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图1 镀覆金属后金刚石X射线衍射图谱

1 引言

金 刚石材料具有高硬度、高抗压强度、高耐磨性以及优异的导热性和电绝缘性，已广泛应用于工具、磨具领域(如金刚石锯片、金刚石砂轮、金刚石磨头等)。金刚石 工具、磨具通常采用将人造金刚石颗粒与金属、陶瓷、树脂等结合剂镶嵌在一起的方式来实现对工件的加工，但由于金刚石与大部分金属、陶瓷甚至树脂均具有较高 的界面能，使金刚石与基体的结合力较差，容易造成金刚石早期脱落。据统计，在金刚石工具的使用过程中，只有约10%的金刚石真正发挥了切削作用。因此，改 善金刚石与基体的结合强度是提高金刚石工具加工效率和使用寿命的关键因素。目前国内外一般采用在金刚石表面镀一层金属的方法来降低金刚石与基体的界面能， 并通过这层金属与结合剂形成稳定的化学冶金结合(金属结合剂、陶瓷结合剂)。目前采用较多的镀覆金属包括Ti、Cr、V、W等碳化物形成元素以及Ni、 Cu、Ni-P等非碳化物形成元素。采用的镀覆方法种类也较多，如真空微蒸发镀可在金刚石表面镀覆多种金属和合金，但需要专用设备，成本较高；金属包渗也 可在金刚石表面有效镀覆Ti、Ta、Cr、Mo、W等金属，该方法也需要真空设备；盐浴镀和化学镀是两种比较简单的镀渡方法，不需要专用真空设备。盐浴镀 可镀覆大部分碳化物形成元素；而化学镀主要用于镀覆Ni、Cu、Ni-P等非碳化物形成元素以及与碳化物元素的复合镀层。目前国内对这两种方法镀覆金刚石 的镀层特点及其抗压强度、抗高温热蚀能力等性能研究方面的报道不多。本文通过在金刚石表面采用盐浴镀方法镀Ti和采用化学镀方法镀Ni、Cu的试验，分析 比较了采用这两种方法获得的金刚石表面形貌、镀层结构特点以及金刚石的抗压强度和抗高温热蚀能力。 2 试验方法 将45#人造金刚石与金属Ti粉棍合，并用NaCl和BaCl的混合盐以及少量硼砂和硅铁粉混合后覆盖其上，用陶瓷坩埚加盖后在箱式电阻炉中以1000℃温度保温1小时，再用热水去掉混合盐，即可得到镀Ti的金刚石。 用酒精和丙酮去除金刚石表面的油污，用混合酸(浓硝酸+浓硫酸)对金刚石表面进行粗化，再进行敏化、活化及还原处理后，分别放入Ni 镀液和Cu镀液中，经过一定时间后即可在金刚石表面镀覆一层Ni和Cu。 采用Y-4QX射线衍射仪对盐浴镀Ti和化学镀Ni、Cu的金刚石进行X射线衍射分析。 采用PHILIPS XL-30FEG扫描电子显微镜观察盐浴镀Ti和化学镀Ni、Cu金刚石的表面形貌以及颗粒断裂后的镀层结构。 分别测试未镀筱金刚石和已镀覆金属金刚石的表面抗压强度(40粒为一组)。将金刚石放入无保护气氛、温度800℃ 的炉中一定时间，采用精确到0.1mg的电子分析天平称量金刚石的重量，通过测试金刚石的烧损量确定其抗高温热蚀能力。 3 试验结果与分析 经盐浴镀和化学镀后，几乎100%的金刚石均被镀覆上金属，表明这两种金属镀覆工艺是可行和成功的。盐浴镀Ti的金刚石表面呈灰黑色；化学镀Ni的金刚石表面呈亮银色，镀Cu的金刚石表面呈红色。 X射线衍射分析 用Y -4Q型X射线衍射仪测得的镀覆金属后金刚石X射线衍射图谱如图1 所示。由图可见，盐浴镀Ti的金刚石出现了TiC的衍射峰，表明Ti与金刚石通过TiC形成了化学冶金结合。化学镀Ni和Cu的金刚石上都有Ni和Cu的 衍射峰出现；镀Ni金刚石的表面镀层大多为非晶Ni，由于Ni层较厚，所以金刚石的衍射峰很弱。 镀层表面形貌分析 图2 为用PHILIPS XL-30FEG扫描电子显微镜观察到的镀Ti、镀Ni和镀Cu金刚石的表面形貌。由图可见，盐浴镀Ti和化学镀Ni的金刚石表面镀层致密均匀，而化学镀 Cu的金刚石表面镀层较为疏松，且存在未镀极部位，这是由于Cu镀层较薄且易氧化，引起镀层剥落，导致镀层表面结构疏松。 (a)盐浴镀Ti (b)化学镀Ni (c)化学镀Cu 图2 镀覆金属后的金刚石表面形貌 镀层界面结构分析 图3所示为盐浴镀Ti、化学镀Ni金刚石颗粒断裂后表面镀层结构的SEM图像。由图可见，Ti镀层与金刚石的界面不明显，界面处结构致密；而Ni镀层与金刚石之间界面十分明显，而且因观察前金刚石颗粒被断裂破坏，因此镀层与金刚石之间存在剥离现象。 由 于盐浴镀Ti是通过金刚石与Ti发生反应形成Tic，再在其外层形成Ti镀层，镀层与金刚石之间的结合为冶金结合，因此镀层致密，且与基体的结合强度很 高。而化学镀的原理是在金刚石表面形成均匀的还原中心Pd，并在镀覆过程中以Pd为核心形成镀层，因此在化学镀过程中镀层与金刚石之间并未形成冶金结合。 (a)盐浴镀Ti (b)化学镀Ni 图3 镀层与金刚石的界面结构 盐浴镀和化学镀对金刚石性能的影响 对抗压强度的影响 表1为盐浴镀Ti和化学镀Ni、Cu金刚石颗粒的抗压强度对比情况。 表1 单颗粒金刚石抗压强度对比情况 金刚石状态 镀前 盐浴Ti 化学镀Ni 化学镀Cu 抗压强度(kgf) 6 5.5 8.4 8.3 由 表1可知，经盐浴镀Ti后金刚石的抗压强度比镀前略有降低；而经化学镀Ni和Cu后金刚石的抗压强度则比铰前有较大提高，其中镀Ni和镀Cu的金刚石抗压 强度分别提高了40%和55%。盐浴镀Ti后金刚石的强度降低可能是因为试验时金刚石在高温(1000℃)中处理时间过长，对金刚石造成了一定损伤引起 的。有关文献中曾有采用盐浴镀Ti(或W)后金刚石抗压强度提高的报道，但强度提高幅度很小。由于盐浴镀时熔盐温度很高，不可避免会对金刚石造成损伤，因 此采用盐浴镀难以大幅度提高金刚石的抗压强度。用于化学镀Ni和Cu的低品级金刚石表面分布着许多缺陷和表层裂纹，在化学镀过程中，由于具有缺陷和裂纹的 表面存在比平滑表面更多的还原中心，因此在缺陷和裂纹处可获得更厚的金属镀层，这在一定程度上对金刚石表面的缺陷起到了弥和作用，从而使其抗压强度得到较 大提高。 对抗高温热蚀能力的影响 图4为未镀金属与分别镀覆Ti、Ni、Cu的金刚石的抗高温热蚀能力对比情况。由图 4可见，镀覆金属后的金刚石在高温(800℃)下的抗热蚀能力比未镀金属的金刚石有较大幅度的提高，这主要是由于镀筱的表面金属层在高温下可对金刚石起到 保护作用。对三种镀极不同金属的金刚石进行比较，可以发现：盐浴镀Ti的金刚石抗热蚀能力最好，化学镀Ni 金刚石的抗热蚀能力次之，化学镀Cu金刚石的抗热蚀能力最差。这是由于盐浴镀Ti金刚石的镀层与金刚石之间能形成冶金结合，可实现对金刚石基体的有效保 护；而化学镀Cu金刚石的表面镀层比较疏松，在高温下氧化严重，而且在某些部位有未镀金刚石露出，因此其抗热蚀能力较差。因此，镀Ti及镀Ni的金刚石可 获得较好的抗高温热蚀能力。 图4 用 于制造金刚石工具的金刚石表面镀覆金属可选用Ti、W、Cr、Mo等碳化物形成元素，由于这些金属可与金刚石形成碳化物过渡层，与金刚石基体的结合强度较 高，且具有良好的抗热蚀能力，因此十分适合制造陶瓷基和金属基金刚石工具。但是，为了形成碳化物层，需要较高温度，因此镀覆这些金属元素时不宜采用化学镀 或电镀工艺，采用真空镀或盐浴渗镀工艺较为适宜。对于Ni、Cu等非碳化物形成元素，则可采用简单的化学镀工艺，但存在镀层与金刚石基体结合强度不高的缺 陷。其中，镀Ni可以明显提高金刚石的抗高温热蚀能力。 4 结论 盐浴镀Ti的镀层与金刚石之间可形成良好的结合界面；而化学镀的镀层与金刚石之间结合强度不高。 经化学镀覆金属的金刚石抗压强度有很大提高；但盐浴镀Ti金刚石的抗压强度无明显改善。 盐浴镀Ti和化学镀Ni金刚石的抗高温热蚀能力优于化学镀Cu金刚石。

