超硬刀具涂层
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在刀具表面沉积由CVD金刚石和PVD立方氮化硼(CBN)组成的超硬薄涂层极具应用潜力,因为这两种在所有材料中硬度最高的功能性耐磨涂层与刀具几何参数设计的灵活性相结合,能够满足给定加工任务的特殊要求,使高效加工策略(如高速切削)得到更有效的执行,其结果是通过减少生产时间和制造成本而增强竞争优势。因此,开发将涂层与超硬切削材料的优势相结合的创新型刀具涂层至关重要。同时,这两种超硬刀具涂层在连续和断续切削条件下都有良好表现。本文给出了有关CBN和金刚石涂层的一些试验结果和不同发展阶段的比较。
根据ISO513标准,超硬刀具材料包括聚晶立方氮化硼(PCBN)和聚晶金刚石(PCD)。由超硬材料制造的工业用刀具产值约为40亿美元。如图1所示,推动超硬刀具材料发展的主要趋势体现在两个方面:用作刀具的刀尖材料和用作涂覆于刀具基体表面的耐磨涂层,目的是使刀具获得更强的功能和更高的几何设计柔性。不过,对非天然材料CBN的研究不像对金刚石的研究那样进展快速。

图1 超硬刀具涂层的研究进展(按年代排序)
表1总结了超硬耐磨涂层刀具的优势。例如,与PCBN刀具或PCD刀具相比,超硬涂层刀具通过重磨和再涂层,可降低刀具成本。
表1 超硬涂层刀具的优势
涂层刀具的优势(与未涂层刀具相比较)超硬刀具的优势(与其它刀具相比较)涂层刀具的优势(与PCD刀具刀具相比较)
刀具寿命长硬度高(热硬性好)适用子复杂刀具
加工时间短耐磨性好切削刃圆弧半径小
切削用量大摩擦系数小后角
切削力小抗氧化性能强无需倒棱
摩擦系数小化学稳定性好成本较低
对特定加工务适应性强无需冷却液,无需冷却无粘结剂扩散间题

金刚石的应用

金刚石是种天然纯晶体变形碳,其原子结构为共价键连接的面心立方体。金刚石具有非常率越的物理特性,如自然界最高的硬度、极高的热传导率和优异的绝缘性能。由于金刚石对于非铁材料具有优异的耐磨性和化学稳定性,因此非常适合作为刀具材料应用于切削加工。过去,金刚石在生产中主要用作磨料或切削刃。20世纪后半期,随着轻质合金材料在汽车工业中的应用越来越多,金刚石刀具在切削领域的重要性日益显现。对金刚石日益增大的需求导致有必要人工合成金刚石以替代(补充)天然单晶金刚石(MCD)。
有两种人工合成金刚石的热力学力法:一种是气压为6GPa、温度为1700℃的高温高压合成法(HPHT); 另一种是压力为10OhPa 、温度为1000℃的低压合成法。
1955年,General Electric公司采用高温高压合成法人工合成金刚石取得了突破性进展。70 年代中期,PCD作为一种复合刀具材料面世。PCD是用钴结合剂将金刚石晶粒结合在一起而形成的,可用作焊接于刀体上的整体刀尖材料。

用CVD金刚石替代PCD

在研究PCD材料的同时,利用化学气相沉积(CVD)涂层工艺实现了金刚石的低压合成。
1975年,前苏联科学家第一次在非金刚石基体上沉积出了CVD金刚石滁层。该工艺使金刚石作为刀具材料的性能得到显著改善。CVD金刚石涂层刀其可分为厚膜刀具和薄膜刀具。制备CVD金刚石厚膜刀具时,首先在基体上沉积出厚度为几百微米的金刚石厚膜,然后用激光束分切成形为小块,并焊接到刀体上。与此不同,CVD金刚石薄膜刀具是以一种复杂的方式将几微米厚的金刚石薄膜直接沉积到已成形的刀具上。
由于不使用金属结合剂,CVD金刚石涂层刀具的硬度、耐磨性和耐高温性能都优于PCD刀具。此外,金刚石涂层刀具在刀具几何参数设计的灵活性上也具有很大优势。1993年,商业化的金刚石涂层可转位刀片首次上市。如今,已有各种各样专门设计的金刚石刀具涂层。除了主要由立方晶粒构成的标准微晶金刚石薄膜以外,还制备出了由巴拉斯结构的纳米晶粒金刚石薄膜以及由微米和纳米晶粒膜层交替涂覆的多层金刚石薄膜。此外,将金刚石晶面定位于刀具切削刃表面的组织化微晶金刚石涂层也正在开发和分析研究之中。
刀具:VCGT160412 ;切削用量:f=0.1mm,Vc=600m/min,ap=1mm;冷却液:5%
图2 用CVD金刚石涂层刀具和未涂层硬质合金刀具车削AlSi20铸铁工件外圆时,后刀面磨损带宽度与切削长度的关系

