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基体表面脱β层厚度与涂层合 图6.4-26 基体表面脱 层厚度与涂层合 金抗弯强度的关系
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脱β层基体涂层硬质合金的应用效果
由图6.4-21可见，脱β层厚度较小时，涂层合金 的耐冲击性能并未得到明显改善，而当厚度大 约达到10µm时，耐冲击性能开始改善，刀具的 崩刃率也大为减小。这一结果与涂层合金抗弯 强度与脱β层厚度的关系有明显的不同 这种差别与脱β层的涂层合金的变形性能得到 改善而密切相关。在冲击载荷的作用下，脱β 层的涂层合金的塑性变形量与脱β层的厚度关 系如图6.4-22所示。基体脱β层的厚度越大， 刀具越能缓和冲击。
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概述
顾名思义，物理气相沉积就是用物理方 法将所需材料蒸发并沉积在基体表面上 形成涂层的工艺。 根据不同的固体材料的原子结构，工艺 技术可被划分为两类： 一类以蒸发为基础（气相沉积）； 一类则采用阴极溅射（阴极溅镀）。 图6.4-31是这些主要工艺技术的分类图。
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1.4.2氧化铝基涂层
随着切削速度的不断提高，切削刃会出现很高 的温度。因此影响刀片磨损的常规材料性能发 生了重大改变。在三个涂层材料中――碳化钛、 氮化钛和氧化铝，在1000℃下氧化铝的优点： 最高的硬度 最低的导热率， 最小的切削刃塑性变形的危险 最高的化学稳定性 焊接到铁基材料的趋势以及摩擦系数也很低
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1.4.3铣削用涂层 铣削用涂层
用于铣削的可转位刀片要求具有韧性高、 对裂纹不敏感和刃口涂层不易剥落的特 点。涂层总厚度必须限制在3－5μm之间。 图6.4-14展示了两个铣削用的CVD涂层， 两者都具有细晶粒基体结构。 图6.4-15证明了图6.4-14中的复合陶瓷涂 层切削性能的提高程度。
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1.5贝内克斯涂层简介 贝内克斯涂层简介
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2,物理气相沉积涂层 （PVD) 物理气相沉积涂层
2.1概述 2.2PVD气相沉积工艺 2.3涂层的形成 2.4电弧蒸发沉积 2.5阴极溅射 2.6PVD涂层硬质合金的应用
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2.1概述
工具行业在成功地应用CVD涂层的同时又开发 出了一种很有价值的涂层工艺，即PVD涂层工 艺。为了寻找降低CVD涂层工艺的高温，人们 做了大量的研究工作。其中中温CVD 涂层技术 有着特殊的意义。 但是，低温沉积硬质材料步子迈得最大的还数 PVD技术和最近的等离子体CVD工艺。两种工 艺都能在500℃左右沉积涂层，这样，含有对 温度敏感的高速钢的硬质合金工具也可以涂层 了。
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氧化铝涂层技术
通常采用基体表面进行预处理或在沉积氧化铝 之前在硬质合金表面上先涂一层碳化物或碳氮 化物的办法来克服这些问题。 应用最新的技术有可能沉积厚氧化铝涂层，但 晶粒结构稍粗。 这一独特的CVD陶瓷涂层给人们带来了复合涂 层的概念，即在陶瓷涂层和薄薄的氮化钛涂层 之间反复交替。
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表6.4-1 各种硬质涂层材料及其硬度
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涂层硬质合金的优点
a．具有较高的室温和高温硬度，从而可提高工 具的耐磨性，减少硬质合金消耗； b．具有很好的抗氧化、抗月牙洼磨损性能，从 而可用于高速切削加工，提高加工效率； c．具有较小的摩擦系数，从而可降低切削力， 减小功率消耗，节约能源； d．被加工工件具有较高的表面光洁度； e．具有良好的通用性，从而可精简硬质合金的 牌号。
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图6.4-21 WC-20%β-Co和WC-10－ 和 － 40%β（N）-Co合金的表层结构 （ ） 合金的表层结构
高碳合金，钴含 量为16.4vol％， β相为30：70 β （N)中的N含量 为4％
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图6.4-25 基体表面有、无脱β层涂层态试样 基体表面有、无脱 层 上的裂纹
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图6.4-36 电弧蒸发涂层设备的原理图
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图6.4-37 电弧蒸发涂层设备中阴极辉点的 轨迹
左：不受控电弧
右：受控电弧
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图6.4-38 电弧蒸发PVD涂层设备外貌 电弧蒸发 涂层设备外貌
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2.5阴极溅射 阴极溅射
直接溅射法： 该法实际上可以将所有的材料用作阴极。 阴极材料溅射到基体上时不会发生任何 形式的分解，如由熔点相差很大的金属 炼成的合金（如TiAl、Al2O3）。该法涂 层速度可达3µm/h。借助于额外的氩气 （压力约为10-2mbar）和采用相应的靶材， 该法就能直接溅射硬质材料。
