切削工具の硬質皮膜用新材料の開発

- Jan 08, 2019-

切削工具の硬質皮膜用新材料の開発


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镀膜02

複合複合ハードコート材料の開発

 

500 以下に制御されたその処理温度のためPVD技術は、 高速度鋼工具のコーティングに非常に適した最終処理工程として使用することができ、高速度鋼カッターの切削性能を大幅に向上させるので、1980年代からの技術急速な促進; 1980年代の終わりまでに、工業先進国におけるHSS複合切削工具のPVD被覆率は60%を超えた。21世紀の初めまでに、工業先進国におけるHSSカッターのPVD被覆率は50%〜70に達した高速度鋼工具の分野でのPVD技術の成功裡の適用は世界中の製造業から大きな注目を集めている。 高性能で高信頼性のコーティング装置を開発するために競争している間、PVD技術の応用分野は拡大しました(特に超硬合金とセラミックツールの応用において)。その結果はCVDプロセスと比較して、PVDプロセス温度が低いことを示します。 600 以下で は切削工具材料の曲げ強度に影響を及ぼさなかった。フィルムの内部応力状態は圧縮応力であり、これは超硬合金精密および複雑な切削工具のコーティングにより適している。環境への悪影響、 1990年代後半に、PVD技術はカーバイドエンドミル、ドリルビット、油穴あけ、リーマ、タップ、スローアウェイミーリングカッターピースおよび特殊な形状のカッターのコーティング処理に広く適用されてきました、等

 

ドイツのユーラシアコンサルティング会社は1999年に中国の工具コーティング市場を分析しました。1999年の中国の工具コーティングの市場規模は7512万元でした。中国機械工業年鑑の統計によると(スコープは工具協会のメンバーです)中国の高速度鋼工具製品は最大の割合を占め、その出力値は85.9%を占め、売上高は89.8%を占め、そして同年コーティング工具はわずか3%〜4%を占めた。同社は中国工具がコーティング市場は年間20%以上成長し、PVDツールコーティング市場はさらに成長し、中国のツールコーティング市場の規模は2005年までに2億4,769万元に達すると予測されています。中国のツール加工市場は非常に大きいため、だからツールコーティング技術の開発は非常に重要です。現在の国内ツールコーティング技術と大きなギャップと比較して国際的な高度なレベルではあるが、通常のTIALNコーティング技術 技術は成熟していませんが、巨大なアプリケーション市場と革新のための国のますます緊急の要件、グリーン製造技術は、国内の工具コーティング技術の革新的な開発を促進しています。

 

材料の要件に硬質皮膜の切削工具の表面:1、高硬度、優れた耐摩耗性。 安定した化学的性質、被加工材料との化学反応なし。 3、耐熱性、耐酸化性、低摩擦係数、およびマトリックス接着力。 単一のコーティング材料が上記の全ての技術的要求を満たすことは困難である。 コーティング材料の開発は、元の単一TiNコーティング、TiCコーティングから行われており、TiC Al、03-tin複合コーティングおよびTiCN、TiAlNおよび他のマルチ複合コーティング開発段階を経て、現在TiN /の最新の開発/ NBN、TiN / CNおよび他のマルチコンポジットフィルム材料は、工具コーティングの性能が大幅に向上しました。

 