CVD金刚石作为刀具耐磨涂层

如图2所示,在加工高腐蚀性过共晶铝硅合金时,纳米晶粒金刚石涂层硬质合金刀具与未涂层硬质合金刀具相比,刀具寿命提高了20多倍,从而降低了去除单位体积材料耗费的可转位刀片成本。此外,由于金刚石涂层刀具不会产生积屑瘤,因此与普通硬质合金刀具相比,加工后的上件表面粗糙度明显改善。

CBN刀具涂层的发展

一方面,已有各种物理气相沉积(PVD)和等离子加速化学气相沉积(PACVD)工艺成功应用于CBN涂层制备。通常,沉积的CBN涂层厚度限制在500nm以内,这主要因为过厚的CBN涂层内部存在较大残余压应力、粘附性差且在环境条件下缺乏长期稳定性。另一方面,在与应用技术相关的无硅基体上开发CBN涂层仍然是一个技术挑战。尽管如此,位于德国Braunschweig市的夫琅和费表面工程与薄膜研究所(IST)研究出了获得较厚CBN涂层的方法,该方法基于与B4C涂层和BCN梯度涂层的复合,在应力无实质性减小的情况下改善厂CBN涂层系统的粘附性和稳定性。位于Dresden的夫琅和费陶瓷与烧结技术研究所(IKTS)提供了在硅基体、同时也在硬质合金切削刀片上沉积厚度大于2ΜM的CBN涂层方案,由IST在低于600℃ 的温度下成功实施,并在柏林技术大学机床与工厂管理研究所(IWF)通过摩擦试验和车削试验进行了分析研究。
表2 各种涂层的性能
涂层种类WC-CoCBN
(Si基体)
CBN
(WC-Co基体)
金刚石
(WC-Co基体)
TiN
(WC-Co基体)
TiAlN
(WC-Co基体)
最大厚度-2.52>3>3>3
微硬度8~2560~6555~6080~10025~3022~28
维氏硬度[HV0.01]800~2500~5800~5500-~2800~2400
弹力[GPa]550~650500~550500~5501050300330~350
耐磨性
[m3m-1N-110-15]
n/a~0.4~0.6-5~75~7
摩擦系数[-]n/a0.40.4<<0.70.6
划痕试验[N]-18~20~35-50>25
以硬质合金为基体的CBN涂层系统的硬度为标准TIN涂层的2倍多,耐磨比提高10倍以上,而与配对材料钢的摩擦系数仅为TIN涂层的一半(见表2)。这些CBN涂层刀具已在对合金钢、淬硬钢、球墨铸铁和镍基超级合金的车削加工中得到了成功检验。

金刚石涂层刀具的车削试验

CBN涂层系统通常是用粒度尺寸最小的K10牌号硬质合金抛光后作为基体,先在上面涂覆钛原子层以增强粘附性,然后在沉积B4C涂层和BCN梯度涂层,最后在表层涂覆CBN 涂层。不过,同前最先进的涂层系统是采用TiN或TiAlN厚涂层代替Ti原子层,以使基体与CBN涂层系统之间具有更好的粘附性。
图3为标准TiN涂层、增加了(B4C-RCN-)CBN表层的TiN和TiAlN涂层在车削淬硬钢时的刀具寿命对比。如图3所示,通过在TiN 基础涂层上沉积附加的CBN表层,可以显著提高刀具寿命,特别是在最高切削速度达到1OOm/min时,刀具寿命几乎可增至3倍。与此相比,TiAlN-CBN涂层的性能甚至更好。当切削速度从80m/min增至100m/min时,TiAlN-CBN涂层刀具的寿命大幅度增加,尽管也可能有因切削温度升高引起工件材料软化的原因。在用价格昂贵的PCBN刀具进行的对比试验中,当切削速度为100m/min时,PCBN刀具的寿命也仅为54分钟,只提高了33%。值得注意的是,与用过的PCBN刀具不同,个CNMA几何参数设计的涂层可转位刀片可使用(转位)4次,因此其有较高的成本效益。
刀具:CNMA120408 工件材科:1.2344(52HRC) ;切削用量:f=0.1 mm, ap=0.5mm ; 干式切削

