不断发展的刀具涂层技术
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各种新型刀具涂层正在不断流行,其特点是针对特定加工需求,采用多层涂层和新的涂层材料,使加工性能最优化。
位于纽约阿默斯特的表面工程涂层协会(SECA)主席、Teeter咨询公司执行董事Fred Teeter表示,“任何存在磨损的地方都可以考虑采用薄膜陶瓷涂层。”尽管涂层在耐磨零件(如涡轮发动机零件)上的应用在不断增长,但涂层在切削刀具上的应用仍然占了绝大部分。涂层的确也证明了自身的价值,根据SECA的统计,与非涂层刀具相比,涂层刀具的寿命可以提高2-10倍。最高工作温度和硬度不断提高的新涂层还在不断涌现,涂层的一些特定性能(如耐磨性、韧性等)也在不断改进。
几十年前,氮化钛(TiN)涂层曾经是薄膜涂层的首选,虽然这种大家熟悉的金黄色涂层如今还被经常使用,但各种新型涂层早已层出不穷。多层涂层的组合应用可以实现性能的均衡化,这是单层涂层难以做到的。随着新型薄膜涂层的不断涌现,现在,许多工程师可能面临的问题是可供选择的涂层种类太多(而不是太少)。

图1 在金属切削刀具中涂层无所不在
加拿大Eifeler涂层服务公司总经理Mahesh Sukumaran指出,“在过去5-10年里,制备时间的缩短使涂层成本大幅降低。此外,使用多层涂层可以充分发挥不同涂层各自的优势,从而降低对润滑剂的需求。”在评价刀具涂层的总体发展趋势时,他解释说,目前仍有许多用户向他咨询TiN涂层的情况,他们不清楚现在已有许多新的涂层可供选择。Eifeler公司可以提供9种不同的PVD涂层产品(图1),其中既有标准的TiN涂层,也包括ZrN、TiCN和AlTiSiN涂层。Exxtral Plus是最受欢迎的涂层之一,这是一种由AlTiN+AlTiCrN组成的多层涂层,适合用于硬质合金立铣刀,能以半干切削或干切削方式高速加工淬硬钢。该涂层的耐热阈值可达800℃,维氏硬度为HV3500±500。Sukumaran指出,涂层技术面临的主要挑战是提高某些涂层的粘附性能以及进一步减小涂层厚度。一般的涂层并不具有润滑性,而我们的多层涂层集润滑性与耐磨性于一身,可以减小刀具与工件之间的摩擦,从而能减少或取消润滑液的使用,同时还能获得更好的切屑流。
刀具涂层一个值得注意的发展趋势是其应用正变得日趋专用化。涂层和表面技术供应商欧瑞康巴尔查斯(Oerlikon Balzers)公司经理Christopher Halter也注意到了这一点。该公司目前可以提供24种不同的涂层产品,其中的Balinit Alcrona是一种AlCrN涂层,是该公司开发的最后一个通用型涂层牌号。Halter指出,多种新的专用型涂层(如用于铣削加工硬度超过HRC50的淬硬工具钢的Balinit Aldura涂层)代表了未来的发展趋势。另一种AlCr基涂层Balinit Helica则是为麻花钻专门设计的。Balinit Aldura牌号是在起支承作用的TiAlN涂层上再沉积一层AlCrN基功能涂层。TiAlN层可以确保良好的粘附性和机械强度,而AlCrN层可以提供优异的热硬性和抗氧化性能(高达1100℃),并将刀具与切削热隔离开来。

