降低刀具切削過程中的磨損，顯著提高刀具的使用壽命勋陪，因此被廣泛地應(yīng)用于刀具涂層堕花。

    隨著各類高效、高速枚从、高精度數(shù)控機床及加工中心的應(yīng)用稳荒、普及以及綠色制造理念的提出，為了滿足各種高硬度榛狮、高韌性的難切削加工材料的加工需要很防，干切削技術(shù)越來越受到人們重視，同時也對刀具涂層技術(shù)及涂層材料提出了更高要求嫡靠。納米薄膜順應(yīng)了干切削條件下對刀具的新要求志凿，因此納米薄膜及其在干切削刀具中的應(yīng)用成為目前刀具涂層制備及表面工程技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

納米薄膜技術(shù)的研究及發(fā)展

    隨著納米材料的出現(xiàn)杂飘，納米薄膜(涂層)技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展疏形。時至今日，已從單一材料的納米薄膜轉(zhuǎn)向納米復(fù)合薄膜的研究触咧，薄膜的厚度也由數(shù)微米發(fā)展到數(shù)納米的超薄膜衩凤。目前已經(jīng)制備的薄膜有Ti(N，C坡牛，CN)掸绞、(V，Al耕捞，Nb)N衔掸、Al2O3、SiC及Cu俺抽、Ni敞映、Al较曼、Ag、Au振愿、金剛石等诗芜。其中TiN、Al2O3埃疫、TiC是較典型的超硬膜，其顯微硬度分別為HV1950孩哑、HV3000和HV3200栓霜，抗磨順序是TiC>TiCN>TiN>Al2O3。這些薄膜在刀具横蜒、微機械胳蛮、微電子領(lǐng)域作為耐磨、耐腐蝕涂層及其它功能涂層獲得重要應(yīng)用候铸。自VeprekS等提出超硬納米復(fù)合膜的概念以來迄岸，對納米復(fù)合膜的研究更是引起廣泛的重視。超硬納米復(fù)合膜具有表面減摩眨额、耐磨作用苗泰，可以改善摩擦副的運動可靠性和壽命，達到與高合金材料相同甚至更佳的使用效果笋再，實現(xiàn)節(jié)能莲轮、節(jié)材及提高效率的目的。納米復(fù)合膜是由兩種不同材料組成缤贯，這兩種材料可以是納米晶/納米晶既帜，也可以是納米晶/非晶態(tài)，每種材料的粒子尺寸在3～10nm瑰柄。在復(fù)合薄膜制備方法中制私，等離子化學(xué)氣相沉積(PACVD)最早應(yīng)用于制備nc-TiN/Si3N4、nc-TiN-BN和nc-TiAlSiN薄膜蚣碰。

    如VeprekS和ShizhiL等人采用PACVD方法揖膜，以SiCl4、SiH梅桩、TiCl4次氨、H2為反應(yīng)氣體，在550～600℃的沉積溫度下制備了nc-TiN/α-Si3N4薄膜摘投。但制備過程中反應(yīng)氣會腐蝕膜和設(shè)備煮寡，有造成環(huán)境污染甚至火災(zāi)的危險。一般來說犀呼，CVD沉積技術(shù)需要溫度達500～600℃以促使納米晶粒的生長幸撕，而過高的沉積溫度會造成基材軟化薇组、尺寸精度下降等問題，因此嚴(yán)重限制了納米復(fù)合膜的應(yīng)用坐儿。研究表明律胀，制備納米復(fù)合膜的關(guān)鍵在于快速形成晶核的同時保證晶粒尺寸的低速增長。因此為保證覆膜后的整體性能不至下降貌矿，降低沉積溫度便成為其技術(shù)關(guān)鍵炭菌。

    目前的實驗表明，磁控濺射技術(shù)是低溫沉積最有效的方法逛漫。所以位满，目前的研究主要集中在用磁控濺射法制備納米復(fù)合膜。如反應(yīng)磁控濺射沉積廣泛應(yīng)用于制備MeC/DLC(類金剛石碳膜)土霞，Me為過渡金屬如Ti等些脐。采用這種技術(shù)，其沉積溫度可低于150℃每访。KarvánkováP等人應(yīng)用不平衡磁控濺射技術(shù)制備ZrN-Ni和CrN-Ni納米復(fù)合膜盘肺，基體溫度分別為300℃和200℃；通過制備試驗還發(fā)現(xiàn)康蚯，當(dāng)基體溫度高于400℃時灾纱，合成膜的硬度會降低。由此可見沉積溫度對納米復(fù)合膜的硬度影響甚大侦纳。

