新一代切削刀具AIP涂层SX系列
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日本JFE精密株式会社开发SX-W和SX-H是实现了多元化、多层化的新一代涂层。从被切削加工材料的难加工化、降低切削加工成本和保护环境来考虑,涂层对于切削加工的重要性日益突出,以SX-W为代表的新一代涂层材料将不负众望,发挥重要的作用。
近10年来,涂层技术在切削刀具上的应用得到了快速普及,涂层刀具已成为切削加工不可缺少的主流刀具。与此同时,随着切削加工向高速切削、强力切削和干式切削的迅速发展,对涂层刀具的性能提出了更高要求。本文就刀具涂层技术的现状、开发动向以及日本JFE精密株式会社开发涂层新技术的情况作一简介。

1 切削刀具涂层技术的现状

表1 各种涂层技术的特点
方式CVDPVD
真空涂覆溅射涂覆离子镀
处理温度700~1000℃常温常温~300 ℃200~500 ℃
处理后变形硬度下降×
结合强度×
表面粗糙度

图1 离子镀工作原理(AIP式)

(1)切削刀具涂层技术的种类

用于切削刀具的涂层技术主要分为PVD(物理涂层)和CVD(化学涂层)两大类。PVD又分为真空涂覆、阴极真空喷镀和离子镀。涂层技术用于切削刀具时,CVD工艺的处理温度接近1000℃,对于具有锋利刀尖的切削刀具,这种高温会降低刀具基体硬度,容易引起变形和破损:真空涂覆和阴极真空喷镀工艺存在的主要问题是涂层与基体的结合强度较低:离子镀能以较低的处理温度获得结合强度较高的涂层,非常适合用于切削刀具。

(2)离子镀设备及其特长

离子镀是一种在真空中使金属原料蒸发,并在等离子中离子化,使其轰击在加上负偏压的制品上而形成涂层薄膜的涂层技术(见图1)。过去已开发了多种离子镀设备,目前在工业上广泛使用的主要有HCD(热阴极)式和AIP(单弧/多弧离子镀)式。这两种设备的差异主要是蒸发源的构成不同。由于AIP式离子镀具有容易获得使用多种金属的多元素涂层和多涂层以及涂层结合强度高的优点,近年来已成为主流设备。AIP式的缺点是离子镀层中有来自蒸发源的熔融粒子,这种粒子的存在使镀层表面粗糙度变差,若产生脱落就会变成镀层缺陷,成为发生腐蚀和磨损的起始点。为了减少这种镀层缺陷,改进了蒸发源的磁场控制,采用精密阴极,大幅减小了熔融粒子的大小及数量,对延长刀具寿命具有良好效果,这种设备目前已实现商品化。图2为精密阴极式与以前的AIP式设备涂覆的TiAlN涂层的扫描电镜观察结果。图3为用这两种设备涂覆的TiAlN涂层球头立铣刀的寿命对比试验结果。

(a)精密阴极方式的涂层表面

(b)原来AIP方式的涂层表面
图2 TiAlN涂层表面扫描电镜观察结果(AIP式)
涂层:TiAlN;被加工材料:SKD61(HRC40); 刀具:R1硬质合金双刃球头立铣刀;转速:25000r/min;进给量:3750mm/min;径向切深:0.5mm;轴向切深:0.3mm
图3 精密阴极式与原AIP式涂层刀具寿命对比

