利用纳米技术开发新型刀具涂层

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1、利用纳米技术开发新型刀具涂层利用纳米技术开发新型刀具涂层很长一段时间以来r纳米技术''在许多行业一直是一个时髦词汇•但是，在刀具涂层材料领域，纳米技术又意味着什么呢?纳米结构刀具涂层的发展近况如何呢？定义纳米尺度可能是一个不错的出发点•被普遍接受的纳米尺度定义是指100纳米（或更小）的尺寸数量级（1纳米是1米的十亿分之）・然而，对于刀具涂层而言，问题并非如此简单•尽管纳米涂层材料的特征尺寸的确符合lOOnm或更小的尺度，但人们正在利用新的涂层工艺利涂层材料为许多困难的加工生产切削刀具，在某些情况下，这些涂层刀具在使用寿

2、命和加工性能上可能远远优于传统刀具.NanoMech公司的创始人兼首席技术官AiayMalshe博士认为，利用纳米技术来开发刀具涂层，需耍具备一种与基于化学合成的观念完全不同的思维方式,在上个世纪或更长一段时间里，材料科学的发展主要是由化学合成技术推动.Malshe博士表示，”我们基本上是以与利用化学方法相反的方式利用尺寸效应•关于材料特性的传统思维并不适用于纳米尺度•例如，对于刀具涂层而言,它可能意味着比传统材料硬度更高，强度更好的新材料，或者可能意味着在涂层上产生新的表面结构,使其可以在加工时充当一种微型断屑器；C

3、BN涂层的新进展作为NanoMech公司的子公司，Duralor公司已经开发出了在刀具表面沉积CBN复合涂层的纳米技术涂层工艺,并正在对其进行商业化应用（参见本刊2009年第1期“CBN涂层有望实现商品化，，一文）.2008年时，这种CBN纳米复合涂层还处于初期开发阶段，在随后这两年时间里,Duralor公司专注于CBN涂层刀具的加工应用，并与选定的用户据Duralor公司总裁BobReed介绍,大约有十几家合作，对CBN涂层刀具进行商品化.Reed表示，叩前，我们重点关注用CBN涂层刀具加工硬度达2HRC54的淬硬钢

4、•用该涂层加工预硬钢和粉末冶金材料的效果也非常不^."Duralor公司目前主要研究CBN涂层的连续车削加工，不过，今后几个月，该公司期望在用CBN涂层刀片和圆刀具进行断续切削的开发上取得进展.Duralor公司与阿肯色大学的研究人员共同开发的Tufftek〜艺包括两个步骤:首先，在硬质合金基体上静电沉积CBN亚微米粒子;然后，利用化学气相沉积法（CVD）,使TiN,TiCN,TiC或其他传统刀具涂层材料渗入CBN粒子•该技术能够沉积相对较厚（100m以上）的涂层，但更典型的涂层厚度为20m以下.Reed表示,与采用P

5、CBN刀尖的刀具相比,CBN涂层刀具具有更大的成本优势，并且，由于CBN涂层具有使刀具寿命延长3-4倍的潜力，因此，与传统的多层涂层刀片的加工成本相比，也颇具竞争性.除了将CBN涂层的应用范围拓展到铳削和（如果可能的话）钻削加工以外,Duralor公司的研究工作还集中在采用不同的涂层材料渗入静电沉积的CBN粒子•该公司正在研究将CVDA1O作为可能的复合涂层材料,以及研究在复合涂层中加入具有润滑性的材料.Malshe博士解释说厂采用这种方式涂层的刀具将CBN纳米粒了与可为切削刃不断提供润滑的润滑材料（如二硫化钮）结合起

6、来•因此，我们这种沉积工艺实际上是一种技术平台，能以采用传统的CVD或PVD工艺不可能实现的方式，将不同的涂层材料和涂层结构结合在起：HPPD纳米涂层的应用另一种纳米涂层新1T艺是RushfordHypersonicLLC公司开发的超音速等离子体颗粒沉积工艺（HPPD）（参见本刊2009年第5期“用于干式钻削的刀具涂层"一文）•该公司总裁DanielFox解释说这种沉积工艺的基本原理是，将材料分子分离为其基本形态，从而在等离子体流中产生反应物•然后,通过成核过程，重新组合这些物质，并将组合成的材料分子加速到8倍音速以上

7、（大约6,000英里/每小时），使其沉积到基体上・"Fox指出，这种粒度为2—2Onto的纳米颗粒在高速撞击基体时，会发生相变，并与基体形成化学结合，其结果是形成具有优异的粘附性，高硬度，高断裂韧性的单层薄涂层•他说，”我们的涂层通常具有高于37GPa的硬度和超过3.1MPa的断裂韧性•而且，我们对纳米粒子粒度分布的控制越精确，获得的涂层断裂韧性和硬度就越高•在今后6个刀内，我们预计可使涂层的断裂韧性达到6MPa,硬度超过50—60GPa."Rushford公司正在采用HPPD图1在切削试验中，用一支直径为6.35mm

8、,涂覆Rushford公司HPPDSiC涂层的钻头在厚度为12_7mm的304不锈钢板上干式加工了1,546个孔，最后一个子L的直径尺寸为6.34mm涂层工艺生产SiC涂层，同时准备在这种沉积工艺中添加钛和硼元素，从而获得TiC,TiN,BN和BC涂层材料.与Duralor公司类似,Rushford公司也在与用户合作，研究HPPD