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BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

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切 削过程中，刀具承受的切削力达2～3GPa，切削温度高达900～1 100 ℃ ，而切削速度通常在每分钟几十米到几百米的数量级范围内，因此在高压、高温和高速下工作的切削刀具的摩擦磨损问题很严重。硬质涂层在改善切削性能和延长刀 具寿命方面起重要作用。迄今研究最多的是TiN涂层，它具有高硬度、低摩擦和良好的化学稳定性。与TiN涂层相比，Ti(C, N)涂层具有更好的抗粘着能力和抗热磨损性能。耐磨涂层除了应具有较低的摩擦系数外，还必须有很高的显微硬度、高的韧性以及与基体的附着力。通过引入定数 量平行于基体的中间过渡层能提高涂层刀具的韧性和硬度，防止裂纹萌生。对TiN系多层涂层研究表明，它比单一涂层具有更好的摩擦学性能。Su等对多层 TiN/Ti(C, N)涂层刀具的抗磨性能和切削性能的研究表明其比单层涂层的性能好。涂层的抗磨损性能和可靠性常常受制于其力学特性。由于膜、界面和基体之间的交互作用， 对涂层的力学性能进行评定有定的困难．纳米硬度计的出现使得人们能从微观尺度(纳米级)史深入地了解涂层的力学特性．本文作者利用纳米硬度计对4种涂层的 变形、失效和耐磨性进行分析比较。

1 试验方法

1. 试验装置

   试验装置由瑞士CSEM 仪器公司生产，该系统由纳米硬度计(NHT)和原子力显微镜(AFM)2部分组成，并装各了光学显微镜附件。压头和对样品进行选位以及观察压痕的光学显微 镜等元件由机电定位系统控制，垂直力向的位移分辨率为µm。通过安装在由导向弹簧支撑的压杆上的电磁线圈产生的电磁力对压杆施加载荷，压头为标准维氏金刚 石压头。用电容传感器测量压杆的位移。整个系统的载荷和压入深度分辨率分别为10µN和1nm。在加载和卸载过程中，通过始终与待测样品表面保持接触的蓝 宝石环使压头与样品表面实现垂直力向的精确定位。

