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      細微納米級顆粒的PVD涂層加工顯微結構兼備高韌性
      發布時間:2018-06-15 瀏覽:

       細微納米級顆粒的PVD涂層加工顯微結構兼備高韌性、高硬度、高抗氧化性的特性,并可實現加工過程中無摩擦排屑的極光滑表面。在涂層沉積過程中,做到涂層與產品基體的超強附著,同時可以有效的控制涂層的沉積厚度(單邊0.5微米─5微米),針對不同的產品類型涂層處理。PVD后的刀具也具備了CVD后的熱穩定性,從而實現刀具(拉刀、銑刀、絲攻、鉆頭、刀粒、分中棒等)的強力高效加工,使其具備卓越的使用性能?! ?/span>

      b.模具類、模具配件及機械零件類

        針對不同的模具(塑膠模、五金沖壓模、壓鑄模、、成型模、引伸模、拉伸模、翻邊模等)和模具配件(沖棒、頂針)、機械耐磨、耐蝕零件等高要求五金制品所采用的PVD涂層工藝,可顯著提高產品表面硬度、耐磨性、耐蝕性、耐熱性以及潤滑性;并能方便脫膜,大力提升模具、零件的品質(如表面粗糙度、耐磨性、精度等)和使用壽命,使其有效的發揮產品的潛能。

        c.醫療器械、金屬五金制品類

        PVD涂層技術可以廣泛應用于各類磨損、咬合、腐蝕、粘著、融合等而引起失效的工具、模具、機械零件、醫療器械等。其中,因磨損引起的失效的產品(如:沖裁、冷鐓、粉末成型等)涂層后可提高壽命2-20倍以上;因咬合引起產品或模具的拉傷問題(如:引伸模、拉伸模、翻邊模等),涂層后可以從根本上予以解決。PVD涂層處理適用的材料:承受加熱溫度大于230度而不受影響的金屬材料。

      PVD涂層加工技術的重大突破造就了一種物理氣相沉積(PVD涂層)氧化鋁涂層,它用于難加工材料,具有傳統化學氣相沉積(CVD)涂層的耐熱性。 

      化學氣相沉積工藝和物理氣相沉積(PVD)工藝是用于可轉位刀片的兩種主要涂覆工藝?;瘜W氣相沉積工藝涉及高溫,產生相對較厚的涂層,具有高耐磨性和涂層附著力。用這種工藝涂覆的刀片能很好地處理發熱的題目,它們承受較長的刀片嚙合時間,產生較大切屑厚度。 

      物理氣相沉積工藝涉及較低的溫度,產生具有高韌性的較薄涂層,更適合較鋒利的刀刃。PVD涂層刀片能很好地克服不穩定性題目,令人困擾的從加工區域排屑的題目,以及多個刀具從工件退刀的題目(就像在銑削加工中碰到的那樣)。

      氧化鋁是一種受到越來越多的應用所青睞的涂層,由于它為刀片基片提供很好的外部熱防護和化學保護。 

      能夠采用物理氣相沉積工藝來涂覆氧化鋁對于不銹鋼和高溫合金的切削(要求正刀片幾何參數和鋒利刀刃)顯得尤為重要。較厚的化學氣相沉積涂層輕易使刀刃變鈍,而且該工藝的高溫會使硬質合金的硬度降低。但是,物理氣相沉積薄涂層保持了鋒利的刀刃,而且較低的涂覆工藝溫度不會使硬質合金的硬度降低。 

      物理氣相沉積氧化鋁涂層既具有傳統多層物理氣相沉積氮化鈦 (TiN)基、氮化鈦鋁(TiAlN)基或者碳氮化鈦(TiCN)基涂層的韌性,又具有化學氣相沉積涂層的優良耐熱性。 

      早已應用物理氣相沉積氧化鋁涂層來生產可轉位刀片以用于銑刀?,F在,適于車削應用的WSM30可轉位刀片上也有這種高性能的涂層。 

      “從來沒有哪一種用于車削的切削刀具具有像這樣的韌性/硬度比,刀具使用壽命和工藝可靠性性能也無法與之相比,”

      為了確保新刀片滿足各種應用需要,產品系列包括所有具有正、負幾何參數的標準刀片外形。

      “由于新PVD-Tiger刀片是為難切削材料而設計制造的,它的主要應用領域包括高合金和不銹鋼,以及諸如鈦合金等具有難以切削性能的材料,甚至還包括像因科鎳合金這樣的高溫合金,” Nehls說。其他應用還包括在低、高合金鋼上進行的極不連續的切削。Walter公司已經制造出了略微有別于WSM30的其他切削刀具,稱為WSM33/WSP43,它們開槽項目中經過最優化設計以適于開槽加工。

         目前,PVD涂層加工國內外如烏克蘭巴頓焊接研究所、北京航空航天大學、中國科學院金屬研究所、東北大學等科研機構對電子束物理氣相沉積技術(EB-PVD)研究較多的是其表面防護技術--制備涂層(熱障涂層、耐磨涂層、防腐涂層),微層材料等。熱障涂層的制備可以通過多種途徑實現,但從熱障涂層技術的發展及應用來看,以等離子噴涂和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)2種方法為主。由于沉積原理的差異,使得EB-PVD涂層與等離子涂層有著截然不同的微觀組織。EB-PVD制備的熱障涂層采用化學性結合,而等離子噴涂層制備的熱障涂層采用機械錨固的粘結。