图2 Balzers采用PVD工艺Al2O3基涂层,由于沉积温生产的度低于600℃,采用细颗粒硬质合金基体的刀具也能进行涂层且不会变形
欧瑞康巴尔查斯公司已经开发出一种将会引起刀具工程师极大兴趣的涂层新技术——P3e(脉冲增强电子发射技术)。利用该技术,第一次可以用PVD工艺制备出具有高硬度以及良好热稳定性和化学稳定性的Al2O3基涂层,由于沉积温度低于600℃,采用细颗粒硬质合金基体的刀具也能进行涂层且不会变形。P3e技术首次应用于欧瑞康巴尔查斯公司的“X3turn”涂层牌号上,该涂层用于车削加工时获得了很好的试验结果。在干切削条件下,X3turn的性能与常规的CVD涂层刀片牌号不相上下。在断续切削和使用冷却液的加工中使用该涂层也可以获得非常不错的效果。现在,所有的细颗粒和超细颗粒硬质合金基体都可以在低于600℃的沉积温度下涂覆α-Al2O3基涂层,且沉积工艺的热力学性能非常稳定,不会使刀具发生变形。Halter期望,新的P3e技术能开辟新的应用领域,并提高使用车削和铣削刀片用户的生产率。
瑞士Platit公司是一家向刀具企业出售涂层设备的公司,在涂层技术方面积累了大量经验。Platit公司开发和生产的PVD涂层设备采用了多项专利技术,不仅可进行常规涂层、纳米涂层和梯度涂层,而且还可用于纳米复合涂层。纳米涂层实际上只是一种更薄的多层涂层,其每层的厚度还不到20nm,涂层的硬度取决于交替涂覆的涂层总厚度,涂层的层数可达数百层。
纳米复合涂层是由典型涂层(如TiAlN)嵌入Si3N4非晶态基体所构成的,所形成的纳米复合结构可以改善涂层的硬度和润滑性能,并提高涂层的最高工作温度。Platit公司还生产拥有专利的三层涂层,它由一层粘结层、一层中间层(单一结构或梯度结构)和一层纳米复合顶层所组成,具有卓越的抗摩擦性能和韧性。例如,nACo3三层涂层是以TiN为底层,AlTiN为中间层,nACo纳米复合涂层为顶层。而nACo本身就是TiAlN嵌入Si3N4M非晶基体所构成的纳米复合涂层。根据Platit公司提供的数据,该涂层硬度高达38–45GPa,最高工作温度达到1200°C。
该公司的涂层设备采用传统的磁控阴极电弧原理(ARC)以及侧面旋转阴极(LARC)和中心旋转阴极(CERC)专利技术。该公司可供应29种不同的涂层,涂层设备的标准配置可涂覆三种“基础”涂层(即TiN、TiCN和TiAlN)。该公司称,这三种涂层目前占到世界涂层市场的80%以上。该公司提供的其它涂层是为一些特殊应用而设计的,包括17种可选涂层、6种纳米涂层和3种专用的三层涂层。
Niagara Cutter公司总裁兼首席执行官Sherwood Bollier指出,刀具设计的三大技术包括基体材料、涂层和刀具几何形状。他认为,尽管新的涂层可以改善刀具性能,但如果没有对整个刀具进行优化,就不一定能达到改善刀具性能目的。
Bollier指出,“获得一种具有新的颜色、较高的硬度和最高工作温度的新涂层是比较容易的,然而真正重要的是刀具的性能。对于新的涂层,我们通过检测刀具性能并根据加工需要进行调整。我们发现,一旦为某种刀具材料和切削刃形选定涂层后,刀具刃口的制备非常重要。”Niagara刀具公司专攻圆形刀具(如立铣刀)以及(通过其微型立铣刀分公司)用于加工医疗和电子器件的微型立铣刀。适当的刃口制备取决于所用的涂层和所切削的材料,切削铝材效果很好的切削刃可能在切削铸铁时表现不佳。他还认为,涂后的二次处理(如涂层抛光)与正确的刀具设计和刃口制备同样重要。tr>

图3a Alcrona涂层铣刀的切削刃图片(×650)