2. 试验样品采用CVD技术在硬质合金基体上制备TiN、TiN/Ti(C, N)/TiC、TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC和TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC等4种耐磨涂层．用99.50%H₂、99.99%N₂、99.99%CH₄、99.50%CO₂、化学纯TiCl₄和AlCl₃等 原料，将硬质合金基体经钝化处理、清洗、装炉和升温后，沉积CVD涂层并冷却，即制得待测涂层样品。4种涂层的厚度分别为4.0µm、 1.5µm/1.0µm/1.5µm、1.5µm/1.0µm/1.5µm/1.0µm/1.5µm和 1.5µm/1.0µm/1.0µm/1.0µm/1.5µm/1.0µm/1.5µm。

2 试验结果与讨论

1. 力学性能
   

   图2 载荷户与压入深度人关系曲线上的台阶

   利 用纳米硬度计对4种涂层进行压痕试验，得到在加载与卸载过程中载荷与压入深度的关系曲线(如图1所示)。图1中的E为弹性模量，HV为涂层的维氏硬度值， 根据Oliver等的方法确定。该方法除了考虑卸载曲线外，还考虑了压头形状和压入深度来计算受载下的接触面积，硬度被视作卸载过程中材料承受的平均压 力。从图1可以看出，多层涂层的承载能力优于单层涂层。Li等利用纳米硬度计分析压入过程中涂层表面发生的各种裂纹过程时发现，接触区的高应力使压头周围 出现第一个近似环形的穿透膜层的裂纹；很高的侧压力使得涂层/基体界面在接触区发生剥离和折断；在弯折薄膜的边缘处由于弯曲应力的作用而出现第二个近似环 形的穿透膜层的裂纹或裂纹碎片。在第一阶段，如果涂层出现近似环形的穿透膜层的裂纹，相应地在p-h曲线上将会出现1个台阶，反之则不会出现台阶。我们研 究了4种涂层的失效特征，结果如图2所示。可见，随着压入载荷的增加，在p-h曲线上出现台阶，显示在涂层中萌生几了呈近似环形的穿透膜层的裂纹。每个台 阶对应涂层中的1个近似环形的穿透膜层的裂纹，因此定义图2中台阶处的载荷p_f为涂层断裂失效的临界载荷。这样由压入曲线可得到4 种涂层的断裂失效临界载荷户分别为11.1mN 、16.4mN 、35.5mN 和56.3mN。可见多层涂层的断裂失效载荷明显高于单层TiN涂层；随涂层层数的增加，其临界载荷psub>f值增大。这是因为多层涂层中的中问 层可阻止裂纹的萌生与扩展(中间层阻止裂纹萌生和扩展的能力同其厚度和层数有关)。根据某文献记载，涂层的断裂韧性Ksub>IC可由下式计算：
   式中：E和v为涂层的弹性模量和波松比；2pR_C为 涂层中裂纹的长度；t为涂层厚度；U为裂纹出现前后的应变能变化。p-h曲线上的面积反映了涂层/基体系统的弹塑性变形能，产生第1个近似环形穿透膜层的 裂纹时释放的应变能U可根据曲线上的台阶处的而积计算得到。Kazmanli等也描述了p-h曲线上的台阶与裂纹形成的关系。由式(1)计算可以得到4种 涂层的断裂韧性分别为1.51MPa·m^½、2.18MPa·m^½、3.4MPa·m^½和3.9MPa·m^½。可见随着涂层层数的增加，其断裂韧性值增大。但采用多层涂层，增加了工艺的复杂性和成本，故应选择合适的层数。为此我们推荐采用TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂层。

   p-h曲线描述了涂层断裂失效的情况；而用p-h²曲线可以反映减摩耐磨涂层断裂失效前涂层/基体界而的变化，尤其是多层涂层间的界面变化。对于单体相材料，压入深度中塑性变形分量为h_p，弹性变形分量为h_e，则总压入深度h：为
   式中：f和y为与压头几何形状有关的参数；p为载荷；HV为硬度；E为弹性模量。将式(2)平方得：
   因此可得p=Kh²，K为Loubet 弹塑性参数．对单一体相材料的压入过程，p∝h²。研究涂层/基体系统时，发现其典型的p-h²关系曲线上从原点到拐点的直线段符合p∝h²关 系，反映了涂层的弹塑性变形。根据Hertz接触理论分析，发现最大剪应力仍位于被压入的涂层中，而末能使基体产生屈服，因此直线段反映的仅仅是涂层的变 形情况．越过拐点后，很高的剪切应力使得基体产生屈服，从而使涂层发生弯折，界面发生变化，在卸载过程中部分界面脱附，在拉应力作用下接触区周围出现材料 堆积，直至在台阶处出现裂纹。因此用拐点处载荷p_i表示涂层界而变化的临界载荷，p-h²与p-h曲线完整反映了涂层界面变化和断裂失效的整个过程．图3示出了4种涂层的p-h²曲线，图中虚线为符合p∝h²的直线，实线为压入过程中的p-h²曲线，拐点位于实线与虚线的分离点．从图3(a和b)可以看出，从原点到拐点的任线段反映的是涂层本身的变形情况，拐点处载荷值低于台阶处的载荷值．通过SFM观察可发现在相应的台阶载荷下涂层表面出现裂纹。由压入试验数据可知，单层TiN涂层在p_i=3.13 mN处发生界面变化，表明单层涂层的界面结合较弱，涂层的韧性也较差．而TiN/Ti(C, N)/TiC涂层则在p_i=7.5 mN时发生界面变化。但在图3(c和d)中，从原点到台阶均为直线段(实、虚线重合)，说明2种涂层在断裂失效前末发生明显的界面变化。故TiN/Ti (C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC和TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC多层涂层具有较高的界面强度和较好的韧性。
   