图3B-G TiAlN-CBN涂层刀具前刀面的磨损进程
图3A 车削淬硬钢时不同涂层刀具寿命与切削速度的关系
图3B-G显示了TiAlN-CBN涂层刀具(在未抛光的基体上涂覆2µm厚的TiAlN和1.2µm厚的CBN)在车削加工中(Vc=80 m/min, ap=0.25mm)不同阶段的磨损进程。开始,一些工件材料粘结在接触区从而对刀具起到保护作用;然后积屑瘤开始形成(图3D) ,随后又被去除(图3F)。这过程是个不利因素,因为它填塞了未抛光基体的粗糙表面(通常粗糙表而对涂层的粘附性有利,由于铣削效果很好而被试用于车削)。不过,在图3F中可以看到在一些小的区域切削刃被穿透,由此导致了图3G所示切削刃的更大破损。
车削试验再次验证了所开发的涂层系统具有良好的耐磨性能,因为未涂层的基体在如此恶劣的加工条件下只能坚持几秒钟。

金刚石涂层刀具的铣削试验

接下来是对CBN涂层系统在断续切削条件下的性能评估。为了进行铣削试验,IKTS (夫琅和费陶瓷与烧结技术研究所)专门开发了各种不同晶粒尺寸和不同钴含量的硬质合金基体。在图4中,通过与标准TiN、TiAlN涂层和商品化的CVD多层涂层进行比较,显示了TiAlN-CBN涂层卓越的切削性能。例如,当进给长度达到1800mm时,试验用的2把TiAlN-CBN涂层刀具的后刀面磨损仍然只有0.1mm,而此时纯TiAlN涂层刀具的后刀面磨损约为前者的2倍。与此相比,CVD涂层刀具和TiN涂层刀具铣削淬硬钢的性能明显要差得多。此外,图4B-G 显示的TiAlN-CBN涂层刀具的磨损进程再次表明:新开发的CBN涂层系统用于铣削淬硬钢时具有足够好的粘附性和硬度,因为涂层实现了对刀具前刀面的充分保护,直至达到刀具寿命判别标准。如果在IST涂层设备的沉积腔内安装一个旋转装置,涂层的切削性能很可能会进一步提高,因为此时CBN表层可能主要沉积在刀具前刀面上。
面铣;刀具:SNUN150612 , Dc=53mm, z=l ; 工件材料:1.2080(365HV62.5);干切削;切削用量:,Vc=70m/min,f=0.1mm, ap=0.5mm , ae=5mm

图4B-G TiAlN-CBN涂层刀具前、后刀面的磨损进程
图4A 铣削淬硬钢时不同涂层刀具后刀面磨损带宽度与切削速度的关系

结论

由于对超硬材料的特殊要求与应用,可得出如下结论:
  1. 采用创新的TiN-CBN和TiAlN-CBN涂层成功地对各种不同的工件材料进行了切削(车削和铣削)试验。结果表明,在对淬硬钢的车削和铣削加工中,由于在TiN和TiAlN标准涂层上额外附加了CBN表层而使刀具性能显著提高。
  2. 与未涂层硬质合金刀具相比,CVD金刚石涂层刀具的寿命提高了几倍。此外,与硬质合金和PCD不同,CVD金刚石中不含钴结合剂材料,因此其抗磨损性能和粘附性更为优异,可获得更好的加工表而质量。
  3. 本文描述了将超硬刀具材料良好的耐磨性与刀具涂层的优势相结合的发展趋势,目前对CBN涂层的研究集中于以CBN为表层的多层复合涂层系统;而CVD金刚石涂层的研究重点则主要针对纯单晶或多晶金刚石涂层。
本文作者:胡红兵(译)
原载:《工具展望》2007年第4期
上载于:2008-10-1 9:45:29

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