图3b 与上图相同的切削刃经过150次往复切削(在牧野S58铣床上铣削硬度HRC30的4340材料,切削速度1100fpm,进给量176ipm),可看到基本未产生积屑瘤。
Bollier解释说,“尽管涂层使切削刃保持锋利,但刃口可能过于锋利。未涂层的切削刃在最初的少量切削后会有微小磨损,有利于‘稳定’刀具和消除振颤,采用正确的切削刃制备方法对刀具进行预处理,就是模拟未涂层刀具在初次切削时的‘稳定’过程。”
Bollier表示,“我们有几种性能非常不错的新涂层,但它们适用于特定的加工。”例如,巴尔查斯公司推荐的一种称为Alcrona的AlCrN新涂层已被证明适用于齿轮滚刀,似乎很自然地也可以推广应用于立铣刀。“我们必须努力工作,使Alcrona涂层为我所用。它确实适合用于刀具的刃口制备。一旦我们进行了足够的试验和检测,我们就可将Alcrona涂层扩展应用于我们的加工中。”Niagara公司宣称,在一个特定的切削试验中,在切削速度和进给量提高35%的情况下,该涂层可使用户的刀具寿命提高一倍(图3)。
山特维克可乐满(Sandvik Coromant)公司拥有一支分布广泛的涂层工程技术团队。虽然该公司可将其刀具涂层工作外包,但它认为,自身拥有涂层技术和能力非常重要。山特维克公司负责管理刀具牌号的全球经理Margareta Palsson认为,一个完整的切削解决方案来源于涂层与合适的基体、几何形状和刃口制备的合理匹配。她说,“每一种加工的要求都有细微的差别,而这种差别可以转化为生产率的显著不同。我们致力于细致地调整生产工艺,以满足这些加工要求。”
山特维克每年要开发6-8种新的刀具牌号,一部分是为新的加工需求所开发,另一些是对已有涂层的改进。该公司认为,在为刀具匹配涂层时,应该进行全面的切削试验,为此,该公司每年要对25000个切削刃进行切削试验,产生的切屑重达45吨。
例如,今年山特维克推出了用于钢件车削的GC4205牌号,该牌号采用TiCN/Al203中温CVD涂层,设计用于在切削刃温度高达1200℃以上的条件下,以很高的金属切除率稳定地加工钢件。
由于需要在数百种切削刀片中进行选择,山特维克可乐满认识到过多的信息使用户负担过重的问题,为此,山特维克采用了一种称为CoroKey的方式,可使工程师基于其特定的需求,减少选择刀具的工作量。用户选定工件材料种类、加工类型、加工条件和切削数据后,CoroKey就可以帮助他们选择适用的切削刀片。虽然涂层对于每把刀具都是很重要的要素,CoroKey通过使工件材料和加工方式与推荐的切削深度、进给量和切削速度相互匹配,帮助工程师选择正确的刀具。
Palsson确信,未来的加工将需要大量的刀具性能研究,包括为新的航空航天钛合金、复合材料、粉末冶金材料以及用于汽车发动机缸体的蠕墨铸铁的加工开发刀具及其涂层。“在这些加工中,原子结构、金属比例、表面光洁度、切削刃制备以及晶体排列方向的细微差别都将造成生产能力的很大不同。”Palsso说。

图4 山高公司的Duratomic Al2O3涂层倾斜的晶体定向可使切削刀具硬度更好、韧性更好
山高刀具公司(Seco Tools)车削产品经理Don Graham表示,为了开发名为DurAtomic的新工艺和新涂层,山高刀具正对涂层的晶体结构进行研究。通过使CVD-Al2O3涂层的晶体定向倾斜,可使涂层在切削时硬度更高、韧性更好。他解释说,“我们在原子尺度上进行晶体定向,既增加了切削刀片的韧性,也增加了其耐磨性,而这二者通常是相互对立的。使每个晶粒倾斜哪怕很小的角度,也能充分增强其韧性。DurAtomic涂层采用TiCN作为底层,新的Al2O3作为顶层(图4)。较早推出的牌号(如Seco的TP000系列)采用了附加的TiN作为顶层,而现在已不再需要,因为Al2O3已具有足够的强度和表面光洁度。
TP2500是山高利用DurAtomic技术开发的第一个用于车削加工的涂层牌号,在广泛用于各种钢件加工时,可提供更好的耐磨性和韧性。此外,TP2500还可以优化不锈钢和铸铁的加工,有效地加工从K10到M40的材料。通过80多项现场切削试验,证明TP2500适用于各种材料的粗加工、表面加工和精加工。现场试验表明,采用TP2500涂层还可以减少切削刃积屑瘤,与通常采用的涂层刀具相比,TP2500可提高生产效率25%,延长刀具寿命40%。同时,测得的涂层硬度提高了11%,新的TP2500涂层还可使刀具温度降低3%-4%。
伊斯卡公司(Iscar Metals Inc.)为其精密硬质合金刀具(包括铣削刀具、孔加工刀具、车削刀具和切断刀具)开发了一种新的Sumo Tec涂层技术(既可用于CVD也可用于PVD),Sumo Tec涂层技术是建立在该公司原有的ALTec PVD和Alpha-Tec CVD涂层技术的基础之上。伊斯卡公司全国培训主管Mike Gadzinski说,“刀具最常见的失效机理是崩刃,因此我们特别采用了三层涂层:TiCN作为底层、Al2O3或AlTiN作为中间层,TiN薄膜作为顶层。TiCN可改善刀具耐磨性以防止崩刃,中间层则提供了热屏障。为了改进这种基础涂层,伊斯卡采用了专有的后处理工艺,以产生既耐热又抗崩刃的光滑表面。在针对较早产品的切削试验中,刀具寿命都有15%-80%的提高。”
本文作者:胡红兵(编译)
原载:《工具展望》2008年第6期
上载于:2011-1-21 21:02:52

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