   图3 载荷户与压入深度平方形关系曲线

2. 耐磨性

   脆性涂层材料表面在摩擦过程中发生断裂、剥离及破碎，这时涂层的耐磨性主要取决于材料的抗脆断能力。因此，增加材料的强度和断裂韧性可提高其耐磨性。考虑到材料的品质因素(此处不考虑摩擦区的温度及化学磨损等影响，若考虑温度影响时需进行修正)，涂层材料的耐磨性W_R可表示为：
   

   WR=KIC0.5E-0.8HV1.43

   (4)

   式中：W_R为耐磨性；K_IC为断裂韧性(MPa·m^½); E为弹性模量(GPa) ; HV为硬度(GPa)。表1 列出了根据式(4)计算得到的4种涂层的耐磨性。从中可以看出，TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂层耐磨性最好，其结果与切削试验结果相－致。切削试验结果表明，所考察的4种涂层中TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂层刀具的使用寿命最长。

   表1 涂层的力学特性和耐磨性

   涂层	pi (mN)	pf (mN)	KIC (MPa·m½)	WR
   TiN	3.13	11.1	1.51	1.08
   TiN/Ti(C,N)/TiC	7.50	16.4	2.18	1.42
   TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC	-	35.5	3.40	1.61
   TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC	-	56.3	3.90	1.84

3 结论

1. 涂层中裂纹的形成同载荷与压入深度曲线上的台阶有很好的对应关系。
2. 用载荷与压入深度的平力曲线和载荷与压入深度曲线可完整地描述涂层材料的力学特性。载荷与压入深度曲线上的台阶可用于描述涂层的断裂失效，而载荷与压入深度的平方曲线上的沉线段可用于描述多层涂层的界面变化．涂层的断裂失效和界面变化可用临界载荷p_f和p_i分别描述。
3. 多层涂层具有较高的硬度、断裂韧性和耐磨性。随涂层层数的增加，其极限载荷p_f和p_i值趋于增大。其中TiN/Ti(C, N)/TiC/Ti (C, N)/TiC/Ti(C, N)/TiC涂层的力学性能和耐磨性最好。

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BW is specialized in R&D and sourcing the most advanced carbide material with high-tech coating to supply cutting / milling tool for mould & die, aero space and electronic industry. Our main products include solid carbide / HSS end mills, micro electronic drill, IC card cutter, engraving cutter, shell end mills, cutting saw, reamer, thread reamer, leading drill, involute gear cutter for spur wheel, rack and worm milling cutter, thread milling cutter, form cutters for spline shaft/roller chain sprocket, and special tool, with nano grade. Please visit our web www.tool-tool.com for more info.

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　1、切削参数的选择

　 　工件材料硬度越高，其切削速度应越小。使用超硬刀具进行硬车削精加工的适宜切削速度范围为80～200m/min，常用范围为 10～150m/min；采用大切深或强力断续切削高硬度材料，切速应保持在80～100m/min。一般情况下，切深为0.1～0.3mm之间。

2. 对工艺系统的要求

歡迎來到Bewise Inc.的世界，首先恭喜您來到這接受新的資訊讓產業更有競爭力，我們是提供專業刀具製造商，應對客戶高品質的刀具需求，我們可以協助客戶滿足您對產業的不同要求，我們有能力達到非常卓越的客戶需求品質，這是現有相關技術無法比擬的，我們成功的滿足了各行各業的要求，包括：精密HSS DIN切削刀具、協助客戶設計刀具流程、DIN or JIS 鎢鋼切削刀具設計、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 航太切削刀具,NAS航太刀具設計、超高硬度的切削刀具、醫療配件刀具設計、汽車業刀具設計、電子產業鑽石刀具、木工產業鑽石刀具等等。我們的產品涵蓋了從民生刀具到工業級的刀具設計；從微細刀具到大型刀具；從小型生產到大型量產；全自動整合；我們的技術可提供您連續生產的效能，我們整體的服務及卓越的技術，恭迎您親自體驗！！

BW Bewise Inc. Willy Chen willy@tool-tool.com bw@tool-tool.com www.tool-tool.com skype:willy_chen_bw mobile:0937-618-190 Head &Administration Office No.13,Shiang Shang 2nd St., West Chiu Taichung,Taiwan 40356 http://www.tool-tool..com / FAX:+886 4 2471 4839 N.Branch 5F,No.460,Fu Shin North Rd.,Taipei,Taiwan S.Branch No.24,Sec.1,Chia Pu East Rd.,Taipao City,Chiayi Hsien,Taiwan

Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS DIN Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、NAS986 NAS965 NAS897 NAS937orNAS907 Cutting Tools,Carbide end mill、disc milling cutter,Aerospace cutting tool、hss drill’Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN or JIS tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.

