涂层技术的发展及应用

目录

摘 要: ....................................................................................................................................................... 2

Abstract : . ..................................................................................................................................................... 2

1. 绪 论 .................................................................................................................................................. 3

2. 涂层技术的发展及现状 ........................................................................................................................ 3

2.1 CVD 技术的发展 ......................................................................................................................... 3

2.2 PVD 技术的发展 ......................................................................................................................... 4

2.3 我国涂层技术的发展及现状 ........................................................................................................ 5

3. 切削刀具涂层技术研究进展................................................................................................................. 6

3.1 多元涂层 ........................................................................................................................................ 6

3.2 多层涂层 ........................................................................................................................................ 6

3.3 纳米涂层 ........................................................................................................................................ 7

3.4 超硬材料涂层 ................................................................................................................................ 8

4. 涂层刀具在金属切削加工中的应用 . .................................................................................................... 8

4.1. 初期试验阶段 ............................................................................................................................... 9

4.2 试验总结分析 .............................................................................................................................. 11

4.3 成本改善及创效分析 .................................................................................................................. 12

参考文献 ..................................................................................................................................................... 13

刀具涂层技术在机械加工中的应用

赵 剑

(中国第一拖拉机股份有限公司齿轮厂工装部)

摘 要:

切削刀具表面涂层技术是应机械加工性能需求发展起来的材料表面改进性技术。涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命,降低刀具消耗,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高经济效益和机械加工效率。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求,尤其是机械传动行业,世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。

关键词:涂层技术,切削刀具,PVD ,机械性能,经济效益。

Abstract :

Surface coating technology for cutting tool is an improving technology with the demand of maching property development. Coating technology can effectively improve the service life of tool , reduce the tool consumption and make the tool getting excellent comprehensive mechanical properties. Thus , it can improve economic returns and working effiency. In order to satisfy the requirements for high efficiency, high precision and high reliability, especially in the mechanical drive industry. Every country of manufacturing industy in the world should pay more attention to the development of coating technology and application in the tooling manufacturing

Keywords: Coating Technology,Cutting Tool,PVD ,Mechanical properties,Economic benefit。

1. 绪 论

切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改进性技术。涂层刀具比未涂层刀具具有高速、高效、高精度、高质量、低成本及长寿命的优点,使刀具获得优良的综合机械性能,从而大幅度提高机械加工效率。可以说,涂层刀具的出现是刀具材料发展的一次革命,因为它解决了刀具强度和韧性之间的矛盾。因此,涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求,世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视,并有了长足的发展,为刀具切削性能的提高开创了新的历史篇章。

我国的刀具涂层技术经过多年发展,目前正处于关键时期,即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求,而国内各大工具厂的涂层技术也远落后于世界其他国家,到了必须更新换代的时期。因此,充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势,瞄准国际涂层技术先进水平,有计划、按步骤地发展刀具涂层技术(尤其是PVD 技术),对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

2. 涂层技术的发展及现状

刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积(CVD )技术和物理气相沉积(PVD )技术两大类,分别评述如下。

2.1 CVD 技术的发展

二十世纪六十年代以来,CVD 技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。由于CVD 工艺气相沉积所需金属源的制备相对容易,可实现TiN 、TiC 、TiCN 、TiBN 、TiB 2、AL 2O 3等单层及多元多层复合涂层的沉积,涂层与基体结合强度较高,薄膜厚度可达7-9

μm ,因此到八十年代中后期,美国已有85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理,其中CVD 涂层占到99%;到九十年代中期,CVD 涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占

80%以上。尽管CVD 涂层具有很好的耐磨性,但CVD 工艺亦有其先天缺陷:一是工艺处理温度高,易造成刀具材料抗弯强度下降;二是薄膜内部呈拉应力状态,易导致刀具使用时产生微裂纹;三是CVD 工艺排放的废气、废液会造成较大环

境污染。因此自九十年代中期以来,高温CVD 技术的发展和应

用受到一定制约。九十年代中后期,中温化学气相沉积(MT

—CVD )技术的出现使CVD 技术发生了革命性变革。采用MT —

CVD 技术可获得致密纤维状结晶形态的涂层,涂层厚度可8—

10μm ,(新型MT —CVD 涂层的剖面结构见图1)。这种涂层结

构具有极高的耐磨性、抗热震性及韧性,并可通过高温化学气相沉积工艺在刀片表面沉积AL2O3等抗高温氧化性能好、与被加工材料亲和力小、自润滑性能好的材料。MT —CVD 涂层刀片适于在高速、高温、大负荷、干式切削条件下使用,其寿命可比普通涂层刀片提高一倍左右。 图1

