Développement de nouveaux matériaux pour les revêtements durs des outils de coupe

Développement de nouveaux matériaux pour les revêtements durs des outils de coupe

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1. Développement de matériaux de revêtement durs multiples et composites

La technologie PVD, en raison de sa température de traitement contrôlée à moins de 500 ° C , peut être utilisée comme processus de traitement final, très appropriée pour le revêtement d’outils en acier à grande vitesse, améliore considérablement les performances de coupe d’un outil de coupe en acier à grande vitesse, de sorte que la technologie des années 1980 À la fin des années 1980, le taux de revêtement PVD des outils de coupe complexes HSS dans les pays industrialisés industrialisés dépassait 60% .Au début du XXIe siècle, le taux de revêtement PVD des outils de coupe HSS dans les pays industrialisés industrialisés atteignait 50% ~ 70 %, et le taux de revêtement PVD des fraises complexes HSS a atteint 90%. L’application réussie de la technologie PVD dans le domaine des outils en acier rapide a suscité un vif intérêt de la part de l’industrie manufacturière du monde entier. Le domaine d’application de la technologie PVD a été élargi (en particulier pour l’utilisation d’outils en carbure cémenté et en céramique), mais concourent au développement d’équipements de revêtement à haute performance et haute fiabilité. Les résultats montrent que, par rapport au procédé CVD, la température du procédé PVD est basse, moins de 600 n'a eu aucun effet sur la résistance à la flexion du matériau de l'outil de coupe.L'état de contrainte interne du film est une contrainte de compression, qui est plus appropriée pour le revêtement d'outils de coupe en carbure cémenté de précision et complexes.Aucun impact négatif sur l'environnement À la fin des années 90, la technologie PVD a été largement appliquée au traitement de revêtement de fraises en bout en carbure, de forets, de trous de forage, d’alésoirs, de tarauds, de fraises de fraisage et de fraises de formes spéciales, etc.

La société de conseil allemande Eurasia a analysé le marché du revêtement d’outils en Chine en 1999. Le marché des revêtements d’outils en Chine s’élevait à 75,12 millions de yuans en 1999.Selon les statistiques de l'annuaire du secteur des machines en Chine (le périmètre est membre de l'association des outils) Les outils en acier à coupe rapide en Chine représentaient la plus grande proportion, leur valeur de production représentait 85,9%, les ventes, 89,8% et la même année, l’outil de revêtement ne représentait que 3% à 4%. La société prévoit que l’outil chinois le marché des revêtements croîtra de plus de 20% par an, et celui des revêtements d’outils PVD, et encore plus, et on prévoit que le marché chinois des revêtements d’outils atteindra 247,69 millions de yuans d’ici 2005.Parce que le marché chinois de la transformation des outils est très important, le développement de la technologie de revêtement d’outils revêt donc une grande importance.Bien que la technologie de revêtement d’outil nationale actuelle et le niveau international avancé par rapport au grand La technologie n’est pas mature, mais l’énorme marché des applications et les exigences de plus en plus pressantes du pays en matière d’innovation, la technologie de fabrication verte, a favorisé le développement novateur de la technologie nationale de revêtement d’outils.

Surface de l'outil de coupe du film dur sur les exigences matérielles: 1, haute dureté, bonne résistance à l'usure; 2. Propriétés chimiques stables, pas de réaction chimique avec les matériaux de la pièce; 3, résistance à la chaleur et à l'oxydation, faible coefficient de frottement et ferme adhérence de la matrice. Il est difficile pour un seul matériau de revêtement de satisfaire à toutes les exigences techniques ci-dessus. Le développement des matériaux de revêtement, qui provient du revêtement TiN unique à l'origine, le revêtement TiC Al, est passé par le revêtement composite TiC Al, 03-étain et par le stade de développement de revêtement TiCN, TiAlN et autres, maintenant le dernier développement de TiN / NBN, TiN / CN et d’autres matériaux multicouches composites, les performances du revêtement de l’outil ont été grandement améliorées.