TiNは最も成熟して広く使用されているハードコーティング材料です。現在、先進工業国におけるTiNコーティングHSSカッターの使用率はHSSカッターの50%〜70%を占めており、一部の再粉砕不可能な複合カッターの使用率も占めています。現代の金属切削工具の高い技術的要求のために、TINコーティングは徐々に適応することができませんでした。使用温度が500 ℃の とき、TiNコーティングの耐酸化性は劣ってい ます;フィルムは明らかに酸化および除去され、そしてその硬さはニーズを満たすことができませんでした。TiCはより高い微小硬さを持っているので、この材料の耐摩耗性はより優れています。同時に、それはしっかりと基板に付着します。 多層耐摩耗性コーティングの製造において、TiCはしばしば基材と接触する下地フィルムとして使用される。 それはコーティング用具の非常に一般的なコーティング材料です。TiCNとTiAlNの開発はさらにコーティングされたカッターの性能を改善しました。TiCNはコーティングの内部応力を減らすことができ、コーティングの靭性を改善し、コーティングの厚さを増します。亀裂の拡散を防ぎ、刃の破損を減らします。TiCNは工具寿命を大幅に改善することができる被覆工具の主な摩耗層として設定されます。 高合金鋼、ステンレス鋼、チタン合金、ニッケル合金を加工する場合、錫コートカッターの寿命は3〜4倍になります。TiAlNコーティングに高濃度のAlがある場合、非常に薄いアモルファス切削中にAl 2 O 3がコーティングの表面に生成され、硬質の不活性保護膜を形成します。 被覆工具は高速切削でより効果的に使用できる。酸素ドープ窒化チタンTiCNOは非常に高い微小硬さと化学的安定性を持ち、TIC + AL 2 O 3と同等の複合被覆を生成できる。いくつかの遷移金属窒化物、炭化物、ホウ化物およびそれらのそれらのいくつかは高い硬度を有する複雑な化合物であり、これらの材料は開発されてコーティングツールに適用されることができ、コーティングツールの性能において新たな飛躍的進歩をもたらすであろう。

 

2. 低圧気相合成ダイヤモンド膜の応用

 

上述の硬質フィルム材料の中には、微小硬度HVが50GPaを超えることができる3種類のダイヤモンドフィルム、立方晶窒化ホウ素CBNおよび炭素窒化物がある。これらの少数の超高硬度フィルム材料は、コーティングの開発に非常に重要な用途を開いた。 1950年代半ば、米国のゼネラルモーターズ社は人工的にダイヤモンドを合成し、粒状および粉末状のダイヤモンドを入手しました。粒状ダイヤモンドを製造することは困難であるためです。機械工業で一般的に使用されている多結晶ダイヤモンドブレード(PCD)もまた、その単純な形状、チップブレーカー、合理的な形状パラメータのために性能が制限されています。1970年代初頭には、薄いダイヤモンド薄膜は低圧化学気相堆積(LCVD)によって合成された。 20年以上の技術的進歩の後、ダイヤモンドの低圧蒸着技術がついに大きな進歩を遂げ、ダイヤモンドの研究は世界的に話題になっています。

 

ダイヤモンドとグラファイトは同素体であり、ダイヤモンド結晶は立方晶系であり、グラファイトは六方晶系である。原子間の結合様式が異なるため、それらの性能は大きく変化する。熱力学的には、グラファイトはダイヤモンドよりも安定である。炭素の状態図における気相は、グラファイトが安定でダイヤモンドが準安定の領域で行われます。しかし、2つの相の化学ポテンシャルは非常に近いため、両方の相を形成することができます。ダイヤモンドの高圧気相合成はグラファイト相を抑制しダイヤモンド相成長を促進する。一般的な合成法は熱線法である。マイクロ波PCVD、電子サイクロトロン共鳴ecr-pcvd、dcおよびrf PCVDを含むプラズマ強化化学気相成長法(PECVD)方法; Dcおよび高周波アーク放電プラズマ法。反応プロセスにおけるエネルギー入力(rf電力、マイクロ波電力など)、活性化状態および最適化 反応ガスの比率、および堆積プロセスにおける核形成モードなどは、ダイヤモンド膜の形成において決定的な役割を果たす。基板材料の結晶定数および格子定数は、ダイヤモンド膜の核形成成長に大きな影響を及ぼす。 ダイヤモンド相とグラファイト相が同時に基板上で核形成すると、グラファイト相は急速に成長する。高濃度の原子状水素があると、成長中のグラファイト相を腐食させ、グラファイト相を除去する。 それはダイヤモンド相を腐食することができますが、それはグラファイト相の成長を抑制するために、はるかに遅くなります。ダイヤモンド膜の堆積のための多くの要件は600〜900℃の温度です。超硬切削工具

 

3. CBN薄膜技術はまだ画期的なものになる

 