(3)一般AIP涂层的种类和特长

用AIP方式涂覆的一般涂层的种类见表2。由于工件材质和切削条件不同时,涂层的寿命变化很大,因此应根据切削加工条件和要求选择适用的涂层材料,以获得最佳质量和经济效益。例如,当主要要求切削刀具具有优良的耐磨性时,大多选择TiN、TiCN、TiAlN涂层材料。近年来,涂层硬质合金刀具采用TiAlN涂层材料的情况显著增加:在铜、铝等非铁系金属的切削加工中,涂层刀具也有使用抗粘刀性良好的CrN涂层材料的例子:在冲压模具方面,主要使用TiCrN涂层材料:注塑模具使用最多的涂层材料是TiN,但近年来,使用抗腐蚀性能和抗树脂粘着性能优良的CrN涂层材料的比例也在不断增多。目前,从保护环境的目的出发,用户已有停止使用镀铬技术,用CrN涂层材料取而代之的动向。TiN和ZrN涂层的色调为金色,十分美观,多用于装饰涂层。
表2 AIP方式的一般涂层
涂层种类TiNTiCNTiAlNCrNTiCrNZrN
特点耐磨性
装饰性
耐磨性
粘刀性
耐磨性
抗氧化性
粘刀性
耐腐蚀性
耐磨性
表面抗压性
装饰性
用途切削刀具
冲压模具
注塑模具 
装饰品
物理特性表面粗糙度
µm
Ra=0.2Ra=0.2Ra=0.3Ra=0.15Ra=0.15Ra=0.2
结合强度
(对HSS)
60N6ON4ON80N60N60N
涂层硬度2200Hmv2800Hmv3000Hmv180OHmv2800Hmv180OHmv
抗氧化性能450℃350℃800℃550℃550℃350℃
色调金色青灰色紫色灰色茶灰色白金色

2 切削刀具用AIP涂层的开发动向

(1)涂层开发的历程

涂层用于切削刀具始于TiN涂层,目前许多通用产品也广泛使用涂层技术。由于强力切削要求使用比TiN硬度更高、耐磨性更优良的涂层刀具,因而开发了TiCN和TiAlN涂层材料。由于这些涂层性能优良,其市场迅速扩大。TiAlN涂层抗氧化性能好,适合高硬度材料的切削加工:TiCN涂层抗氧化性稍差,但摩擦阻力小,抗粘刀性能优良,适合较低硬度材料的切削加工。这两种涂层有以HRC40左右为界分开使用的趋势。近年来,热处理工件、高硬度材料、难加工材料采用切削(甚至干式切削)方式进行加工的要求不断高涨,此外,采用一种涂层材料刀具能切削加工从低硬度到高硬度材料的要求也十分强烈。为了满足这些要求,正在探索开发比TiCN、TiAlN级别更高,耐磨性、抗氧化性、抗粘刀性更优异的涂层,可以说已进入了涂层开发的新时代。日本JFE精密株式会社开发了耐磨性和抗粘刀性能优良的SX-2、涂层硬度和抗氧化性能较TiAlN涂层大幅提高的硬质合金刀具用SX-W、高速钢刀具用SX-H等SX系列涂层刀具,并正在实现商品化。涂层的开发历程(模式)见图4。

图4 涂层的开发历程(模式图)

(2)涂层的开发动向

如前所述,TiAlN在高硬度材料的切削加工中得到迅速普及。由于在TiN中添加了Al,使涂层硬度和抗氧化性得以提高。涂层硬度的提高是由于添加的Al没有破坏TiN的立方晶体构造,并在晶界中固熔入Al的结果。近年来,人们对添加第3种微量元素,继续维持结晶构造,进一步提高Al的成分比例进行了试验探索。抗氧化性能的提高是由于Al在涂层表面首先被氧化,形成稳定的氧化物(Al2O3),发挥了保护层作用的结果。这样,通过在结晶中固熔入多种元素,在获得高硬度涂层的同时,一部分元素在涂层表面发挥功能性作用,从而有可能获得优良特性。因此,在涂层开发上蕴藏着许多可发掘的潜能。
表3 涂层的高温特性
 化学稳定性抗氧化性能室温涂层硬度高温涂层硬度




Al2O3Al2O3TiCAl2O3
TiAlNTiAlNTiCNTiAlN
TiNTiNAl2O3TiN
TiCNTiCNTiAlNTiCN
TiCTiCTiNTiC
表4 高温耐磨性能试验结果
涂层材料磨损深度(µm)涂层厚度(µm)
RT500℃700℃
CrN0.311.11.14.1
Al0.19Cr0.81N0.13.94.04.8
Al0.40Cr0.60N04.73.04.3
Al0.62Cr0.38N01.32.43.9
Al0.81Cr0.19N0.21.53.05.6
AlN4.51.63.84.2
滑动距离:RT:1000m ; 500℃, 700℃: 300m
表5 SX-W涂层的物理特性(常温)
物理特性(SX试制品)SX-WTiAlN
表面粗糙度Ra=0.1µmRa=0.1µmRa=0.3µm
结合强度(对硬质合金)80N80N80N
涂层硬度3700Hmv3700Hmv3O00Hmv
抗氧化性能1300℃1300℃800℃

