开辟物理涂层的新空间
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与CVD相比,PVD正越来越受到重视,这种在上世纪80年代开发的涂层工艺扩大了薄涂层的应用范围,其优点是涂层工艺温度明显降低,减少了温度对涂层基体性能的影响,避免了基体强度降低。
无论是制造汽车、飞机还是发电机,都在大量使用新的工程材料。这些材料的优点是重量轻、强度高,从而允许减薄零件的壁厚,但它们的缺点是切削加工性较差。
零件的表面改性处理,如钢件表面的淬硬处理(如渗氮)已有很长的历史,而硬质材料涂层新工艺的开发,为现代高效加工领域带来了重大技术突破。
与化学涂层工艺(CVD)相比,物理涂层工艺(PVD)正越来越受到重视,这种在上世纪80年代开发的涂层工艺扩大了薄涂层的应用范围,其优点是涂层工艺温度明显降低(最高涂层温度为600℃),减少了温度对涂层基体性能的影响,避免了基体强度降低。另一方面,采用CVD涂层前,刀具刃口需要倒圆,而PVD涂层刀具的刃口可以不倒圆,因此,PVD涂层刀具有较锋利的刃口。此外,与CVD涂层中形成的典型拉应力相比,PVD涂层中产生的压应力更有利于抵抗裂纹的产生。
总的来说,PVD涂层比CVD涂层应用范围更广泛,因为整体硬质合金刀具和高速钢刀具都可以使用PVD涂层,例如,德国图宾根市瓦尔特(Walter)公司旗下的两个专业化刀具品牌——Walter Titex和Walter Prototyp——都使用PVD工艺来处理其孔加工刀具、铣削刀具和螺纹刀具。

PVD工艺流程的优化

流行的PVD涂层工艺是通过电弧放电,把原子从作为阴极的Ti靶或TiAl靶上分离出来,然后沉积在刀具表面上形成涂层。这种方法最早被应用于氮化物涂层。为了获得光滑的涂层表面,开始使用反应磁控溅射工艺,即在涂层反应室内生成氩气的等离子体,在电场的作用下,其中的离子朝着靶子方向加速运动,将金属原子从靶子上溅射出来,然后沉积在刀具表面上。这里的关键是要正确控制工艺流程,使最后在刀具表面上生长出结晶的而不是非晶形的涂层。
PVD的氮化物涂层(如TiN、TiCN或TiAlN)的主要缺点是,它们的耐热性明显低于CVD的Al2O3涂层,在使用时很难承受高的切削温度,从而限制了其使用范围。由于前刀面主要处于摩擦和化学磨损过程中,会导致月牙洼磨损、氧化磨损或塑性变形,因此普通的PVD涂层几乎不可能承受这种磨损。因此,开发新涂层的目标设定为:将CVD涂层的优点移植到PVD涂层中来。于是,合乎逻辑的结论就是,开发PVD的Al2O3涂层。

PVD-Tiger涂层结合了CVD和PVD涂层的优点

正是Walter公司率先向市场推出了PVD的Al2O3涂层。“PVD-Tiger”涂层也是在高温下生成的,从而扩大了该PVD涂层的应用领域。新涂层之所以能投入市场,是因为采用了全新的工艺,它是在反应磁控溅射工艺的基础上,与涂层设备制造商豪泽(Hauzer)公司共同开发的。

图1 PVD-Tiger涂层刀片
PVD-Tiger是一种复合涂层,其主要涂层种类是TiAlN和Al2O3。为了能方便地识别刀具磨损痕迹,在刀具表面涂覆了一层淡黄色的氮化锆(ZrN)。通过涂层后处理(喷射处理),去除刀片前刀面上的ZrN涂层,露出黑色的Al2O3涂层,它与后刀面上黄色的ZrN涂层形成很大的反差。这种处理的优点是,能提高切削刃和前刀面的光滑程度,降低摩擦力,并使这种具有两种颜色的涂层刀片成为PVD-Tiger刀片的主要特征(见图1)。Walter公司推出了“Tiger.tec”系列刀片牌号,使切削加工水平达到了前所未有的高度。这种创新的高科技刀具材料将CVD和PVD的优点综合在一起:高的耐热性和出色的韧性。