Le TiN est le matériau de revêtement dur le plus mature et le plus utilisé. À l’heure actuelle, le taux d’utilisation des outils de coupe HSS revêtus de TiN dans les pays industrialisés industrialisés représente 50% à 70% des outils de coupe HSS, et le taux d’utilisation de certains outils de coupe complexes non reconstituables a dépassé les 90%. En raison des hautes exigences techniques des outils de coupe modernes, le revêtement TIN a progressivement échoué à s'adapter.La résistance à l'oxydation du revêtement TiN est plus faible lorsque la température d'utilisation est de 500 ° C ; le film a manifestement été oxydé et ablaté. la dureté ne pourrait pas répondre aux besoins.TiC a une microdureté plus élevée, de sorte que la résistance à l'usure de ce matériau est meilleure.En même temps, il adhère fermement au substrat. Dans la préparation d'un revêtement multicouche résistant à l'usure, du TiC est souvent utilisé comme film sous-jacent en contact avec le substrat. C'est un matériau de revêtement très courant dans l'outil de revêtement.Le développement de TiCN et de TiAlN a encore amélioré les performances des couteaux revêtus.Le TiCN peut réduire la contrainte interne du revêtement, améliorer la ténacité du revêtement, augmenter l'épaisseur du revêtement, Empêcher la diffusion de fissures et réduire la casse de la lame.TiCN est défini comme la couche d'usure principale de l'outil revêtu, ce qui peut améliorer considérablement la durée de vie de l'outil.TiAlN a une bonne stabilité chimique et une abrasion anti-oxydation. Lors du traitement des aciers fortement alliés, des aciers inoxydables, des alliages de titane et des alliages de nickel, la durée de vie de la fraise à revêtement étamé peut être augmentée de 3 à 4 fois.Si le niveau de concentration en Al du revêtement TiAlN est élevé Al2O3 sera généré à la surface du revêtement pendant la découpe, formant un film protecteur inerte et dur. L'outil revêtu peut être utilisé plus efficacement dans la coupe à grande vitesse.Le nitrure de titane TiCNO dopé à l'oxygène possède une microdureté et une stabilité chimique très élevées, ce qui permet d'obtenir un revêtement composite équivalent à TIC + AL2O3.Certains nitrures, carbures, borures et métaux des des composés complexes, dont certains ont une dureté élevée, ces matériaux pouvant être développés et appliqués aux outils de revêtement, apporteront une nouvelle percée dans les performances des outils de revêtement.

2. Application d'un film de diamant de synthèse en phase gazeuse basse pression

Parmi les matériaux en film dur mentionnés ci-dessus, il existe trois types de film en diamant, le nitrure de bore cubique CBN et le nitrure de carbone dont la microdureté HV peut dépasser 50 GPa. Ces quelques matériaux en film de dureté ultra élevée ont ouvert une utilisation très importante pour le développement de revêtements enduits. outil dur de coupe film dur, parce que le diamant naturel rare et coûteux est loin de répondre aux besoins de l’industrie moderne.Au milieu des années 1950, la société de moteurs générale des États-Unis synthétisait artificiellement le diamant, et obtenait le diamant granuleux et en poudre.Parce le diamant granuleux est difficile à être usiné, il est difficile de l'appliquer à la surface de l'outil.Les lames de diamant polycristallin (PCD) couramment utilisées dans l'industrie mécanique ont également des performances limitées en raison de leur géométrie simple, de l'absence de broyeur de copeaux et de paramètres géométriques raisonnables.Au début des années 1970, Les films ont été synthétisés par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LCVD). Après plus de 20 ans de percées technologiques, la technologie de dépôt en phase vapeur à basse pression de diamant a finalement fait une percée majeure et la recherche sur les diamants est devenue un sujet brûlant dans le monde entier.

Le diamant et le graphite sont allotropes, le cristal de diamant est un système cristallin cubique et le graphite est un système cristallin hexagonal.En raison des différents modes de liaison entre atomes, leurs performances varient grandement.Thermodynamiquement, le graphite est plus stable que le diamant.La croissance du diamant à basse pression la phase gazeuse, dans le diagramme de phase du carbone, est réalisée dans la région où le graphite est stable et le diamant métastable.Cependant, les potentiels chimiques des deux phases étant si proches, les deux phases peuvent être formées.La technologie clé la synthèse en phase gazeuse sous pression de diamant inhibe la phase de graphite et favorise la croissance de la phase de diamant.La méthode de synthèse la plus courante est la méthode du fil chaud. Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), y compris les micro-ondes PCVD, la résonance cyclotron électronique ecr-pcvd, dc et rf PCVD méthodes; méthode du plasma avec décharge en arc et haute fréquence.L’entrée d’énergie dans le processus de réaction (telle que l’énergie RF, l’énergie hyperfréquence, etc.), l’état Le rapport des gaz de réaction et le mode de nucléation dans le processus de dépôt, etc., jouent un rôle déterminant dans la formation du film de diamant. Les constantes cristallines et en réseau des matériaux de substrat ont une grande influence sur la croissance de nucléation du film de diamant. Lorsque la phase diamant et la phase graphite sont nucléées en même temps sur le substrat, la phase graphite croît rapidement. S'il y a une concentration élevée d'hydrogène atomique, il corrodera la phase graphite en croissance et éliminera la phase graphite. Bien qu’elle puisse corroder la phase diamantée, elle est beaucoup plus lente, afin d’empêcher la croissance de la phase graphite.Beaucoup d’exigences pour le dépôt de la température du film de diamant 600 ~ 900, de sorte que la technologie utilisée pour déposer le film de diamant sur la surface de ciment outils de coupe en carbure.

