新一代涂层刀片
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瑞典山特维克公司根据高精高效切削加工及市场多样化的需求,开发生产了新一代涂层刀片,其中包括车削和铣削加工钢及铸铁用的2种PVD涂层材料和3种CVD涂层材料。
瑞典山特维克公司根据高精高效切削加工及市场多样化的需求,开发生产了新一代涂层刀片(见图1),其中包括车削和铣削加工钢及铸铁用的2种PVD涂层材料和3种CVD涂层材料,现简介如下。

(1)新一代涂层刀片的开发理念


图1 新一代涂层刀片
在过去的刀具材料开发中,如果提高材料的耐磨性能,则会削弱其抗崩刃性能;反之,如果提高材料的抗崩刃性能,则会削弱耐磨性能,很难达到两者兼优的效果。山特维克公司开发刀具新材料的理念是:同时提高其耐磨性能和抗崩刃性能,使其匹配兼优,综合性能达到最佳(见图2)。该公司最近开发的全新涂层刀片就很好地体现了这一理念。下面重点介绍黑金CVD涂层和青铜色多层PVD涂层。

图2 新一代涂层刀片的开发理念

(2)黑金CVD涂层的特点

新开发的黑金CVD涂层是一种耐磨性能与抗崩刃性能兼优的涂层材料。普通CVD涂层的涂覆温度超过1000℃,由于涂层与硬质合金基体的热膨胀系数不同,会在涂层中产生拉伸残余应力,在切削时容易导致涂层剥落和热裂纹,成为降低切削性能的主要因素(见图3)。此外,普通涂层由脆性材料构成,当涂层厚度增大时,涂层也容易发生剥落,即如果要优先考虑涂层的耐热性和耐磨性,就会牺牲其抗剥落性能。

图3 CVD涂层因高温而产生的残余应力
与普通涂层不同,新开发的黑金CVD涂层兼顾了两种性能的提高,即涂层的厚度较大,同时抗剥落性能也相当优异。其主要特点是,采用独立开发的特殊表面处理技术,大幅度降低了涂层中的残余拉应力,使增厚的涂层在提高耐磨性的同时也具有很好的抗剥落性,既提高了连续切削所需的耐磨性能,又提高了断续切削所需的抗崩刃及抗崩损性能。

(3)黑金CVD涂层的加工性能

下面介绍用进行了黑金CVD涂层处理的GC4525刀片车削钢件的两个加工实例,第一个加工实例是对刀具耐磨性要求较高的输入轴外圆连续切削加工(见图4);第二个加工实例是对具有大断续部分的曲轴端面/外圆的断续切削加工(见图5)。分别与原有涂层材料进行对比的结果表明,黑金CVD涂层在连续切削时提高了刀尖的抗塑变性能,在断续切削时提高了刀尖的抗崩损性能。

原有CVD涂层(250件)

GC4225(250件)
输入轴(低合金钢,HB270)外圆加工::Vc=250m/min,f=0.36mm/r,ap=0.5mm;湿切
图4 GC4225连续切削的耐磨性能对比

原有CVD涂层(300件)

GC4225(300件)
曲轴(低合金钢,HB300)端面/外圆加工::Vc=180m/min,f=0.4mm/r,ap=3mm;湿切
图5 GC4225断续切削的抗崩损性能对比
在属于断续切削的铣削加工中,进一步发挥了黑金CVD涂层材料的优势。为铣削加工钢件而开发的新型涂层材料GC4240的主要适用领域是切除黑皮和不稳定的断续加工。加工结果表明,刀具的抗崩损性大幅度提高;为铣削加工灰口铸铁而开发的新型涂层材料GC3220的涂层厚度比原来的涂层有所增加,在保持良好抗崩损性能的同时,实现了铸铁的高速高效加工。

(4)青铜色多层PVD涂层的特点

近年来,低抗力铣刀渐成主流,大前角铣刀的开发盛行。由于刀片的后角较大,要求铣削刀片材料具有较高韧性。与CVD涂层相比,在锋利的切削刃上也能进行PVD涂层处理,因此抗崩损性能好的PVD涂层适用范围更广。青铜色多层PVD涂层就是为铣削加工开发的涂层材料。

图6 青铜色多层PVD涂层的结构
一般来说,由于PVD涂层的基体与涂层容易发生化学扩散,因此其结合强度比CVD涂层低,涂层易剥落。从涂层中产生的残余压应力来看,主要是刀尖附近的涂层容易发生剥落。因此,通过加大涂层厚度来提高耐热性能相当困难。为提高抗剥落性和耐热性而开发的青铜色多层PVD涂层的特点是涂层厚度达到数微米,采用了包含数千层高耐热TiAlN涂层的超多层结构(见图6)。与TiN、TiCN涂层相比,TiAlN涂层的耐热性较好,但不易保持其抗剥落性,实用的涂层厚度为1~2µm。山特维克公司将TiAlN涂层多层化,可有效防止由切削冲击引起的涂层裂纹的扩展,即使涂层厚度增大,也不会产生由切削冲击引起的涂层剥落。

(5)青铜色多层PVD涂层的加工性能

下面用GC1030涂层刀具铣削钢件的加工实例说明这种多层涂层的性能。图7为铣削加工难加工粘硬材料模具时,与原有的单层PVD-TiAlN涂层材料的加工性能进行对比。与原涂层相比,GC1030涂层显示出很高的抗剥落性和耐热性。此外,在比切削钢件更容易发生粘刀和涂层剥落的不锈钢、钛合金加工中,该涂层也显示出优异的切削性能,是一种适用领域广泛的万能涂层材料。

GC1030(加工时间:17.5分钟)

原有的单层PVD-TiAlN涂层(加工时间:14分钟)
工件材料:DAC3(HRC41);切削速度:Vc=90m/min,每齿进给量:fz=0.15m/齿;齿数:z=1;轴向加工余量:ap=2mm,径向加工余量:ac=20mm;顺铣,干式切削
图7 GC1030涂层的加工性能对比
2006年秋天推出了铸铁铣削用新材料GC1020由最适合铸铁加工的硬质合金基体和新开发的涂层组合而成,在可加工性差、切削抗力大的可锻铸铁切削加工以及因涂层剥落导致刀片容易产生热裂纹的铸铁湿式切削加工中,比原有材料发挥出了更优异的切削性能。
本文作者:廖先富(编译)
原载:《工具展望》2008年第6期
上载于:2011-1-21 21:09:29

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