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技術(shù)中心 Technology

刀具涂層技術(shù)分析
發(fā)布時(shí)間:2014-10-15 瀏覽:4019 次

  涂層刀具是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼(HSS)基體表面上,利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物(也可涂覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上)而獲得的。

  涂層作為一個(gè)化學(xué)屏障和熱屏障,減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng),從而減少了月牙槽磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性,切削時(shí)可比未涂層刀具提高刀具壽命3~5倍以上,提高切削速度20%~70%,提高加工精度0.5~1級(jí),降低刀具消耗費(fèi)用20%~50%。

  因此,涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標(biāo)志,在刀具中的使用比例已超過50%。目前,切削加工中使用的各種刀具,包括車刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來提高它們的使用性能。

  涂層刀具有四種:涂層高速鋼刀具,涂層硬質(zhì)合金刀具,以及在陶瓷和超硬材料(金剛石或立方氮化硼)刀片上的涂層刀具。但以前兩種涂層刀具使用最多。

  在陶瓷和超硬材料刀片上的涂層是硬度較基體低的材料,目的是為了提高刀片表面的斷裂韌度(可提高10%以上),可減少刀片的崩刃及破損,擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

  目前生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種:物理氣相沉積(PVD) 法和化學(xué)氣相沉積(CVD) 法。前者沉積溫度為500℃,涂層厚度為2~5?m;后者的沉積溫度為900℃~1100℃,涂層厚度可達(dá)5~10?m,并且設(shè)備簡單,涂層均勻。

  因PVD法未超過高速鋼本身的回火溫度,故高速鋼刀具一般采用PVD法,硬質(zhì)合金大多采用CVD法。硬質(zhì)合金用CVD法涂層時(shí),由于其沉積溫度高,故涂層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層(η相),導(dǎo)致刀片脆性破裂。

  近十幾年來,隨著涂覆技術(shù)的進(jìn)步,硬質(zhì)合金也可采用PVD法。

  國外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù),開發(fā)了復(fù)合的涂層工藝,稱為PACVD法(等離子體化學(xué)氣相沉積法)。

  即利用等離子體來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),可把涂覆溫度降至400℃以下(目前涂覆溫度已可降至180℃~200℃),使硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散、相變或交換反應(yīng),可保持刀片原有的韌性。

  據(jù)報(bào)道,這種方法對(duì)涂覆金剛石和立方氮化硼(CBN)超硬涂層特別有效。

  用CVD法涂層時(shí),切削刃需預(yù)先進(jìn)行鈍化處理(鈍圓半徑一般為0.02~0.08mm,切削刃強(qiáng)度隨鈍圓半徑增大而提高),故刃口沒有未涂層刀片鋒利。所以,對(duì)精加工產(chǎn)生薄切屑、要求切削刃鋒利的刀具應(yīng)采用PVD法。

  涂層除可涂覆在普通切削刀片上外,還可涂覆到整體刀具上,目前已發(fā)展到涂覆在焊的硬質(zhì)合金刀具上。

  據(jù)報(bào)道,國外某公司在焊接式的硬質(zhì)合金鉆頭上采用了PCVD法,結(jié)果使加工鋼料時(shí)的鉆頭壽命比高速鋼鉆頭長10倍,效率提高5倍。

  各種新型涂層

  涂 層 顏 色 硬 度HV 厚 度?m 摩擦系數(shù) 最高使用溫度℃ 說 明

  ZrCN復(fù)合 蘭灰 2500 1-4 0.3 550 通用性強(qiáng)

  TiN單層 金黃 2300 1-4 0.4 500 高性價(jià)比涂層

  TiAlN復(fù)合 紫色 3200 1-4 0.5 800 通用性強(qiáng)

  AlTiN復(fù)合 黑 3400 1-4 0.5 900 高速、高硬度加工

  TiAlCrN 亞黑 3500 1-4 0.6 1000 特殊加工領(lǐng)域& ^9 b' d d5 G6 I' o

  TiCN漸層 灰黑 3000 1-4 0.4 400 高韌性通用涂層8 N, k0 J& Y$ Q2 d

  CrN漸層 銀亮 2000 3-15 0.5 700 適用加工銅、鈦、模具

  DLC 黑彩 1000~4000 0.5-2 0.05 400 適用于有色金屬、石墨、塑膠

  涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低,以及與基體附著牢固等要求。顯然,單一的涂層材料很難滿足上述各項(xiàng)要求。所以硬質(zhì)涂層材料已由最初只能涂單一的TiC、TiN、Al2O3,進(jìn)入到開發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段。