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（１）精密ＨＳＳエンド・ミルのＲ＆Ｄ

（２）Carbide Cutting tools設計

（３）鎢鋼エンド・ミル設計

（４）航空エンド・ミル設計

（５）超高硬度エンド・ミル

（６）ダイヤモンド・エンド・ミル

（７）医療用品エンド・ミル設計

（８）自動車部品＆材料加工向けエンド・ミル設計

弊社の製品の供給調達機能は：

（１）生活産業～ハイテク工業までのエンド・ミル設計

（２）ミクロ・エンド・ミル～大型エンド・ミル供給

（３）小Ｌｏｔ生産～大量発注対応供給

（４）オートメーション整備調達

（５）スポット対応～流れ生産対応

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BW刀具http://www.tool-tool.com
它們網站 裡面寫的
鎢鋼刀具 碳化鎢刀具 超微粒鎢鋼刀具 還有 我去大陸看的超硬刀具 超硬合金刀具 這....怎那麼多種材質阿 到底 有啥不同呢?
如果要做 鑽頭 銑刀 車刀 要用哪種材質的刀具比較好 壽命會比較好 品質會比較高?
有高手能幫我解答我的疑問嗎?

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（６）ダイヤモンド・エンド・ミル

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1 引言

涂 层硬质合金问世以来，在机械加工刀具方面得到了广泛应用，显著提高了金属切削加工效率。目前约有70%的硬质合金刀 具经过表面涂层处理。近年来，随着金属切削加工要求的不断提高，刀具涂层技术也不断取得新的发展。目前常用的涂层方法主要有化学气相沉积(CVD)法、物 理气相沉积(PVD)法、物理化学气相沉积(PCVD)法等；涂层材料种类主要有TiC、TiN、TiCN、Al2O3等；涂层方式已由单一涂层发展到复合涂层。同时，为了对涂层性能、涂层工艺进行深入研究，与之相关的涂层分析检验技术也随之不断改进。本文就硬质合金涂层的金相分析方法作一介绍。 2 涂层金相试样的制备 硬 质合金涂层具有硬、脆、薄的特点，其厚度通常只有几微米至十几微米。在制备试样时稍有不慎，试样表面涂层就可能崩落或倒角，因此操作时应注意小心保护涂 层。在制样过程中，为保证涂层与硬质合金基体位于金相显微镜观测的同一视平面上，应使涂层制样面与硬质合金基体制样面处于同一平面内。通过反复进行制样试 验，发现以下制样方法可获得较好制样效果：首先用金刚石砂轮在机床上对试样进行粗、精磨，然后将试样对镶在硫磺中，用抛光机和金刚石研磨膏对其进行精抛 光。磨削试样时，可使用树脂结合剂碗形金刚石砂轮(粒度在320#、M20、M14范围内)，为反映涂层的真实厚度，磨削后的涂层制样面与涂层表面应保持垂直；根据前序磨削表面质量情况，可选用粒度为M5或M1的金刚石研磨膏对试样进行研磨和抛光。图1和图2分别为采用上述方法制备试样的单一涂层和复合涂层形貌。 图1 单一涂层形貌(746×) 图2 复合涂层形貌(746×) 1. 涂层部分(表面层) 2. 过渡区(h相中间层) 3. 硬质合金基体 图3 试样断面形貌(746×) 3 涂层形貌的观测与分析 将制备好的涂层金相试样置于金相显微镜下进行高倍观测(1000～1500倍)。在显微镜视场内可观察到试样断面是由表面涂层、过渡区和硬质合金基体三部分组成(见图3)。 过渡层(中间层)的金相分析 对制备的试样进行高倍观测时，有时会发现在涂层与基体之间存在一连续带状(或断续)的白亮色狭窄区域。用赤血盐和氢氧化钠水溶液侵蚀后，该区域的颜色转变由橙色→深褐色→黑色，这是h相WxCoxC 的典型特征之一，通常工业合金缺碳时都会出现h1相，它的存在对涂层合金的使用性能有很大影响(目前对h2相所起作用尚有不同看法，限于篇幅，本文不作论述)。总之，在观测试样时，对过渡层进行金相分析是必不可少的步骤。图4、图5分别为无过渡层和有过渡层(呈均匀带状)的涂层组织。 图4 无过渡层的涂层组织(746×) 图5 有过渡层的涂层组织(746×) 涂层显微结构的显现与形貌观测由于涂层为极薄的单层或多层膜，因此显现其显微结构时需特别仔细。对于不同材料的涂层，需要采用不同的试剂进行侵蚀显现。 碳化钛涂层的显现 将抛光后的碳化钛涂层试样用10%K3Fe(CN)6+10%NaOH 水溶液侵蚀20～30 秒钟后，即可在金相显微镜下对其显微结构进行高倍观测(见图6)。 氮化钛、碳氮化钛涂层的显现 对于氮化钛、碳氮化钛(或碳化钛)涂层试样，均可采用10ml 硝酸+ 10ml 氢氟酸+ 10ml 水的混合溶液滴蚀15～30 秒钟后进行显现，在金相显微镜下高倍观测到的显微结构见图7。 图6 碳化钛涂层的显微结构(746×) 图7 氮化钛、碳氮化钛(或碳化钛)涂层的显微结构(746×) 复合涂层的显现 对于复合涂层，应视具体的涂层种类，采用分段侵蚀方法对其显微结构进行显现，然后在金相显微镜下进行形貌观测。 4 涂层缺陷的观测 当表面涂层工艺出现某些问题时，涂层表面会产生各种缺陷。图8～11 为几种常见的涂层缺陷。 图8 涂层上出现裂纹(746×) 图9 涂层上出现裂纹和凸起(746×) 图10 涂层上出现孔洞和凸起(746×) 图11 涂层上出现凸起(746×) 5 涂层和过渡层的厚度测量 试验证明，涂层(表面层)和过渡层(中间层)的厚度对硬质合金涂层刀片的性能影响很大。因此，对试样各层厚度进行测量对于分析涂层性能十分重要。 涂 层厚度是指从涂层表面到涂层与过渡层(或基体)交界面之间的距离。过渡层(亦称脱碳层)厚度是指从涂层与过渡层的交界面到过渡层与基体的交界面之间的距 离。涂层厚度一般约为几微米～20微米。对于复合涂层则需要分别测量各层厚度。测量涂层厚度的传统方法是利用金相显微镜的目镜测微尺进行测量，但该方法的 测量精度较差，操作也较为烦琐。目前已可采用图象分析系统(如四川大学智胜公司产品)进行测量，该方法操作便捷，测量精度较高。此外，该系统具有多次拍照 合成图象功能，可解决涂层制样面微小不同焦的问题。

