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山西十一选五前三直遗漏:新型納米涂層及其設備

文字:[大][中][小] 2015-5-30    瀏覽次數:5692    

山西十一选五任三遗漏号码 www.vwcpy.com 在高性能刀具涂層中,(Ti,Al)N類涂層的市場份額約占25%~55%。這是由于(Ti,Al)N類涂層的優良性能,包括很高的硬度(25~38GPa)和較低的內應力(-3~5GPa),并且在800℃時硬度只降低30%~40%;此外,還顯示出很高的抗氧化能力,在800℃時,氧化速度約為15~20μm/cm,這相當于TiCN涂層在400℃時或TiN涂層在550℃時的氧化速率;最后,這種涂層的導熱率低,與TiN涂層相比,其導入的熱量低30%。

目前,涂層行業還在做大量的工作,以進一步改進(Ti,Al)N類涂層的優良性能,例如:

·把多弧工藝和濺射工藝組合起來;

·對多弧工藝中產生的大的液滴進行過濾;

·優化工藝參數(如弧流、偏壓、N2的分壓等);

·優化涂層的結構(如避免柱狀結構以提高抗腐蝕能力);

·開發多層涂層以提高韌性和厚度;

·添加其它合金元素如鉻、釔(進一步提高氧化能力)、鋯、釩、硼、鉿(進一步提高韌性)以及硅(進一步提高硬度和化學穩定性)。

這些優化(Ti,Al)N類涂層工作的主要任務是,開發納米多層涂層和提高Al的含量。

開發納米多層涂層和提高涂層的含Al量

把現有的多層涂層工藝精細化就可以實現納米多層。在由TiNCrN層與AlN層交替涂覆形成的納米多層涂層中,層間的距離(交替的周期)對硬度的影響表現為硬度隨著周期的減小而提高,其原因是構成多層的材料具有不同的彈性模量;當層距變得更小時,硬度又會下降,這是因為各層之間的界面變得不清晰所致,如果界面清晰,不會現出硬度降低的現象。關于涂層的結構,有研究指出,AlN在層距大于10nm時為六方結構,在10nm以下為立方結構。

涂覆納米涂層必須對陰極靶的控制與工件(刀具)的轉動實現精確的同步,因此,適用于對同一種工件的批量處理,如果處理的是不同尺寸的工件,那么層距就會變化,一把涂有層距變化的納米涂層刀具,其耐用度會由于切削溫度的變化而降低。要想在一次裝爐中在不同的工件上涂出不變的層距,涂層的成本會很高。

與此同時,世界上著名的涂層公司都在研究提高(Ti,Al)N類涂層的Al含量,目的是提高硬度(主要是高溫硬度)、耐磨性、抗氧化能力,以改進刀具的切削性能。為了與通常的TiAlN涂層有所區別,目前把Al含量超過50%的涂層稱為AlTiN。于是有了含Al量67%、75%,甚至80%的涂層,但Al的含量是有限變的,超過這個限度,涂層的性能反而變壞。實踐證明,一方面要盡量提高有效的鋁含量,同時又要保持不變的層距,這很難做到。因此,只有用新的原理才能有新的突破,下面介紹的納米復合物(Nanocomposite)涂層就可滿足上述要求。

納米復合物(Nanocomposite)涂層

通過同時沉積幾種性質很不同的材料(如Ti、Al、Si),且形成的組織成分沒有完全分解,就會形成兩相組織——TiAlN的納米晶粒鑲嵌在非晶態的Si3N4基體里,形成蜂窩結構,其晶界能起阻斷裂縫進一步延伸的作用。這個涂層除了有很高的硬度外,其耐熱性也很好,硬度可保持到1100℃,很適合高效、干式切削加工的需要。此外,把納米復合物涂層與納米多層結構相結合,其性能更好。該多層涂層的層距為35。

這種涂層結構只有在多弧設備的陰極相互之間靠得很近的情況下才能實現,這就是瑞士platit公司開發的LARC技術和設備。

為了使納米復合物涂層能經濟地應用于工業生產,其涂層設備必須滿足以下條件:

·陰極必須相互靠得很近;

·有高度離子化的等離子體;

·能建立很高的磁場強度;

·能很快移動的弧點。

LARC技術的六大優點

為了滿足上述要求,platit公司開發出一個新的涂層設備,該設備采用了所謂LARC(Lateral Rotating ARC Cathods)——側裝的可旋轉的弧陰極技術。該涂層設備的靶是旋轉的水冷陰極,磁場由永久磁鐵和線圈產生,并可在垂直方向和徑向進行控制??尚囊跫安嗔⒌牟季質竅率鯨ARC技術六大優點的基礎。