Al2O3涂层良好的耐热性扩大了应用领域

与普通氮化物涂层相比,用PVD工艺涂覆的Al2O3涂层的耐热性显著提高(提高了200℃),可以明显减少由高温引起的磨损形式(如切削刃梳状裂纹、月牙洼磨损和塑性变形),开辟了PVD涂层新的加工领域,从而填补了它与CVD涂层在品种上的主要空缺。
PVD涂层可转位刀片的主要应用领域是铣削钢、不锈钢和难加工材料(ISO P、ISO M、ISO S),这些材料正是PVD-Tiger刀片早期进入市场时的加工对象。第一步,Walter公司向市场推出了铣削不锈钢和难加工材料的标准牌号WSM 35,以及铣削钢、不锈钢和难加工材料的通用牌号WSP 45,使刀具寿命明显延长,或者可以提高切削速度,降低加工成本。
图2是PVD Al2O3涂层刀片的一个应用实例。在高速铣削一个用奥氏体不锈钢1.443制造的阀体时,效果十分明显:切削温度已经超出了标准的氮铝钛涂层刀片WSP的耐热性,而PVD Al2O3涂层刀片在经历了相同的切削时间后,只出现了很小的磨损。由这个例子可以看出,如果采用更高的切削速度,PVD Al2O3刀片还可以节省加工成本。PVD-Tiger涂层使一般的涂层相形见绌,因此市场对它反应良好也就不足为奇了。

图2 PVD Al2O3涂层刀片加工实例

PVD-Tiger涂层技术的扩展

实际上,Walter公司已进一步扩大了PVD-Tiger技术的应用范围。新开发的WSM 20、WSM 30牌号用于车削加工不锈钢和难加工材料,给市场带来了重大变化。这些涂层采用了与上述涂层相同的工艺技术。由于PVD涂层的可转位刀片具有很好的韧性,因此有可能采用耐磨性很好的细颗粒硬质合金基体。细颗粒基体的耐磨性与PVD涂层的韧性和可靠性相结合,加上Al2O3涂层耐月牙洼磨损和塑性变形的能力,以及通过机械后处理工艺减少了积屑瘤的形成,使这种可转位刀片的性能非常适合广泛的加工应用领域。
这两种刀片牌号表现出非常好的使用效果。在图3所示的加工实例中,工件是一个用奥氏体不锈钢1.4301制造的焊接支架。采用竞争对手的CVD涂层刀片,在加工了29件以后,出现了崩刃、积屑瘤和塑性变形,而WSM 20刀片在加工了39件以后,只出现了轻微磨损。

图3 WSM20涂层刀片加工实例

图4 采用PVD耐磨涂层的Walter刀具
不仅Walter公司的WSP牌号采用了高科技涂层,该公司的另外两个品牌Walter Titex和Walter Prototyp的整体硬质合金刀具和高速钢刀具也采用了PVD耐磨涂层(见图4)。

性能优异的PVD刀具材料

将这些耐磨刀具材料形成一个完整产品系列的工作已经开始。然而,迄今为止,PVD-Tiger涂层的潜力尚未得到充分利用。
Walter公司正考虑将此类刀具材料应用于加工价值高的工件材料。现在,越来越多的高合金钢或钛合金材料被用于汽车工业、电站设备制造以及航空工业中,从而可以减薄零件的壁厚,或者提高其工作压力和温度,以节省能源和保护环境。但是,此类材料有一个很大的缺点:它们比以前的材料更难加工。而加工这些材料正是PVD-Tiger涂层的用武之地。
Walter公司准确地把握了市场需求,不仅其PVD Al2O3可转位刀片的销路自进入市场以来增长了5倍,实现了超比例增长,而且还取得更多业绩:在它的刀具材料家族中,许多产品多次获奖,如英国专业技术杂志MWP(Metalworking and Production)的“最佳工具产品、系统或设备奖”,该奖项在英国“Mach and Subcon”机床展上颁发。对于Walter公司的研发人员,这些荣誉是对他们工作的表彰。然而,他们之所以能取得这些业绩,是通过持续的创新(尤其在刀具材料方面),为用户在提高生产效率和降低成本方面不断发掘新的潜力。
本文作者:马传荣(译) 赵炳桢(校)
原载:《工具展望》2010年第3期
上载于:2012-12-24 14:00:32

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