合成ダイヤモンド膜と比較して、合成CBN膜は後期研究分野であるCBNは3つの異性体を持つ; CBN立方晶閃亜鉛鉱構造; H-bn六方晶グラファイト構造; W-bn六方晶ウルツ鉱構造。三つの異性体の性質は非常に異なる。 H-bnはグラファイトと非常によく似た構造と非常に柔らかい組織を持っています。w-bnとCBNでは、BとNの原子は互いに四配位構造を形成しなければなりません。 どちらも超硬材料です。高温高圧法で得られたCBNは、最高84.3GPaの微小硬度を持つ粒状結晶です。 CBNフィルムの最高微小硬度は61.8GPaで、その総合性能はダイヤモンドフィルムの性能を下回りません。CBNは硬度と熱伝導率の点でダイヤモンドに次ぐもので、優れた熱安定性を持っています。 1000℃以上の酸化物。CBNは鉄族金属に対して非常に安定した化学的性質を持っています。 それは鋼材の仕上げや研削に広く使用することができます。優れた耐摩耗性に加えて、CBNコーティングはかなり高い切削速度で耐熱鋼、チタン合金と硬化鋼を処理するために使用することができますCBNフィルムを合成する主な方法は、高硬度、炭素混合焼入れ材料および非常に厳しい工具摩耗を伴うsi-al合金のローラーです。CVDには、化学輸送PCVD、熱線支援加熱PCVD、ecr-cvdなどがあります。 PVDは、反応性イオンビームめっき、反応性蒸着およびレーザーアシストイオンビーム蒸着を含む。

 

CBNの合成技術は、反応機構と成膜プロセス、プラズマ診断と質量分析、最適なプロセス条件の決定、高効率機器の開発など、基礎研究と応用技術においてまだやるべきことがたくさんあります。 。

 

ダイヤモンドの硬度を超える可能性のある窒化炭素

 

1980年代後半に、アメリカの科学者IIUと共同研究者はp-c3n4、p-si3n4に似た新しい化合物を設計しました。 固体物理学と量子化学理論を用いてp ‐ c 3 n 4の体積弾性率、エネルギーバンドおよび特性定数を計算した。そして、窒化炭素の体積弾性率はダイヤモンドの数値範囲に達したことが分かった。体積弾性率に比例して、C3N4の硬度は世界中の科学者の注目を集めているダイヤモンドの硬度に達するかもしれません。1994年に、IIUは新しい研究結果E53を発表しました。 彼は、可変格子モデル分子動力学(vs-md)のab initio計算法を採用し、低エネルギーC 3 Nおよび固体の理論研究を拡張し、CおよびNが3つの構造を有することを指摘した。立方晶系の閃亜鉛鉱構造および三角晶系のグラファイト様構造。1996年、米国のJeter and Hemleyは依然として第一原理ab initio計算を使用したが、プロセスを変更した。共役勾配法は電子を最小化するために使用される。周期関数を用いて電子波を2つの平面波に拡張した。拡張標準保存と強度保存(ENHC)を用いた。5つの構造を持つC3N4が得られた。グラファイトのような相に加えて、他の4つはすべて超硬質材料です。Eの体積弾性率 - 立方晶シリコ亜鉛鉱石中のcc 3 n 4はダイヤモンドのそれよりも高い。そのため、窒化炭素はダイヤモンドの硬度を有することがある。

 

窒化炭素の合成の成功は分子工学の顕著な例である。超硬材料としての窒化炭素は他の多くの貴重な物理的および化学的性質を有すると期待される。窒化炭素の主な合成方法はdcおよびrf反応性スパッタリングである。日本の岡山大学で電子ビーム蒸着イオンビームアシスト蒸着により得られた窒化炭素膜は、現在、最高の窒化炭素の微小硬度に達した - 63.8 GPa.Chinaの清華大学も60.8GPaの高硬度窒化炭素を取得し、武漢大学の合成窒化炭素硬度は50.0GPa9に達し、HSSブレードドリルに堆積し、非常に良好な穿孔性能を得た。グラファイト相の析出を避けるためです。