摘 要

涂层刀具是在相对较软的刀具基体上镀一层耐磨性高的化合物而获得的。涂层刀具将刀具基体的韧性和涂层的耐磨性有机的结合在一起，有效的调节了强度和硬度间的矛盾，相比于传统无涂层刀具，涂层刀具具有巨大的优越性。涂层刀具应用广泛，现已应用于立铣刀、铰刀、钻头、复合孔加工刀具、齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、成型拉刀及各种机夹可转位刀片。涂层刀具现已取代传统未涂层刀具成为数控刀具的中坚力量，其高进给量、高速切削、高校切削以及适合干式切削的特点受到了现代切削加工业的青睐。本文介绍了采用电子扫描显微镜和X射线衍射分析等手段测试CVD涂层和PVD涂层硬质合金刀具，并分析了其表面形貌、元素组成、晶粒分布、物相和结晶度等。论文主要内容和结论如下：

1.简单介绍了涂层刀具的合成机理。本次实验的样品选用的是已合成好的PVD和CVD涂层硬质合金刀具。

2.利用JSM-5610LV型扫描电子显微镜和ULTRA PLUS-43-13型扫描电子显微镜分析了所选的样品在表面形貌、元素组成和粒径分布几方面的特征。

3、采用D/MAX-RB型转靶X射线衍射分析仪对样品的涂层区进行测试分析。通过MDI jade软件分析XRD谱图。

4、通过分析得知，所选样品为薄涂层亚细晶粒WC合金刀具，样品涂层和界面无明显缺陷。涂层物相为Ti₃AlC和AlN。PVD涂层刀具的原子扩散及渗透和结晶度高于CVD涂层刀具。

关键词:涂层刀具；表面形貌；粒径分布；元素组成；XRD分析

Abstract

Coated tools is obtained by plating layer of high wear resistance compound on the relatively soft substrate. The coated tool combines the toughness of substrate and wear resistance of the coating layer together,which adjusts contradiction between strength and hardness. Compared to traditional uncoated tools, coated tools have great advantages. Coated tools are widely used, now,it has been used in end mills, reamers, drills, composite processing tools, gear hobs, shaper cutters, shaving cutters, broaches and various molding machine folder indexable. Coated tools are now replacing the traditional uncoated tool CNC tool to become the backbone. Its high feed rate, cutting speed, high efficiency, suitable for dry cutting characteristics are welcomed by modern cutting industry. This article describes the testing of the surface morphology, elemental composition, grain size distribution, phase and crystallinity of PVD coating and CVD coated carbide tools by using means of scanning electron microscopy and X-ray diffraction analysis. The main contents:

1. Briefly introduce the synthesis mechanism of coated tools. Samples of this experiment choosede is synthesized PVD and CVD coated carbide tools.

2. Use JSM-5610LV scanning electron microscope and ULTRA PLUS-43-13-type scanning electron microscope to analyze the surface morphology, elemental composition and particle size distribution of the sample.

3. Use D / MAX-RB type rotating anode X-ray diffraction analyzer to test the coating area of the samples.Use MDI jade to analyze XRD spectra

4. The sample is a thin coating inferior-fine-grained WC alloy tool, there is no obvious defects of coating area and interface. Coating phase is Ti3AlC and AlN. Atomic diffusion and penetration and the degree of crystallinity of PVD coated tools is stronger than CVD coated tools.

Keywords: Coated tools;surface morphology;particle size distribution;elements; XRD analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 涂层数控刀具概述 1

1.2 涂层数控刀具的国内外研究现状及发展趋势 2

1.2.1 涂层数控刀具的国内外研究现状 2

1.2.2 涂层数控刀具的发展趋势 3

1.3 课题研究的内容和目的 4

1.3.1 课题研究的背景及意义 4

1.3.2 课题研究的内容和目标 5

第2章 涂层刀具制造 6

2.1 化学气相沉积涂层 6

2.1.1 化学气相沉积原理 6

2.1.2 化学气相沉积反应 7

2.1.3 化学气相沉积主要工艺参数 7

2.2 物理气相沉积涂层 8

2.2.1物理气相沉积原理 8

2.2.2 平衡磁控溅射技术 8

2.2.3 非平衡磁控溅射技术 8

2.3 本章小结 9

第3章 涂层刀具的扫描电镜测试分析 10

3.1 扫描电镜的测试原理 10

3.2涂层刀具的扫描电镜分析 10

3.2.1涂层刀具的扫描扫描电镜测试结果 10

3.2.2表面形貌分析 10

3.2.3涂层表面的能谱分析 12

3.2.4 涂层刀具基体分析 13

3.3 本章小结 16

第4章 涂层刀具的X射线衍射分析 17

4.1 X射线衍射分析的测试原理 17

4.2 MDI jade软件简介 17

4.3 涂层刀具的X射线衍射分析结果 17

4.4 本章小结 19

第5章 结果总结及展望 20

5.1 结论 20

5.2 存在问题和展望 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 涂层数控刀具概述

目前，先进制造技术的基础和核心是数控技术，数控技术自20世纪中叶创立以来，给机械制造业带来了巨大的革命性的变化。现代数控技术早已成为了柔性化、自动化、集成化生产的基础技术^[1]。在数控技术的基础上，人们建立了CAD/CAM、FMS、CIMS、智能制造和敏捷制造等先进的制造技术。当今世界上主要发达国家都在发展数控技术、建立数控机床，促进各自的机械加工工业进入下一个历史发展阶段，为本国的国名经济发展注入新的动力。然而，在由机床、工件和刀具组成的切削机械加工工艺体系中，最活跃的因素就是刀具，刀具与机床的发展史相辅相成、相互促进的。每一次刀具材料的革新都会极大地推进人类社会物质与文化文明的进步^[2]。机床与刀具技术相结合，刀具与工件材料交替发展，是切削加工技术持续向前发展的历史规律，这对推动切削机械加工技术起到了决定性的作用。从某种意义上说，刀具材料的发展历史就是金属切削的发展历史，刀具材料的每一次革新几乎都会给切削机械加工工业带来一次巨大的革命。

硬质合金刀具的使用范围相当广泛，其在数控刀具材料中占据了主导地位，涵盖了绝大部分常规加工领域，主要包括铸铁加工、有色金属加工和非金属加工，同时也适用于各种钢材与耐热合金的加工等。从各种机夹可转位刀具和焊接刀具，到各种尺寸较小的整体复杂刀具，例如整体式立铣刀、钻头、铰刀、丝锥、复合孔加工刀具和齿轮滚刀等都可以用硬质合金制造。硬质合金刀具（尤其是可转位硬质合金刀具）是数控刀具的主导产品，在某些国家有超过55％的铣刀和90％的车刀全都是硬质合金制造的，并且，比例还处于上升趋势。自从上世纪80年代以来，工具行业不断扩大，各种各样的整体式和可转位式硬质合金刀具或者刀片的品种已经扩展到各种切削刀具领域，其中可转位硬质合金刀具已经从简单的车刀、面铣刀发展成各种精密、复杂、成形刀具。钻头、面铣刀等通用刀具的常用材料也是硬质合金。与此同时，硬质合金在铰刀、立铣刀、加工硬齿轮的中、大模数齿轮刀具、拉刀等复杂刀具中的应用也日益增多。目前，切削刀具年总产值的30％以上都是硬质合金刀具和刀片。