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1 引言

表面涂层技术的发展与应用对刀具性能的改善和切削加工技术的进步起到了十分关键的作用，涂层刀具已成为现代刀具的重要标志。常用的刀具涂层材料主要有TiC、TiN、Al2O3、TiCN、 TiAlN、CBN 等。TiAlN作为一种新型涂层材料，具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性，尤其用于高速切削时性能优异。在日 本和我国台湾地区，TiAlN涂层刀具的应用已相当广泛。本文介绍的新型TiAlN涂层铣刀采用超细颗粒(直径约1µm)碳化钨—钴硬质合金基体，表面采 用特殊的低温物理气相沉积(PVD)法涂覆高硬度的TiAlN单层涂层(厚度约6µm)。TiAlN涂层表面生成高强度的氧化物(刚玉)，涂层中的Ti 含量控制在37%左右，Al含量控制在10%～13%之间，以保证刃口的锋利性。新型TiAlN涂层与TiN涂层的主要性能比较见表1。 表1 新型TiAlN涂层与TiN涂层主要性能比较 涂层性能 TiAlN涂层 TiN涂层 维氏硬度 Hv(kgf/m2) 2720 1930 氧化温度(℃) 840 620 划痕测试临界负荷 粘附力(N) 80.3 60.3 结构特征 细柱状面心立方结构 面心立方结构 摩擦性能 与钢摩擦系数0.30 与钢摩擦系数0.41 2 高速铣削技术在模具制造中的应用 近 年来，高速切削技术发展迅猛，如铣削机床转速已高达30000～50000r/min。高速铣削在模具制造等精密、超精密加工中具有良好的应用前景。由于 有些模具的过渡棱边尖锐薄弱，转角处易发生塌角现象，采用普通铣削难以保证模具廓形交界处的加工精度，而采用高速铣削可切削出形状锐利的轮廓尖角，可实现 精密模具的高精度、高效率加工。 近年来，国外模具制造商开发了多项模具高速加工先进技术，如：①形状预识别控制技术：该技术可在高速加 工模具自由曲面时实现高精度加工控制功能，以避免尖角部位因切削冲击、机械滞后等引起路径误差。②SF 技术：用球形铣刀加工模具自由曲面时，因工件和刀具的切削点在不断变化，使实际切削点的切削速度不断发生变化，影响表面加工质量。采用SF技术可从NC数 据中预先读出时刻变化的切削点信息，通过控制主轴回转速度使切削点切削速度保持一定；同时控制每转相当进给量，使进给速度保持稳定。③区域加工技术：在模 具加工面上预先设定一定区域，应用区域加工技术可在不改变原加工程序的情况下，对设定区域内或区域外实现可改变切深及其它切削条件的加工。④直角邻边圆弧 内角铣削技术：采用三面铣刀柄嵌三角刀片进行加工，可将圆弧内角直接铣削成直角，加工效率比电火花线切割可提高约20倍。⑤利用特殊数控代码G260指 令，可实现在平面上加工斜孔。加工时，铣刀杆利用万向节偏转要求的角度，可免除常规加工时需重新装夹工件及使用专用夹具的麻烦。⑥控制系统采用NURBS (Non-uniform RationAlB Spline)补偿，从而解决了控制系统数据传输存在等待现象，在微小进给(1µm)加工时机床不能移动等问题。 采用高速铣削技术对模具进行直接成型加工，可减少电加工及相关工序流程，显著提高加工效率，加工时间可缩短1/3～1/4。为实现模具的高速铣削加工，开发及应用先进的高速铣削刀具尤为重要，TiAlN涂层铣刀就是目前高速铣削淬硬模具钢最常用的理想刀具。 图1 立铣刀切削刃的后刀面磨损 3 TiAlN涂层铣刀高速铣削模具钢的磨损与破损性能 立铣刀切削刃的后刀面磨损如图1 所示。 用VC-MD 型号六齿TiAlN涂层硬铣刀(Ø10mm)高速铣削AlSi H13/JIS SKD61 淬硬模具钢(52HRC)时，采用不同冷却方式对刀具磨损形貌的影响如图2 所示(铣削速度：628m/min；铣削长度：50m；铣削深度：轴向切深10mm，径向切深0.5mm)。结果表明，采用风冷切削时刀具磨损最小(图 2b)；采用干式切削时刀具磨损次之(图2a)；采用乳化液冷却切削时刀具磨损最大(图2c)。由于铣刀刃呈间歇切削状态，如切削时将冷却液直接喷淋在刀 具上，刀刃时冷时热的温度变化容易引起热裂纹，导致切削刃破裂及刀片破损。因此，高速铣削模具钢时不应使用冷却液，否则会缩短刀具寿命。 (a)干式切削 (b)风冷切削 (c)乳化液冷却切削 图2 不同冷却方式下的铣刀磨损形貌(SEM照片) 刀 具的主要失效机理包括月牙洼磨损、热变形、破裂等。切削热和机械振动是刀具失效的重要影响因素。月牙洼磨损通常发生在刀片前刀面上，当高速加工钢件及其它 硬质材料时，切屑在高温作用下熔附在刀具表面，并使刀具材料颗粒发生剥离，形成月牙洼磨损。过度的月牙洼磨损会削弱切削刃强度，阻碍切屑流动，增大刀具承 受的温度与压力，最终导致刀具破损。