2.2 PVD 技术的发展

PVD 技术出现于二十世纪七十年代末,由于其工艺处理温度可控制在500°以下,因此可作为最终处理工艺用于高速钢类刀具的涂层。由于采用PVD 工艺可大幅度提高高速钢刀具的切削性能,所以该技术得到了迅速推广,至八十年代末,工业发达国家高速钢复杂刀具的PVD 涂层比例已超过60%。研究结果表明:与CVD 工艺相比,PVD 工艺处理温度低,在600°以下时对刀具材料的抗弯强度无影响(试验结果见表1);

表1 不同温度下PVD 涂层对硬质合金材料抗弯强度的影响

随着高速切削加工时代的到来,高速钢刀具应用比例逐渐下降、硬质合金刀具和陶瓷刀具应用比例上升已成必然趋势,因此,工业发达国家自九十年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD 涂层技术的研究,至九十年代中期取得了突破性进展,PVD 涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。

经过几十年的研究和开发,各种刀具涂层工艺已广泛应用于硬质合金和高速钢切削

刀具。涂层工艺的主要发展阶段及应用领域见表2。

表2 主要涂层工艺发展时段及应用领域

2.3 我国涂层技术的发展及现状

我国从二十世纪七十年代初开始研究CVD 涂层技术,由于该项技术专用性较强,国内从事研究的单位并不多,导致在随后的十多年里发展较为缓慢。到八十年代初期,我国开始致力于PVD 涂层技术的研究,至八十年代中期研制成功中小型空心阴极离子镀膜机,并开发了高速钢刀具TiN 涂层工艺技术。在此期间,国内先后有七家大型工具厂从国外引进了大型PVD 涂层设备(均以高速钢TiN 涂层工艺为主)。技术及设备的引进调动了国内PVD 技术的开发热潮,许多科研单位和各大真空设备厂纷纷展开了大型离子镀膜机的研制工作,并于九十年代初开发出多种PVD 涂层设备。但由于多数设备性能指标不

高,无法保证刀具涂层质量,同时预期的市场效益未能实现,因此大多数企业未对PVD 刀具涂层技术作进一步深入研究,导致国内PVD 刀具涂层技术的发展徘徊不前。尽管九十年代末国内成功开发出多元复合涂层工艺技术并达到实用水平,CN X 涂层技术的研发

也有重大突破,但与国际发展水平相比,我国的刀具PVD 涂层技术仍落后十年左右。目前国外刀具PVD 涂层技术已发展到第四代,而国内尚处于第二代水平,且仍以单层TiN 涂层为主。

3. 切削刀具涂层技术研究进展

由于单涂层其性脆,不耐冲击,结合力较弱等缺点,所以无法满足现代加工的要求。随着科技的发展,多元涂层和多层涂层相继出现,较好的弥补了单涂层的不足。

3.1 多元涂层

单涂层刀具由于基材与涂层两者的硬度,弹性模量及热膨胀系数相差较远,晶格类型也不尽相同,导致残余应力增加,结合力较弱。在单涂层中加入新的元素(如加入Cr 和Y 提高抗氧化性,加入Zr 、V 、B 和Hf 提高抗磨损性,加入Si 提高硬度和抗化学扩散) 制备出多元的刀具涂层材料,大大提高了刀具的综合性能。最常用的多元刀具涂层是TiCN 、TiA1N 涂层。TiCN 涂层兼有TiC 和TiN 涂层的良好韧性和硬度,它在涂覆过程中可通过连续改变C 和N 的成份来控TiCN 的性质,降低涂层的内应力,提高韧性,增加涂层厚度,阻止裂纹扩展,减少崩刃。

近年来,以TiCN 为基的四元成分新涂层材料(如TiZrCN 、TiAlCN 、TiSiCN 等) 也纷纷出现。TiA1N 涂层材料是目前应用最广泛的高速硬质合金刀具涂层之一,TiA1N 有很高的高温硬度和优良的抗氧化能力,抗氧化温度为800℃,在高速加工中表面会产生一层非晶态A12O 3薄膜,对涂层起保护作用。目前人们将研究重点放在对TiA1N 涂层的改进上,

以满足应用领域对诸如抗氧化性能、热稳定性能及热硬度等需求的不断提高。

3.2 多层涂层

随着涂层技术的发展,单层多元涂层也逐渐被多层的复合涂层所取代。根据不同涂层材料的性能和切削条件,涂覆不同的涂层组合,以发挥各种涂层的优越性能。TiC /TiN 双层涂层兼有TiC 涂层的高硬度和高耐磨性,并有TiN 涂层良好的化学稳定性和高抗