    MusilJ用直徑100mm平面球形不平衡磁控管肌蝶，在總壓0.5Pa的Ar和Ar+N2混合氣體中對TiAl合金靶進行濺射，N2分壓連續(xù)變化導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)和顯微硬度明顯變化狂篇，獲得的nc-TiAlN/AlN納米復(fù)合膜顯微硬度高達47GPa毙琴，且具有高的彈性回復(fù)(74%)。

    同時岗屏，多種技術(shù)的復(fù)合在納米復(fù)合薄膜制備中也體現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢(如磁控濺射法與脈沖激光技術(shù)的結(jié)合)辆琅。VoevodinAA等人采用脈沖激光沉積技術(shù)(PLD)和磁控濺射技術(shù)相結(jié)合分別制備了TiC/DLC、WC/DLC/WS2納米復(fù)合膜这刷。由于采用這種復(fù)合技術(shù)使得沉積時的基體溫度低于100℃婉烟，因而該法成為制備W-C-S系列納米復(fù)合膜的主要方法。MengWJ等人采用射頻耦合輔助(ICP)PVD/CVD技術(shù)與反應(yīng)磁控濺射技術(shù)相結(jié)合制備Ti/α-C:H納米復(fù)合膜也取得良好效果暇屋。

    由于PVD似袁、CVD等方法工藝復(fù)雜，成本昂貴咐刨，不宜用于大面積制備納米復(fù)合薄膜昙衅，因此近十多年來，國外對電沉積法制備納米晶體材料進行了較多研究定鸟，國內(nèi)近幾年也開始了這方面的研究而涉。電沉積法因設(shè)備簡單著瓶、工藝成熟、低溫且參數(shù)可控等突出優(yōu)點而逐漸受到重視啼县。電沉積方法經(jīng)歷了直流材原、脈沖及選擇性噴射電沉積的發(fā)展，目前已能制備出各種厚度的薄膜献凫。已研究的電沉積納米材料有鎳猎递、銅、鈷等攘宗，其中鎳及鎳基合金的復(fù)合沉積是最受關(guān)注的乡试，已沉積的材料有Ni-P、Ni-Fe社芳、Ni-Cu、Ni-Mo旧毯、Ni-SiC肢构、Ni-Al2O3、Ni-ZrO2等战钾。在基體上電沉積薄金屬層(厚度100μm以下)以改善表面性能是電沉積技術(shù)最廣泛的應(yīng)用踪钞。電沉積的納米結(jié)構(gòu)薄層，具有高耐磨辖嫁、耐蝕性的同時泼司，又具有高的硬度及與基體極好的結(jié)合力，可作為理想的保護性鍍層暖眼；所具有的低磨損率和較低的摩擦系數(shù)惕耕，可用于要求高耐磨性的同時又要求低摩擦系數(shù)的場合，如刀具材料诫肠、汽車發(fā)動機和液壓活塞的表面涂層等司澎。

    有報道表明，近年來許多研究者用溶膠-凝膠法制備了納米薄膜栋豫。由于溶膠的先驅(qū)體可以提純且其溶膠-凝膠過程在常溫下可液相成膜挤安，所用的設(shè)備簡單，操作方便丧鸯，具有化學(xué)計量比易控蛤铜、成份均勻、成膜面積大等優(yōu)點而被廣泛用于薄膜制備丛肢。目前已采用該法制備的納米復(fù)合薄膜主要有Co(Fe围肥，Ni，Mn)/SiO2蜂怎，CdS(ZnS虐先，PbS)/SiO2等怨愤。陳元春等就溶膠-凝膠法制備氧化鋁涂層硬質(zhì)合金刀具進行了研究，可獲得單層凝膠膜的厚度在幾百納米以內(nèi)徘涤。試驗結(jié)果說明在干切削狀態(tài)下溶膠-凝膠法制得的涂層刀具壽命比未涂層刀具提高一倍左右乒稚。