3. La technologie des couches minces CBN doit encore faire son chemin

Comparé au film de diamant synthétique, le film CBN synthétique est un domaine de recherche avancé.Le CBN a trois isomères: une structure en sphalérite cubique en CBN, une structure en graphite hexagonal H-bn et une structure en wurtzite hexagonale W-bn.Les propriétés des trois isomères sont très différentes. H-bn a une structure très similaire au graphite et une texture très douce.Dans w-bn et CBN, les atomes B et N doivent former une structure de coordination quadruples. Ils sont tous les deux des matériaux extra-durs. Le CBN obtenu par le procédé à haute température et à haute pression est un cristal granulaire avec la microdureté la plus élevée jusqu’à 84.3GPa. La microdureté la plus élevée du film CBN est de 61,8 GPa, et ses performances complètes ne sont pas inférieures à celles d'un film de diamant.Le CBN est le second en termes de dureté et de conductivité thermique du diamant et possède une excellente stabilité thermique. CBN possède des propriétés chimiques extrêmement stables pour les métaux du groupe du fer, ce qui diffère du diamant qui ne convient pas au traitement de l'acier. Il peut être largement utilisé pour la finition et le meulage des produits en acier.En plus d’une excellente résistance à l’usure, le revêtement CBN peut être utilisé pour traiter les aciers résistant à la chaleur, les alliages de titane et les aciers trempés à une vitesse de coupe assez élevée et peut être utilisé pour les découpages durs. des rouleaux avec une dureté élevée, des matériaux de trempe à mélange de carbone et un alliage similaire avec une usure très sévère des outils.Les méthodes CVD et PVD sont les méthodes principales de synthèse de films CBN.CVD comprend le transport chimique PCVD, le chauffage assisté par fil chaud PCVD, ecr-cvd, etc. Le PVD comprend le placage par faisceau ionique réactif, l'évaporation réactive et le dépôt de faisceau ionique assisté par laser.

La technologie de synthèse du CBN a encore beaucoup à faire en recherche fondamentale et en applications, notamment le mécanisme de réaction et le processus de formation du film, le diagnostic par plasma et l'analyse par spectrométrie de masse, la détermination des meilleures conditions de traitement, le développement d'équipements à haute efficacité, etc. .

4. Nitrure de carbone pouvant dépasser la dureté du diamant

À la fin des années 1980, les scientifiques américains IIU et Co-hen ont conçu p-c3n4, un nouveau composé similaire au p-si3n4. Le module de masse, la bande d’énergie et les constantes de caractère de p-c3n4 ont été calculés à l’aide de la physique de l’état solide et de la théorie de la chimie quantique, et il a été constaté que le module de masse du nitrure de carbone atteignait la plage numérique du diamant.La dureté du matériau étant proportionnelle au module de volume, la dureté du C3N4 peut atteindre celle du diamant, ce qui a attiré l'attention des scientifiques du monde entier.En 1994, IIU a publié le nouveau résultat de recherche E53. Il a adopté la méthode de calcul ab initio de la dynamique moléculaire de modèle de réseau variable (vs-md), élargi la recherche théorique sur les solides C3N et solides, et a souligné que C et N pouvaient avoir trois structures: la phase P du système cristallin hexagonal, structure de sphalérite du système cristallin cubique et structure semblable à celle du graphite du système cristallin triangulaire.En 1996, aux États-Unis, Jeter et Hemley utilisaient encore les calculs ab initio de base, mais changeaient le processus.La méthode du gradient conjugué est utilisée degrés de liberté dans les conditions initiales.La fonction périodique est utilisée pour étendre l’onde électronique en deux ondes planes.La conservation standard étendue et la conservation de la résistance (ENHC) ont été utilisées.C3N4 à cinq structures est obtenu, lequel est à phase n, p- phase, structure cubique à cubophase, structure cubophase silicozinc E et phase graphitique.En plus de la phase graphite, les quatre autres sont tous des matériaux extra-durs.Le module de volume de E - cc 3 n 4 en silicozinc en phase cubique est plus élevé que celui du diamant.Par conséquent, le nitrure de carbone peut avoir la dureté du diamant.

Le succès de la synthèse du nitrure de carbone est un exemple remarquable d'ingénierie moléculaire.Le nitrure de carbone, en tant que matériau extra-dur, devrait avoir de nombreuses autres propriétés physiques et chimiques utiles.Les principales méthodes de synthèse du nitrure de carbone sont la pulvérisation réactive à réaction continue et à haute fréquence.Évaporation au laser et la méthode de dépôt assisté par faisceau ionique, la méthode ECR-CVD, la méthode de dépôt par double faisceau ionique, etc. Le film de nitrure de carbone obtenu par dépôt assisté par faisceau ionique par évaporation à faisceau électronique à la okayama university au Japon a atteint la microdureté la plus élevée du nitrure de carbone - 63.8 L'université de tsinghua de GPa.China a également obtenu 60,8 GPa de nitrure de carbone de haute dureté et la dureté de nitrure de carbone synthétique de l'université wuhan a atteint 50,0 GPa9, et s'est déposée sur le foret tressé HSS, et a obtenu de très bonnes performances de forage. est d'éviter la précipitation de la phase de graphite.