3 新一代AIP涂层SX系列

(1)新涂层的基本设计思想

涂层的耐磨性是在室温下测得的物理特性,只反映了室温条件下的耐磨特性。但在实际使用涂层刀具时,由于在切削高温条件下涂层将被软化和氧化,其特性必然发生变化。表3为一些代表性涂层在室温和高温时的特性。室温硬度很高的TiC、TiCN在高温时其硬度都会降低。涂层的高温硬度与其化学稳定性、抗氧化性有着强烈的依存关系,这样生成的氧化物自身的性能也会影响涂层的耐磨性。表4为AlCrN涂层的耐磨性能试验结果,多数结果显示,随着温度的升高,涂层磨损深度加大。但是,CrN涂层在700℃的磨损深度比500℃的磨损深度小得多,这是由于在摩擦表面上生成的Cr氧化物提高了耐磨性的结果。在为高硬度材料切削、干式切削等高温条件下使用的涂层刀具设计涂层时,在注重结合强度的同时,必须考虑涂层的高温特性,特别是生成的氧化物提高抗氧化性能的作用。

(2)SX系列涂层的特性

日本JFE精密株式会社开发的硬质合金刀具用SX-W涂层的物理特性见表5。与TiAlN相比,这种涂层材料的硬度和抗氧化性能都有大幅提高。将该涂层涂覆在硬质合金立铣刀上加工各种材料的切削试验结果见图5。铣削高硬度材料(SKD11)时,后刀面磨损宽度为TiAlN涂层立铣刀的1/3,刀具性能大幅度提高:铣削低硬度材料(50碳钢)时,后刀面磨损宽度为TiAlN涂层立铣刀的1/2。由此可见,SX系列涂层材料的适用范围十分广泛。
被加工材料:SKD11(HRC59);刀具:R1硬质合金双刃球头立铣刀;转速:15000r/min;进给量:1350mm/min;径向切深:0.04mm;轴向切深0.1mm
(a)铣削高硬度材料的结果
被加工材料:SKD61(HRC40);刀具:R5硬质合金双刃球头立铣刀;转速:4000r/min;进给量:1100mm/min;径向切深:0.3mm;轴向切深0.1mm
(b)铣削中等硬度材料的结果
被加工材料:S50C(HRC20);刀具:R5硬质合金双刃球头立铣刀;转速:5100r/min;进给量:1330mm/min;径向切深:0.3mm;轴向切深0.1mm
(c)铣削低硬度材料的结果
图5 SX系列涂层球头立铣刀铣削试验结果
表5和图5中的“SX试制品”是以前开发的一种产品,常温下的涂层特性与SX-W涂层几乎相同,但在铣削高硬度和低硬度材料时的切削性能并不优于TiAlN涂层。由此可见,常温下的涂层特性与切削性能不成简单的正比关系。图6为切削刀具所要求的、综合平衡的涂层特性。在切削高硬度材料时,抗氧化性能是重要的特性之一:而在切削低硬度材料时,抗氧化性能的影响减小,抗粘刀性能的影响则增大。此外,涂层的硬度与韧性、涂层与基体的结合强度之间的平衡匹配也非常重要。在高水平上实现所有这些要素的方法是进行涂层多元化、多层化的研究开发,SX-W和SX-H就是实现了多元化、多层化的新一代涂层。从被切削加工材料的难加工化、降低切削加工成本和保护环境来考虑,涂层对于切削加工的重要性日益突出,以SX-W为代表的新一代涂层材料将不负众望,发挥重要的作用。

图6 切削刀具要求的涂层特性
本文作者:廖先富(编译)
原载:《工具展望》2008年第5期
上载于:2011-1-20 15:39:53

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