月牙洼磨损性能。由于TiC 的热膨胀系数比TiN 更接近基体,涂层的残余应力较小,与基体结合牢固,所以常用作多层涂层的底层。其它的双层涂层有TiN /CBN 、Al 203/CBN 、

TiC /TiBN 及Al 203/Ti 2O 3等。

三层涂层的组合方式很多,例如TiC /TiCN /TiN 、TiC /TiCN /Ti 2O 3、TiC /TiN /

Al 203、TiC /Al 203/TiN 等,都是利用各个单涂层的优点根据不同的切削条件组合而成的。

最常见是TiC /TiCN /TiN 涂层,这种涂层与TiC /TiN 涂层相同,切削性能优于单层TiC 和TiN 涂层。大多数刀具涂层厂家都有这种组合方式的涂层牌号,如美国Carmet 公司的CA9443、CA9721;Kennametal 公司的KC210、KC250等。

在TiC /TiCN /TiN 涂层组合中再加入Al 203涂层,成为更现代化的涂层。如瑞典

Sandvik Coromant公司在CIMT2005上新的GC2015牌号刀具是具有TiCN —TiN /Al 203/TiN结构的复合涂层,其中底层的TiCN 与基体的结合强度高,并有良好的耐磨性。TiN /Al 203的多层结构既耐磨又能抑制裂缝的扩展,表面的TiN 具有较好的化学稳定性,又易于观察刀具的磨损。瑞典Seco 刀具公司应用新的MT-CVD 生产的TP3000刀片涂层内层的TiCN 与基体有较强的结合力和强度,中间的Al 203作为一种有效的热屏障可允许有更高的切削

速度,外层的TiCN 保证抗前刀面和后刀面磨损能力,最外一薄层金黄色的TiN 使得容易辨别刀片的磨损状态。

3.3 纳米涂层

纳米涂层主要有两种:钠米多层结构和纳米复合结构。

纳米多层涂层的结构主要有三种方式:

(1)金属氮化物纳米层与金属A1N 纳米层交替徐覆;

(2)金属AlN 纳米层与金属AlCN 纳米层交替涂覆;

(3)金属氮化物纳米层与金属AlN 纳米层及金属AlCN 纳米层交替涂覆。

例如日本住友公司开发的ZX 涂层是一种TiN 与A1N 交替的纳米多层涂层,层数可达2000层,每层厚度约为1nm 。这种新涂层与基体结合强度高,涂层硬度接近CBN ,抗氧化性能好,抗剥离性强,而且可显著改善刀具表面粗糙度,其寿命是TiN 、TiAlN 涂层的2~3倍。Balzers 公司开发并已被应用的FUTUNA NANO 和FUTUNA TOP 是两种TiAlN 纳米结构涂层,涂层硬度平均为HV3300,开始氧化温度为900℃。

3.4 超硬材料涂层

金刚石涂层是新型刀具涂层材料之一。它利用低压化学气相沉积技术在硬质合金基体上生长出一层由多晶组成的金刚石膜,用其加工硅铝合金和铜合金等有色金属、玻璃纤维等工程材料及硬质合金等材料,刀具寿命是普通硬质合金刀具的50~100倍。通过改进涂层方法和涂层的粘结,已生产出金刚石涂层刀具,并在工业上得到了应用。此法所成的金刚石涂层与基体之间产生真正的冶金结合,涂层强度高,可防止涂层脱落、龟裂和裂纹等缺陷。近年来,美国、日本和瑞典等国家都已相继推出了金刚石涂层的丝锥、铰刀、铣刀。

CBN 是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬材料,它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性外,同时还具有一些优于金刚石的特性。CBN 对于铁、钢和氧化环境具有化学惰性,在氧化时形成一薄层氧化硼,此氧化物为涂层提供了化学稳定性,因此它在加工硬的铁材、灰铸铁时耐热性也极为优良,在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、淬火钢、钛合金等,并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的硅铝合金等难加工材料。

4. 涂层刀具在金属切削加工中的应用

TiC 和TiN 是最早出现的刀具涂层材料, 也是目前国内外应用较多的涂层。TiC 涂层硬度高(达H V 2 5 0 0 ~ 4 2 0 0 ),具有较高的抗机械磨损和抗磨料磨损性能,与未涂层刀具相比,有较低的摩擦系数,较小的切削力和较低的切削温度,具有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力,应用温度500℃。TiN 涂层是工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料,其突出优点是摩擦系数小,应用温度达到600℃,适于加工钢材或切削易于粘在前刀面上的材料,是目前应用最为广泛的一种涂层材料。我厂广泛应用的就是TiN 涂层。

