年代中期,cvd塗層硬質合金刀片在塗層硬質合金刀具中仍占80%以上。

盡管CVD塗層具有很好的耐磨性,但cvd工藝亦有其先天缺陷:一是工藝處理溫度高,易造成刀具材料抗彎強度下降;二是薄膜內部呈拉應力狀態,易導致刀具使用時產生微裂紋;三是cvd工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環境汙染,與目前大力提倡的綠色製造觀念相抵觸,因此自九十年代中期以來,高溫CVD技術的發展和應用受到一定製約。八十年代末,krupp.WIDIA開發的低溫化學氣相沉積(pcvd)技術達到了實用水平,其工藝處理溫度已降至450~650℃,有效抑製了η相的產生,可用於螺紋刀具、銑刀、模具的tin、ticn、tic等塗層,但迄今為止,pcvd工藝在刀具塗層領域的應用並不廣泛。九十年代中期,中溫化學氣相沉積(mt-cvd)新技術的出現使cvd技術發生了革命性變革。mt-cvd技術是以含c/n的有機物乙腈(ch3cn)作為主要反應氣體、與ticl4、H2、N2在700~900℃下產生分解、化學反應生成ticn的新工藝。采用mt-cvd技術可獲得致密纖維狀結晶形態的塗層,塗層厚度可達8~10μm。這種塗層結構具有極高的耐磨性、抗熱震性及韌性,並可通過高溫化學氣相沉積(ht-cvd)工藝在刀片表麵沉積al2o3、tin等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力孝自潤滑性能好的材料。

mt-cvd塗層刀片適於在高速、高溫、大負荷、幹式切削條件下使用,其壽命可比普通塗層刀片提高一倍左右。目前,cvd(包括mt-cvd)技術主要用於硬質合金車削類刀具的表麵塗層,塗層刀具適用於中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用CVD技術還可實現α-Al2O3塗層,這是pvd技術目前難以實現的,因此在幹式切削加工中,CVD塗層技術仍占有極為重要的地位。最常用的塗層:TiN,塗層顏色為金黃色,適合於加工低合金鋼和不鏽鋼;TiCN(碳氮化鈦),塗層顏色為灰色,硬度比TiN要高,耐磨性更好,其進給速度和切削速度分別較TiN高出40%和60%;TiAlN,塗層為灰色或黑色,主要塗在硬質合金刀具基體表麵。


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