        EB-PVD先在基體上形成1層細小的等軸晶,然后在其上面形成織構和柱狀晶。其顯微組織由許多彼此分離的柱狀晶體組成,且每個柱狀晶體又與底層牢固結合(EB-PVD熱障涂層典型結構如圖3所示)。柱狀晶結構能顯著提高涂層的應變容限,使涂層的抗熱沖擊性能明顯提高,研究表明等離子噴涂熱障涂層的疲勞壽命一般僅為EB-PVD涂層的1/3。另外柱狀晶結構也增強了涂層與基底的結合強度。

        由于EB-PVD涂層制備熱障涂層的整個過程都是在真空環境下進行的,可以防止涂層被污染和氧化。與等離子噴涂相比,EB-PVD制備的熱障涂層還有與切口表面的粘結力好、抗蝕性好、冷卻通道不易堵塞等優點。利用EB-PVD制PYSZ(ZrO2·Y2O3)+MCrAlY熱障涂層,是提高發動機推比的一項關鍵技術。

        由于EB-PVD幾乎可以蒸發所有物質,還可以精確控制薄膜厚度和均勻性,則可利用該工藝制備不同層間距及層厚比的多層材料如微層材料(納米和微米多層材料)。

      EB-PVD制備熱障涂層存在的不足與改進

        在制備熱障涂層中,EB-PVD與等離子噴涂相比,存在諸多優點。然而,其表面清洗復雜、設備復雜昂貴、沉積速率相對較低、工藝流程繁瑣等缺點也阻礙著EB-PVD技術的進一步發展。而且EB-PVD技術當涂層材料成分復雜時,材料的成分控制也會變得困難;因為EB-PVD技術對基片溫度非常敏感,采用EB-PVD技術制備熱障涂層時基片的尺寸不宜太大;對于形狀復雜的基片,存在所謂的陰影效應。

        更重要的是,由于EB-PVD涂層結構致密,使得其熱導率明顯高于等離子涂層(表1)。這對熱障涂層而言,較高的熱導率是十分不利的,對熱障涂層的隔熱能力帶來很大的負面影響,較高的熱導率勢必會影響EB-PVD熱障涂層的進一步應用。為了改善EB-PVD在制備熱障涂層時的不足,應從優化影響EB-PVD熱障涂層性能的各種工藝參數和優化EB-PVD系統這兩方面著手。更重要的是應設法降低涂層的熱導率。該問題可從以下幾個方面考慮。

        (1)采用具有更低熱導率的新型陶瓷材料代替現役YSZ,尋求新型具有更低熱導率的陶瓷材料以代替YSZ是目前熱障涂層領域研究的熱點之一。目前研究表明,Ln2Zr2O7(Ln代表稀土元素)是最有潛力的新型熱障涂層用陶瓷材料,但有關該體系材料對應熱障涂層的制備與性能的報道甚少。張紅松等人采用大氣等離子噴涂法制備了Sm2Zr2O7熱障涂層,研究發現,該涂層的熱導率僅是常規YSZ涂層的37.6%,說明新型熱障涂層的隔熱性能更加優良。若用來制備新型陶瓷材料的EB-PVD涂層,涂層的隔熱性能也肯定會有效改觀。

        (2)制備YSZ-Ln2Zr2O7雙陶瓷層熱障涂層,該體系涂層利用YSZ和Ln2Zr2O7等材料的低熱導率,對熱傳導進行層層阻礙,從而達到保護金屬基體的作用,但目前尚未見有關EB-PVD制備該體系熱障涂層的報道。深圳PVD涂層

        (3)改變涂層的顏色,通過在涂層陶瓷中引入其它元素,改變涂層的顏色,可降低可見光范圍內的輻射傳熱,從而降低涂層熱導率。

        (4)在EB-PVD涂層中引入納米結構,納米晶能有效增加聲子的散射,降低聲子的平均自由程,從而降低熱導率。

        (5)利用離子輔助沉積。離子輔助沉積包括離子束輔助沉積和等離子輔助沉積。離子束輔助(ion beam assisted deposition,IBAD)是在物理氣相沉積薄膜的同時,利用高能離子轟擊薄膜的沉積表面,對薄膜的沉積環境產生影響,從而改變沉積薄膜的微觀結構及性能的過程。將離子束輔助和等離子輔助與電子束物理氣相沉積技術相結合,可以提高蒸發粒子入射能量和擴散能力,改善由于電子束物理氣相沉積工藝本身存在陰影效應和擴散能力低而引起的沉積材料的不致密等不足。

      PVD涂層是英文Physical Vapor Deposition(物理氣相沉積)的縮寫,是指在真空條件下,采用低電壓、大電流的電弧放電技術,利用真空鍍膜設備氣體放電使鈦板蒸發并使被蒸發物質與氣體都發生電離,利用電場的加速作用,使被蒸發物質及其反應產物沉積在工件上。

      PVD涂層加工應用實例:

        模具名稱涂層類型模具材料被加工材料使用效果

        刀具類 TiN(氮化鈦)SKD11 0.5mm不銹鋼,提高9倍以上

        模具配件沖棒TiN(氮化鈦)Cr12MOV 低碳鋼板,提高5倍以上

        粉末冶金模具 CrN(氮化鉻)DC53 WC+Co粉末,提高12倍以上

        拉伸模具 TiCN(碳氮化鈦)SKD11低碳鋼板,解決模具、產品拉傷問題

        壓鑄模具 AlCrN(氮化鉻鋁)H13鋁合金6063,解決粘鋁料現象,模具壽命延長



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