科创中国

行业领域

新材料技术

需求背景

(1) 螺纹连接是机械产品连接主要方式之一。丝锥是内螺纹孔加工的主要刀具。目前，国内丝锥受控于日本OSG、美国肯纳、瑞典沙特维克等外资企业，且国内企业生产丝锥质量参差不齐。丝锥涂层技术是影响丝锥性能的主要因素之一。基于丝锥加工失效机理分析，探索丝锥刃口质量与涂层成分/组织结构对丝锥加工H13钢(41HRC)螺纹孔质量的影响规律，发现相比于无涂层丝锥和OSG的TiN丝锥，研制的AlCrN涂层丝锥服役寿命提高约6倍和50%，提升效果显著；

(2) 石墨和碳纤维复合材料已经被广泛用于航天航空和国防军工等行业，但这些材料加工时刀具磨损严重，加工质量差，属于典型难加工脆性材料。目前，这些典型难加工产品切削刀具主要依赖进口，属于典型“卡脖子”技术。氮化硅陶瓷硬度和抗弯强度高、耐磨，在难加工脆性材料切削刀具上具有巨大的应用前景。然而，氮化硅陶瓷刀具加工时磨损严重，加工质量差，因而需在其表面沉积金刚石涂层，但金刚石沉积效率低，且金刚石涂层与基体结合力较差。基于此，提出激光辅助制造技术，显著提高金刚石形核与生长速率，金属SP3键含量和结合力得到大幅度提高，刀具服役寿命高于市场主流的金刚石硬质合金涂层刀具；相比于陶瓷刀具，金刚石涂层刀具的服役寿命提高至少5倍。

(3) 金刚石涂层具有优异的导热性和耐磨性，已经被广泛用于切削刀具防护。但其沉积时需进行酸碱脱钴处理，不但污染环境，且质量难以精确控制。基于此，提出利用DLC晶种层技术，即：利用PVD技术在刀具表面沉积DLC晶种层，利用其SP3键为金刚石涂层生产提供外延形核质点，大幅提高形核率和涂层与基体结合力。此外，DLC层能有效阻碍Co向金刚石层的扩散，提高金刚石层中SP3键含量。相比于传统的金刚石涂层制备方法，DLC晶种层无需酸碱脱Co工艺，且金刚石生长速率提高约1倍。相比于市场主流的金刚石制造技术，DLC晶种层技术的钻头服役寿命提高约48%。

需解决的主要技术难题

1. 涂层容易剥落：涂层与基体材料之间的结合强度是影响涂层刀具寿命的关键因素。由于涂层材料与基体材料的性质差异较大，加上涂层工艺的不完善，导致涂层容易剥落，从而影响刀具的使用寿命。
2. 涂层质量不稳定：涂层的成分、结构、致密性、结合强度以及均匀性等方面的质量不稳定，会直接影响刀具的切削性能和寿命。例如，TiAlN涂层在这些方面尚不成熟，可能导致刀具整体寿命和综合切削加工性能的下降。
3. 涂层技术缺乏自主创新：尽管近年来我国刀具涂层技术有了多元性发展，但与工业发达国家相比仍有很大差距。高端设备几乎完全依赖国外引进，缺乏自主创新，导致在涂层工艺上难以有突破。

期望实现的主要技术目标

1. 提高涂层与基体的结合强度：通过优化涂层材料和基体材料的匹配、改进涂层工艺等方法，提高涂层与基体之间的结合强度，减少涂层的剥落现象，延长刀具的使用寿命。
2. 提升涂层质量稳定性：加强对涂层成分、结构、致密性、结合强度以及均匀性等方面的控制和研究，提高涂层的质量稳定性，确保刀具的切削性能和寿命的稳定可靠。
3. 加强自主创新和技术研发：加大对涂层刀具技术的研发投入，培养专业人才，提升自主创新能力。通过自主研发新技术、新工艺和新设备，打破国外技术垄断，推动我国涂层刀具技术的快速发展。
4. 实现涂层刀具的多样化和定制化：根据不同加工需求和工件材料的特点，开发具有不同性能特点的涂层刀具。同时，提供定制化服务，满足客户的个性化需求。

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