納米薄膜在干式切削刀具中的應(yīng)用

    涂層技術(shù)的發(fā)展是干式切削加工得以推廣應(yīng)用的重要條件之一。在干式切削過程中想受，具有納米薄膜的刀具涂層可起到明顯作用：①在刀具與被切削材料之間形成隔離層咐笙；②通過抑制從切削區(qū)到刀片的熱傳導(dǎo)來降低熱沖擊；③減少摩擦力及摩擦熱谱累。刀具通過涂層處理昨把，可實現(xiàn)固體潤滑，減少摩擦和粘結(jié)谒电，使刀具吸收熱量減少臼格，可承受更高的切削溫度。

    目前冗呀，采用封閉場非平衡磁控濺射(CFUMS)技術(shù)瘦涵，可在硬質(zhì)合金刀具和HSS鉆頭上涂覆上B4C/W多層納米涂層。涂層總層數(shù)100層钠锉，每層由厚度為13埃的B4C涂層材料及18埃的W涂層材料組成雪隧。在105m/min的切削速度下，分別用B4C/W多層納米涂層刀具與未涂層刀具员舵、普通單涂層(TiAlN)刀具脑沿、三涂層(TiC/TiCN/TiN及TiC/Al2O3/TiN)刀具對中碳鋼進行了干切削對比試驗。試驗結(jié)果表明马僻，納米涂層刀具的后刀面磨損量比未涂層刀具和常用的TiC/Al2O3/TiN三涂層刀具大大減小庄拇。此外，隨著切削時間的延長韭邓，納米涂層刀具的切削力與未涂層刀具丛忆、TiC/TiCN/TiN三涂層刀具和TiAlN涂層刀具相比也顯著減小。試驗進一步說明了采用封閉場非平衡磁控濺射技術(shù)生產(chǎn)的刀具涂層具有重復(fù)性好仍秤、涂層與基體粘結(jié)強度更高熄诡、摩擦系數(shù)小等特點，因而在干切削中具有更長的使用壽命诗力。

    層狀結(jié)晶的二硫化鉬具有較小的摩擦系數(shù)凰浮，是常用的固體潤滑劑。將MoS2與耐熱金屬Mo組合成復(fù)合涂層MoS2/Mo苇本，具有優(yōu)異的減摩耐熱的效果渡铲。研究者采用MoS2/Mo雙材料涂層結(jié)構(gòu)在HSS鉆頭表面制備了層厚80埃、總厚度為3.2μm(共400層)的納米涂層。用該涂層鉆頭與未涂層HSS鉆頭進行了TI6Al4V合金工件干切削對比試驗楞澳。試驗用鉆頭直徑為φ9.5mm访跛，名義鉆削速度2200rpm。試驗結(jié)果表明堡扳，未涂層鉆頭鉆進時秩漾，由于鉆削力急劇增大，導(dǎo)致鉆頭卡入工件中侄脂；測得多層納米涂層鉆頭鉆進時的鉆削力減小約33%冯峭，在相同的鉆削時間內(nèi)能保證正常鉆削，鉆削性能顯著優(yōu)于未涂層鉆頭烫毡。說明采用MoS2/Mo雙材料涂層結(jié)構(gòu)的納米涂層刀具是適用于干切削的理想刀具谁汤。

    此外，刀具表面涂覆納米(Ti50Al45Si5)N弄萨、(Ti50Al45Si5)N+(Ti80Al15Si5)N和Ti-B-N四種納米復(fù)合涂層后殉俗，對ASTM1043標(biāo)準(zhǔn)鋼工件進行的切削試驗(切削速度為150～310m/min，切深為2mm瓣颅，進給量為0.219mm/rev)也表明這幾種納米復(fù)合涂層在高速切削測試中具有極其優(yōu)異的耐磨性倦逐，可用作干切削刀具的涂層材料。

展望

    目前薄膜技術(shù)發(fā)展迅速弄捕，所制備的薄膜越來越薄僻孝，晶粒尺寸1納米的薄膜是制備納米超薄膜的研究目標(biāo)导帝；由于單一涂層材料難以滿足提高刀具綜合機械性能的要求守谓，因此為滿足干式切削加工對涂層的要求，出現(xiàn)了多樣化的制備工藝您单，且朝著多種技術(shù)的復(fù)合斋荞、化學(xué)組分的多組元化等方向發(fā)展；涂層工藝溫度將越來越低虐秦，刀具涂層工藝將向更合理的方向發(fā)展平酿。無疑，這些薄膜新技術(shù)的研究和開發(fā)悦陋，在刀具涂層制備中具有極為廣泛的應(yīng)用前景蜈彼，但PVD、MTCVD工藝仍為刀具涂層制備的主流技術(shù)俺驶。

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