  新開發(fā)的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多層涂層與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復(fù)合,加上新型的抗塑性變形基體,在改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、提高涂層耐磨性方面有了重大進(jìn)展。目前,又突破了在硬質(zhì)合金基體上涂覆金剛石薄膜技術(shù),全面提高了刀具的性能。

  工藝最成熟和應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)涂層材料是TiN,但TiN與基體結(jié)合強(qiáng)度不及TiC涂層,涂層易剝落,且硬度也不如TiC高,在切削溫度較高時(shí)膜層易氧化而被燒蝕。TiC涂層有較高的硬度與耐磨性,抗氧化性也好,但其性脆,不耐沖擊。

  TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優(yōu)點(diǎn),它在涂覆過程中可通過連續(xù)改變C、N的成份控制TiCN性質(zhì),并形成不同成份的多層結(jié)構(gòu),可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力,提高韌性,增加涂層的厚度,阻止裂紋的擴(kuò)展,減少崩刃。

  所以,目前生產(chǎn)的一些刀片,如瑞典Sandvik公司推薦用于加工鋼料的GC4000系列刀片、中國株洲硬質(zhì)合金廠生產(chǎn)的CN系列刀片、日本東芝公司的T715X和T725X涂層刀片中均有TiCN涂層成份。TiCN基涂層適于加工普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵等材料,用它加工工件時(shí)的材料切除率可提高2~3倍。

  TiAlN、CrN、TiAlCrN是近幾年來開發(fā)的硬質(zhì)涂層新材料。TiAlN涂層刀片已商品化。它的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化磨損性能好,用其加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳合金時(shí)的刀具壽命可比TiN涂層高3~4倍。此外,TiAlN涂層中如果有合適的鋁濃度,切削時(shí)在刀具前刀面和切屑的界面上還會(huì)產(chǎn)生一層硬質(zhì)的惰性保護(hù)膜,該膜有較好的隔熱性,可更有效地用于高速切削。例如,美國Kennametal公司推出的H7刀片,系TiAlN涂層,是專為高速銑削合金鋼、高合金鋼和不銹鋼等高性能材料而設(shè)計(jì)的。CrN是一種無鈦涂層,適于切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料,化學(xué)穩(wěn)定性好,不產(chǎn)生粘屑。TiAlCrN是一種梯度結(jié)構(gòu)涂層,不僅具有高的韌性和硬度,而且摩擦因數(shù)也較小,適用于銑刀、滾刀、絲錐等多種刀具,切削性能明顯優(yōu)于TiN。

  德國某公司開發(fā)了Supernitride涂層系列,其中超級(jí)氮化鈦涂層有很高的含鋁量,可形成穩(wěn)定的氧化層(氧化溫度達(dá)1000℃),它比一般的TiAlN涂層更硬、更致密、更耐高溫,適用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具,可加工硬度高達(dá)58HRC以上的淬火鋼。

  此外,納米超薄膜涂層工藝已日趨成熟。據(jù)報(bào)道,日本某公司推出了一種高速強(qiáng)力型鉆頭,它是在韌性好的K類(WC+Co)硬質(zhì)合金基體上交互涂覆了1,000層TiN和AlN超薄膜涂層,涂層厚度約2.5?m。

  使用表明,該鉆頭的抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性可大幅度提高,其硬度則與CBN相當(dāng),刀具壽命可提高2倍左右。該公司還開發(fā)出ZX涂層立銑刀,超薄膜鍍層數(shù)達(dá)2,000層,每層厚度約1nm,用該立銑刀加工60HRC的高硬度材料,刀具壽命遠(yuǎn)高于TiCN和TiAlN涂層刀具。第八屆中國國際機(jī)床展覽會(huì)(CIMT2003)上,瑞士某公司推出的納米結(jié)構(gòu)涂層(AITiN/SiN) 立銑刀,其涂層硬度為45GPa,氧化溫度1100℃,切削對(duì)比試驗(yàn)表明,其壽命比TiN涂層立銑刀高3倍,比TiAlCN涂層立銑刀高2倍。

  除上述AITiN/SiN、TiAlCN新涂層外,還有特定功能的涂層,如MoS2、DLC潤滑涂層,其摩擦因數(shù)小(0.05),適于涂覆絲錐、鉆頭等刀具,可改善排屑性能,或者作為復(fù)合涂層的表面涂層,減少切屑的粘結(jié)。

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