对刀具进行涂层可在刀具与工件之间增加一层惰性硬介质，显著减小月牙洼磨损。通过合理应用涂层技术，可使刀片既具有高 硬度又具有高韧性。涂层时可根据需要调节基体和涂层的元素分布，使切削刃区域具有较高含钴量，从而将含钴基体的耐冲击性与涂层的耐磨性结合起来，使切削刃 具有良好韧性而刀具其余部分保持较高硬度。 用VC-MD 型号TiAlN涂层铣刀高速铣削AlSiH13模具钢(50HRC)时，铣削状态与刀具破损的关系如图3 所示(进给速度：0.10mm/齿；轴向切深10mm，径向切深0.5mm)。 图3 铣削状态与刀具破损的关系 当 切削速度V=157m/min时，采用干式切削和风冷切削时的切削长度均可达到300m；采用乳化液冷却切削时在200m 处刀刃出现崩裂。当切削速度V=314m/min时，采用干式切削时在150m处刀具出现破碎；采用风冷切削时在300m 处仍可正常铣削；采用乳化液冷却切削时在50m处刀具出现崩裂。当切削速度V=471m/min时，采用干式切削时在200m处刀具出现较大磨损；采用风 冷切削时在300m 处刀具出现较大磨损；采用乳化液冷却切削时在50m 处刀具出现崩裂。当切削速度V=628m/min时，采用干式切削时在100m 处刀具出现较大磨损，在120m 处刀具破碎折断；采用风冷切削时在150m处刀具折断破碎；采用乳化液冷却切削时刀具很快磨损折断。 风冷切削一般可采用液氮致冷和压缩 空气致冷两种方式，并可对切削区辅以油雾润滑，以提高加工表面光洁度。风冷切削可获得较好加工效果，但加工成本较高。干式切削省去了冷却、润滑装置，可降 低加工成本，减少环境污染。为实现干式切削，刀具涂层必须具有两个重要功能：①可在刀具与工件之间起到热壁垒的作用，以减小作用于刀具基体的热应力；②可 起到固体润滑剂的作用，以减小切削摩擦及切屑对刀具的粘附。TiAlN涂层就是一种可较好满足上述要求的高性能涂层。 许多新型硬质合金 刀具牌号(尤其是带涂层牌号)在高速切削时采用干切削方式可获得更高切削效率。事实上，对于间断切削，切削区温度越高，越不适合使用切削液。铣削时加切削 液可使刀具承受剧烈的温度变化(铣刀片自工件切出时被冷却，切入工件时温度再次上升)。虽然干切削时也存在类似的加热—冷却循环，但温度变化幅度比加切削 液时缓和得多。温度的剧烈变化可导致刀片中产生应力，从而引起裂纹。 涂层厚度(一般为2～18µm)对于刀具性能具有重要影响。对于冲 击力较大、刀具快速冷却和加热的间断切削，薄涂层承受温度变化的性能优于厚涂层，其应力较小，不易产生裂纹，因此薄涂层刀片干式切削时的寿命可延长 40%。一般来说，PVD 工艺可获得比CVD 工艺更薄的涂层，且与基体结合较为牢固，因此圆形刀具和铣刀片等常采用PVD 涂层。此外，由于PVD 涂层的沉积温度较低，因此较多应用于刃口锋利的刀具及大正前角铣刀、车刀等。TiAlN涂层是目前适用于高速干式切削的性能最佳的PVD 涂层，其高温连续切削性能指标比氮化钛(TiN)涂层高4 倍，这主要得益于高温切削时涂层表面的铝氧化后在切屑/刀具界面上形成的非结晶氧化铝薄膜。 图4 TiAlN涂层铣刀与其它刀具磨损量比较 图5 铣削速度与后刀面磨损关系曲线 图6 铣刀转速与径向切深的关系曲线 分 别用VC-MD型号TiAlN涂层铣刀、TiN涂层铣刀和未涂层铣刀高速铣削AlSi H13/JIS SKD61模具钢(52HRC)，加工长度达50m 后刀具周边后刀面的磨损情况如图4 所示(进给速度：0.10mm/齿；轴向切深10mm，径向切深0.5mm；顺铣，风冷)。 当切削速度V=100m/min时，加工时 间为60min，TiAlN涂层铣刀的磨损量仅为其它刀具的1/2～1/3。当V=600m/min时，TiAlN涂层铣刀加工同样长度仅需时 10min，磨损量增长2 倍；TiN涂层铣刀和未涂层铣刀在V=200m/min时磨损量已较大，V 继续增大时则出现剧烈磨损。分析磨损曲线的变化趋势可知，TiAlN涂层铣刀的磨损曲线斜率较小，走势较平坦；其它两种刀具的磨损曲线斜率则较大。表明随 着切削速度的增加，TiAlN涂层的磨损量变化很小，非常适合高速切削。 4 TiAlN涂层铣刀高速铣削钛合金的切削性能 用VC-2MS 型号TiAlN涂层铣刀(Ø10mm)铣削钛合金材料(Ti-6Al-4V)时，铣削速度与刀具后刀面磨损的关系如图5 所示(铣削深度：径向切深0.2mm，轴向切深10mm，侧面铣削；冷却压力：4.4M)。 钛 合金属于难加工材料。当TiAlN涂层铣刀低速铣削时，刀具磨损量很小，磨损曲线较平坦。随着切削速度不断增大，刀具磨损量缓慢增加。但当切削速度超过 10000r/min 后，刀具磨损量快速增加。