1)最佳的附著涂層

所有高性能涂層最重要的前提是涂層與基體的附著性好,布置在側面的圓柱形的旋轉陰極可實現靶的“虛擬轉換(Virture Shutter)”,來代替用機械裝置實現的轉換。這種“虛擬轉換”的工作方式為:磁場向后轉180°,使陰極對著設備后壁的表面并被“點弧”,目的是在正式涂層過程開始前清洗靶面,并使大的顆粒沉積在后壁上,此時,刀具的表面由高強度的等離子體加以清潔;然后,陰極和磁場均旋轉180°,陰極弧不用熄滅就轉向刀具開始沉積過程,此時沉積到刀具基體上附著層是清潔的靶材,有很好的附著性,并顯著縮短了離子刻蝕的時間。

2)加大了靶的寬度

可旋轉的圓柱形陰極相當于一個很寬的平面陰極,比占有相同空間的平面靶的寬度增加了π倍。

3)提高了涂層的光潔度

在通常的多弧工藝里,大部分的液滴都是在開始時散射出來,即在起弧時在靶的一個固定點上形成大的“熔池”,而這些大的液滴在LARC技術里都沉積在設備的后壁上。此外,在沉積時“液滴”的數量及大小取決于弧點移動的速度等因素。對于目前流行的平面靶,弧點的多動只靠磁場的作用,而在旋轉靶上弧點的移動更快、更均勻,因為附加了一個靶的轉動和寬磁場在垂直方向的擺動。

4)可涂覆納米復合物涂層

布置在側面的圓柱形陰極只需要不大的空間,因此可在一個很小的空間里配置更多的陰極,從而可在一個小型的設備里沉積不同的金屬成分。由于快速的相對運動,使得低熔點的金屬(純Al或AlSi)也能作為靶材,以替代貴重的合金靶(如Al25%/Ti75%或Al50%/Ti50%)。

由于多種原因,還不能用純Si制作靶,Si是用合金靶(如AlSi、CrSi、TiSi等)來沉積的,由這樣的靶沉積以后,AlSi還需要被分開,Si沒有進入金屬相,而是納米晶粒鑲嵌在非晶態的基體里(如Si3N4)。這要求一個很高密度的等離子體和高強度的磁場,一個很強的磁場產生一個快速移動的弧點(不必擔心靶會燒穿),所沉積的納米復合物涂層顯示出很小的晶粒尺寸,在晶粒之間沒有缺陷,邊界十分清晰,裂縫被阻斷在晶界上,硬度很高。

5)可涂覆納米梯度涂層

因為可使用多個“純”靶(如純Ti,Al和AlSi),通過編程可很方便地涂覆復合物涂層,并且可在涂層過程中連續地改變成分—-梯度涂層。以LARC梯度涂層為例,開始時Al比Ti沉積滯后,形成一個最佳的附著層,此后,Al含量連續增加,以提高涂層的硬度、熱強度和抗氧化能力,快結束時,Al的含量下降,Ti的含量相對提高,形成金色的外表。

6)可涂覆多層納米涂層

多層的納米涂層是周期性涂覆梯度層,通常高的硬度會產生高的內應力,采用梯度多層結構內應力可低至-3~-5GPa。

小型的涂層設備

第一臺LARC設備與現在刀具制造商現有的涂層設備相比是非常小的,這有很多原因:首先,涂層不應是大的涂層服務商或刀具制造商的特權,中小企業應自己能沉積最新的涂層;其次,新涂層代替現有的TiAlN涂層還有一個過程,納米結構涂層的需求在最近幾年會不斷增加,到那時才會需要更大的設備。

在掌握了小型的LARC涂層設備之后,放大是很容易的。難的是陰極必須設計成成雙的并且是相互緊挨著的,因為納米復合物涂層是多層結構,AlN層和TiN層只能保持在10nm的范圍里,否則會造成硬度下降,這就要求陰極不能遠離。

此外,較小的設備可以經濟地涂覆少量的工件,用戶不必將完全不同的零件放在一起涂,一個小設備的生產效率絕不比大設備低,相反,柔性會更好,能保證企業的交貨周期。小設備為制造商帶來的效益不多,但從長遠來看還是值得的。

發展前景

(Ti,Al)N類的涂層,目前是高性能刀具的主要涂層,進一步發展納米涂層和AlTiN涂層,由于物理學上的制約條件而受阻,本文介紹的納米復合物涂層能夠突破這個限制,采用新的LARC技術,利用側面配置的可旋轉的圓柱形陰極就能獲得這樣的涂層,為了沉積有競爭力的、能適合應用條件的、簡單或復雜的涂層結構,人們需要的不是更大更貴的涂層設備,小型設備能使中小企業用LARC(設備沉積最新的納米結構涂層)

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