在2008年以前,除进口刀具以外,我厂几乎没有应用过涂层刀具,起步相对较晚。由于近两年来我厂产品市场需求的扩大和加工能力的提高,现有的高速钢刀具无法满足加工的需求。到2008年,我厂开始把目光放到涂层技术上来,由于其优异的加工性能,很快得到了我们的认可。前期我们曾与Balzers 、金帝诚和天威赛利等公司合作,但是由于当时涂层价格高、生产周期长、运输不便等原因,未能长期合作。期间采购的哈一工的刀具偶尔带有TiN 涂层,其涂层采用普维特的技术,耐用度及加工性能不错。但是

由于哈一工并不是我厂唯一供应商,所以不利于涂层的推广。后来寻找到西安宇杰有限公司,由于其低廉的价格和便捷的运输途径,使得我们一直合作到现在。下面主要叙述TiN 涂层技术在我厂的试验推广应用过程。

4.1. 初期试验阶段

最初进行涂层试验时,对车间使用量大的滚刀、插齿刀等复杂刀具,根据其唯一性编号进行跟踪,深入生产现场对涂层前后的切削性能对比,从上线使用、刃磨直至报废,安排技术人员跟踪使用情况,随时了解切削过程中刀具磨损状态,分析磨损原因,写出总结报告并反馈涂层厂家,依据我厂涂层刀具切削数据和实际工艺状况,先后两次调整改进涂层工艺(第一次跟踪使用情况个别有涂层剥落现象,刀具耐用度低于涂层厂家推荐值,后对涂层工艺进行改进,再次应用于生产现场,但其耐用度仍未达到推荐值,又二次对涂层工艺进行调整,再进行切削试验),逐步提高了刀具使用寿命。

以下为第一次跟踪试验数据记录及结论:

插齿刀:

所加工零件参数:Z=17,α=20°,M3.25,齿全高7.5mm ,齿宽26mm ,公法线尺寸25.89(跨3个齿)。零件材料为20CrMnTi 。机床调整参数:圆周进给量0.12mm /每冲程, S200*110%次/分钟(110%是机床倍率,下同),F29*120%。

未使用涂层刀具时,刃磨一次大约加工零件84件。使用刃磨一次后的涂层刀具,刃磨一次平均加工零件165件,耐用度提高一倍。(注:此结果为涂层后平均加工量,并非涂层后第一次使用情况)。

滚刀:

1、普通滚刀c091-0028 所加工零件5118912参数:Z=21,α=20°,M2.75。齿宽23.5mm ,齿厚6.5mm ,公法线尺寸22.02(跨3齿)。零件材料为20CrMnTi 。机床调整参数:S=100r/min ,切削速度25m /min ,每分钟进刀量4.76mm ,一次两件同时加工。

未使用涂层刀具时,每刃磨一次加工130件。使用涂层刀具时,涂层后第一次使用,可加工360件,约是原来加工件数的3倍,耐用度提高将近两倍。前刀面刃磨后,平均加工210件,耐用度明显下降,但相对于未涂层的刀具,耐用度仍有61.5%的提高。

2、花键滚刀 所加工零件参数:Z=42,M1.25,α=30°,花键大径φ54.4mm ,底径φ50mm ,有效长度51mm 。零件材料为40CrMo 。机床参数:切削速度23.6m /min ,进刀量(0.98)/2. 9,转数125 r/min 。

未使用涂层刀具时,每刃磨一次加工20件。使用涂层刀具时,涂层后第一次使用,加工零件数可达到40件,是原来加工件数的2倍,耐用度提高1倍。前刀面刃磨后,平均加工30件,耐用度明显下降,但相对于未涂层的刀具,耐用度仍有50%的提高。

注:此次跟踪刀具均有后刀面涂层磨损、剥落情况。

由于涂层有剥落现象,对涂层工艺进行了改进后,进行了第二次跟踪试验,以下为试验记录及分析:

此次主要对数控用插齿刀进行了跟踪统计,刀具涂层后,耐用度有明显提高,尤其是涂层后第一次使用。但是刃磨后耐用度逐渐降低,下面以两种插齿刀为例,来具体说明使用情况。

1、刀具参数:M2.5,α30°,Z=15,涂层材料TiN 。

零件参数:Z=35,M2.5,α30°,齿全高H=3.045,大径φ91.25 0+0.35,小径φ85.16 0+0.35,分度圆φ87.5,齿端M=80.800+0.1,dP=φ4.5;零件材料为20CrMnTi ,硬度HB170~~210。