断续切削钛合金材料产生的高温会使刀片的切削刃与其它部分之间产生较大温差，导致切削刃产生裂纹，裂纹的扩展将导致切削刃破裂及 刀片破损。 用六刃TiAlN涂层铣刀(Ø10mm)铣削Ti-6Al-4V，当改变铣削速度与铣削深度时，铣刀转速与径向切深的关系曲线如图6 所示(进给速度：0.10mm/齿；轴向切深10mm，侧面铣削)。 铣 削钛合金材料时，切削速度越高，可保证正常铣削的径向切深量就越小。如在临界转速(10000r/min)时，径向切深量取0.1mm可保证正常铣削，如 径向切深量取0.2mm则刀具磨损量较大，当转速进一步增加时磨损将迅速增大。选取5000r/min 的转速较为安全，可在0.4～0.6mm的径向切深量范围内实现正常加工，排屑量为15cc/min。排屑量通常随径向切深量的减小而减少，切屑排出量越 大，所需加工功率也越大。根据切削试验结果，铣削钛合金时，选取转速5000r/min、径向切深量0.4～0.6mm较为合理，此时铣刀磨损小、寿命 长，铣削功率大，加工效率高。 图7 圆弧铣槽示意图 图8 圆弧铣槽的尺寸计算 5 两种高效铣削方法 圆弧铣槽 铣 削键槽时，选用铣刀直径应小于键槽宽度，否则铣削阻力较大，影响铣刀寿命。如选用Ø10 铣刀加工槽宽10mm的键槽，每次切深为1mm，需来回铣削10 次才能完成加工。为提高加工效率，可采用如图7所示的圆弧铣槽方法。采用Ø6 铣刀沿一定弧度进行旋转铣削，可高效完成切深10mm的加工。圆弧铣槽的尺寸计算关系如图8 所示。尺寸计算公式为 q=arccos[1-2Rd(t-Rd)/Ø(t-Ø)] 式中：q——最大铣削角度 Rd——径向切深 t——被加工槽宽 Ø——铣刀直径 X——相当铣削深度 表2 圆弧铣槽铣削参数与加工效果 铣削参数 t(mm) 18 16 15 Rd(mm) 0.6 0.3 0.27 X(mm) 1.74 1.48 0.89 q 44.8° 41.0° 31.5° 加工效果 槽长度(m) 0.26 0.33 0.35 铣削长度(m) 24 28 33 刀刃磨损量 较大 较小 较小 采 用VC-MD 型号TiAlN涂层端铣刀(Ø12mm)对AlSi H13/JIS SKD61 模具钢材料(52HRC)进行圆弧铣槽加工(槽深10mm)。铣削速度：313m/min(8300r/min)；进给速度：5000mm/min (0.10mm/齿)；风冷。加工槽宽分别为18mm、16mm、15mm的槽时的铣削参数和加工效果见表2。 由表2可知，径向切深Rd对圆弧铣槽时的刀具磨损影响较大，Rd越大，刀刃磨损就越明显。圆弧铣槽的优势在于大的轴向切深、减小铣削力、减轻机械振动、提高铣刀耐用度。 螺旋铣孔 图9 螺旋铣孔示意图 图10 轴向进给率Fa示意图 用TiAlN涂层球头铣刀以螺旋铣削方式加工孔可获得较高的加工效率和较长的刀具使用寿命。图9为用VC-2MB R5型TiAlN涂层球头铣刀螺旋铣削Ø15×18(mm)孔的示意图。螺旋式铣削的轴向进给率(螺旋前进一周的轴向移动量)可用Fa表 示，见图10。用VC-2MB R3 型TiAlN涂层球形铣刀对AlSi H13/JIS SKD61模具钢材料(52HRC)工件进行螺旋铣孔加工(孔深：9mm；X、Y向进给速度：1500mm/min；铣削速度：283m/min，相当于 15000r/min)，被加工孔径与Fa取值的关系如图11 所示。图中○表示合适(铣100 个孔后的后刀面磨损量约0.03mm)，Δ表示不合适(铣20 个孔后刀刃破碎)。Fa取值较小时可加工较大的孔径。当被加工孔径为Ø9mm时，Fa最大可取值0.6mm，如超过该值则铣刀磨损将加剧。图12 为以轴向进给率Fa=0.3mm加工Ø7mm孔径时(参见图11)的铣孔数量与铣刀磨损量的关系。由图可知，铣100个孔的后刀面磨损量约为0.03mm，铣500 个孔的后刀面磨损量约为0.05mm，可见随铣孔数量的增加，TiAlN涂层铣刀的磨损量变化不大，其耐用度较高。 图11 被加工孔径与Fa取值的关系 图12 铣孔数量与铣刀磨损的关系曲线 6 结语 TiAlN 涂层具有优于TiC、TiN、TiCN等涂层的机械物理性能，并可与其它涂层配合组成多元多层复合涂层。切削试验及加工实践表明，TiAlN涂层刀具化学 稳定性好，抗氧化磨损能力强，高速加工高合金钢、不锈钢、钛合金、镍合金等难加工材料时，其工作寿命可比TiN涂层刀具提高3～4倍。TiAlN涂层中具 有较高Al浓度，切削加工时涂层表面会生成一层极薄的非晶态Al2O3，从而形成硬质惰性保护膜，非常适合应用于高速切削加工。TiAlN涂层刀具的普及应用将大大提高刀具耐用度，减少加工辅助时间，降低切削加工成本，提高企业经济效益。

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