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铣削用CVD涂层 图6.4-14 铣削用 涂层
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1.4.5中温 中温CVD涂层 的特点 涂层 中温
中温CVD 涂层的温度比较低，减少了涂层与基体之 间的相互作用，防止了基体的脱碳。 中温CVD涂层的速度比较高。与普通CVD涂层相比， 中温CVD 涂层 的速度要高两倍。 基体上的热负荷较低,从而降低由于涂层和基体的热 失配而产生的界面应力。 中温CVD 涂层可保证较好的制品尺寸稳定性。 中温CVD 涂层比较厚，最大可达30微米，大大提高 了刀片的耐磨性和连续使用寿命。
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1.4.6脱 层基体涂层硬质合金的结构、 1.4.6脱β层基体涂层硬质合金的结构、 性能
脱β层基体的CVD涂层采用标准的涂层方法进 行。试验采用WC-9%β(N)-5.6%Co合金为基体， 在1000℃下沉积TiC涂层，涂层厚度控制在7µm 左右。试验表明： a.涂层与基体之间均产生η－相，而且无论脱β层 的厚度如何，η－相层均很薄。 b.同时脱β层内的钴含量均高于合金内部的钴含量， 其量大约为合金内部钴含量的1.4倍，而与脱β 层的厚度无关。
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2.5阴极溅射 阴极溅射
反应溅射法： 用硬质化合物的金属组元作靶材，如Ti，然后 将反应气体通人溅射气体（如Ar+N2）中。因 为溅射出来的原子比气化出来的处于一种更激 活的状态，所以即使在较低的温度下该法也能 获得良好的粘结。 直到磁控阴极溅射技术（通过磁场作用电子被 迫在圆形轨道上运行，从而离子化程度提高） 开发出来后，涂层速度才有了明显的提高（3 －10µm/h）。
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图6.4-7 1969年Widia公司推出的涂层 年 公司推出的涂层 刀片
超硬TiC涂层，4-8厚 涂层， 厚 超硬 涂层 硬质合金基体 耐 磨 性 Widia的TiC涂层刀片 的 涂层刀片
普通刀片 韧性
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1. 4.1碳化钛和氮化钛涂层 碳化钛和氮化钛涂层
碳化钛涂层的意义不仅在于它被用来探 索硬质材料涂层中的许多难题，而且在 于它常被用作复合涂层的组成部分。 涂层的抗磨损性能首先用月牙洼的深度 和后面磨损的宽度来评估。这些特性值 通过在一定条件下对选定的工件材料进 行车削而获得（图6.4-9）。
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图 6.4-9 切削试验示意图
KT=月牙洼深度
排屑面
VB=后面磨损高度 a=切削深度
涂层
刀片基体 后面 工件材料
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1.4.1碳化钛和氮化钛涂层 碳化钛和氮化钛涂层
对分别涂有TiC和TiN涂层的可转位刀片 进行切削能力的对比发现：TiC具有较好 的抗后面磨损性能，而TiN在降低月牙洼 磨损方面则显得特别有效。采用TiC和 TiN的双层涂层就可将这两个优点结合在 一起。此类型涂层的进一步的开发是对 TiC和TiN涂层之间的过渡层进行了改进， 即过渡层为一层具有明显碳和氮成分梯 度的Ti(C,N)层
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图6.4-39 阴极溅射装置的原理图
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2.6PVD涂层硬质合金的应用 涂层硬质合金的应用
图6.4-34 CVD和PVD涂层刀片铣削性能 对比 图6.4-35 CVD和PVD的TiN涂层刀片加工 不同材料时的性能对比 图6.4-36 PCVD和PVD涂层刀片的使用寿 命对比
硬质合金的涂层技术
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概述
硬质合金的表面强化处理技术有很多种，但其 中应用的最成功、最广泛的是CVD和PVD涂层 技术。 硬质合金的涂层技术是六十年代后期发展起来 的一项先进技术，是硬质合金领域中具有划时 代意义的重要技术突破。它的出现为解决硬质 合金耐磨性和韧性相互矛盾的问题提供了一条 极为有效的途径。
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氧化铝涂层技术
通过对CVD技术的进一步的开发，现在已有可 能生产较厚的氧化铝涂层。 图6.4-13展示了两款现代陶瓷涂层。图的上半 部是一个分别由TiC、Ti(C,N)、TiN和Al-O-N 的11个独立的涂层复合而成的。细晶粒Al-ON(氧氮化铝)涂层结构是通过沉积每一薄涂层 而获得的。 图6.4-13的是一个下半部由TiN、TI(C,N)和上 半部由厚Al2O3涂层构成的涂层。
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脱β层基体涂层硬质合金的结构、性能 层基体涂层硬质合金的结构、
CVD涂层硬质合金的断裂是在涂层内的裂纹以 及在承受载荷时产生的裂纹在向基体内扩展的 瞬间发生的。根据公式6.4.7分析如下： 在有脱β层的情况下，式（6.4.7）中的σo和ρ均 比无脱β层的情况下大一些，因此，由于脱β层 的存在，σm自然会提高，从而可有效地阻止裂 纹的扩展。当脱β层超过一定值后，σm 则保持 不变。这说明涂层中的裂纹在向基体表面的脱 β层中扩展时受到有效的抑止。
201β层的厚度 图6.4-27 断续车削时基体表面脱 层的厚度 对涂层硬质合金刀片崩刃的影响
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