机床调整参数:冲程500次/min,圆周进给量0.55mm/冲程,径向进给量0.1mm/冲程。

刀具涂层后第一次使用,现已加工771件,刃口处有明显的磨损痕迹,部分齿后刀

面涂层有剥落痕迹,但刀具未达到规定刃磨标准,根据现场加工情况,预计可再加工300~~350件,即可加工1100件后进行第一次刃磨。同等加工条件下,未涂层刀具平均加工400件左右前刀面就要进行刃磨。可以看到,涂层后刀具的耐用度为原来的2.75倍,即耐用度提高175%。

2、刀具参数:M2,α=20°,Z=12,涂层材料TiN 。

零件参数:Z=28,α=20°,M2,齿全高H=2.5mm。零件材料为20CrMnTi 。硬度HB170~~210。

调整参数:圆周进给量0.55mm /每冲程,径向进给量0.1mm/每冲程,冲程500次/min。

根据现场具体使用情况,使用未涂层刀具,每刃磨一次平均加工零件430件。使用涂层刀具后,第一次使用加工1351件,但是刀具超磨严重,若正常使用,可加工1300件左右(后50件为剧烈磨损阶段,导致超磨)。刃磨一次后,加工零件849件,刀具未超磨,但磨损较大,部分齿后刀面涂层有磨损痕迹。可以看到,涂层后第一次使用刀具的耐用度为原来的3.02倍,即耐用度提高202%。但是刃磨后,刀具耐用度下降较大,但仍可提高88.67%。

总结:数控用插齿刀在涂层后,刀具的耐用度有很大提高,提高为原来的3倍上下,但是刃磨后耐用度下降很明显,若将刃磨后刀具进行重涂,可解决此问题。

4.2 试验总结分析

现将我部技术人员跟踪调查不同车间加工的三个不同零件使用的插齿刀、滚刀进行涂层(TiN )前后对比,主要对比切制件单件齿轮的刀具消耗和刀具使用寿命。

结 果 分 析:

从以上实验数据表中可以看出,在相同的切削条件下,涂层刀具的使用寿命比未

涂层刀具提高40%~88.28%。特别是涂后第一次使用,能提高到原来的100%~300%倍。其中M2.5 α30°插齿刀效果更明显,刀具耐用度(平均)提高300%。第一次刃磨后 (当刀具使用到规定的磨损值后,刀具失去其锋利的切削性能,需进行刃磨,将磨损部位修磨掉后,再进行切削,这时前刀面上涂层被磨掉) ,前刀面涂层被磨掉,后刀面尚保留涂层,刀具寿命较首次涂层刀具有明显下降,但仍比未涂层刀具性能好,寿命仍提高30%~70%。涂层刀具磨损量由原1.2~1.5左右降低到0.8左右,由于磨损量小刀具刃磨次数也增加25%左右。总体来看涂层刀具寿命平均增加了57.2%左右。

4.3 成本改善及创效分析

2009年全年涂层刀具上千余件,其中滚刀530件,插齿刀110件,丝锥206件,三面刃铣刀35件,机夹刀片数百片,涂层后寿命平均提高57.2%。

2009年涂层刀具为我厂节约刀具费用支出为:

568980.6(原刀具价值)X57.2%-54149.6(涂层费用)=271307.3元 2010年上半年涂层刀具节约费用支出为: 224837.9×57.2%-20318.8=108288.48元

刀具涂层技术的应用,提高的不光是经济效益,生产效率也有很大的提高,尤其是数控机床,其切削效率最大可提高2—3倍。大大提高了我厂的生产效率和产品质量,而且应用在普通机床上,可节约换刀和刃磨时间,提高了机械加工时间,提高了工人的加工效率。

参考文献

【1】 赵广彬。硬质合金精密复杂成形刀具复合涂层成套技术的研究开发。“九五”国家重点科技

攻关项目验收资料(附件10),2000 。

【2】 吴大维。氮化碳超硬涂层材料在高速钢刀具上的应用。工具技术,2000年增刊

【3】 邹新希。我国TiN 涂层精密麻花钻的质量水平。全国刀具标准化情报网网刊,1989(2)。 【4】 赵海波。国内外切削刀具涂层技术发展综述。工具技术,2002年第36卷No.2。 【5】 吴大维。中国机械工程第11卷第5期2000年5月。 【6】 模具工程2008年第9期(总第90期)。


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