針對(duì)高速加工的新材質(zhì)等級(jí)設(shè)計(jì)

摘要

這篇論文闡述了一種針對(duì)高速切削金屬時(shí)提高耐磨性與抗塑性變形能力的涂層硬質(zhì)合金材質(zhì)等級(jí)設(shè)計(jì)的新進(jìn)展。簡(jiǎn)單描述了一種基于對(duì)涂層材料磨損特性了解深入以后的新涂層設(shè)計(jì)互艾。這種新涂層將一種改善韌性的功能材質(zhì)基體與刀具的切削刃強(qiáng)度組合在一起讯泣。

加工趨勢(shì)
金屬加工業(yè)通過(guò)快速的技術(shù)發(fā)展而充滿了閃光點(diǎn)。這是由諸如全球化昨稼、加劇的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)拳锚、允許更高切削速度的功率更大更穩(wěn)定的機(jī)床霍掺、難加工材料的使用以及環(huán)境問(wèn)題日益增長(zhǎng)的覺(jué)悟等因素作用的結(jié)果。其結(jié)果是杆烁，刀具的最終用戶就刀具性能表現(xiàn)對(duì)刀具制造商提出持續(xù)改進(jìn)的要求连躏。金屬加工業(yè)的總趨勢(shì)是發(fā)展更多的性價(jià)比好的加工工藝佳跃。
新的法律法規(guī)將提高冷卻潤(rùn)滑液的使用成本啦别。這促進(jìn)干加工(圖 1)的使用。然后尿欲，這將增加對(duì)于更耐熱涂層硬質(zhì)合金的需求并強(qiáng)迫金屬加工業(yè)考慮新的替代方法牡呀。
圖1. 硬質(zhì)合金刀片高速切削。

尤其是在汽車(chē)工業(yè)开摄，關(guān)于降低能耗的市場(chǎng)需求將強(qiáng)調(diào)材料選擇的重要性售拼。例如，優(yōu)先選用輕合金邦马。除鋁和其它輕合金外贱鼻，專門(mén)設(shè)計(jì)的高強(qiáng)度鋼材在將來(lái)會(huì)使用得更多。

下述為市場(chǎng)上最重要的趨勢(shì)：針對(duì)提高生產(chǎn)率的更高切削速度滋将。
為了降低成本和環(huán)境方面的原因而進(jìn)行干加工和/或最小量潤(rùn)滑（MQL）邻悬。
難加工材料父丰，例如為了零件更輕的高強(qiáng)度材料橱脸。
所有這些趨勢(shì)對(duì)對(duì)相同刀具材質(zhì)等級(jí)的耐磨性添诉、抗塑性變形和韌性提出更多要求屁桑。如果韌性是唯一的問(wèn)題， PVD （物理氣相沉積）涂層可被看作一種選擇蘑斧。然而在耐磨性上PVD涂層不能與現(xiàn)代CVD（化學(xué)氣相沉積）涂層競(jìng)爭(zhēng)卢操。PVD涂層沉積厚度通常小于5 mm企奔，而CVD涂層可能有20 mm厚。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)
一種燒結(jié)硬質(zhì)合金切削刀片就是一種針對(duì)某種特定應(yīng)用領(lǐng)域定制的基體與涂層的優(yōu)化組合遭唠，通常被看作是一種材質(zhì)等級(jí)颊姻。設(shè)計(jì)一種新的材質(zhì)等級(jí)就是要找到基體和涂層物理性能的最佳組合矫恳。最重要的特性是硬度與韌性刮赵，然而它們反過(guò)來(lái)與材料性能相互關(guān)聯(lián)旋圆。結(jié)果在刀具研發(fā)時(shí)灵巧，通常必然在耐磨性和韌性之間折中。在本文里瓤球，我們將通過(guò)一些新的途徑來(lái)克服這種窘境敏弃，例如耐磨性與韌性的結(jié)合麦到。本文將探討一種設(shè)計(jì)用于高速切削的耐磨材質(zhì)等級(jí)的研發(fā)拟赊。

以WC-Co基為基體的性能可通過(guò)Co含量蹲瘩、WC顆粒大小和立方碳化物相數(shù)量的變化來(lái)控制。應(yīng)用功能梯度的方法也是可行的：緊挨在涂層下面的基體創(chuàng)建富含Co的區(qū)域并同時(shí)耗盡硬的立方碳化物表層凌秩。使用這種方法浦砸，可獲得硬的基體核心而不犧牲切削刃的韌性毯旷。在耐磨應(yīng)用場(chǎng)合使用簇戳，通常要求抗塑性變形的基體與傳統(tǒng)的硬基體，通常還沒(méi)有使用功能梯度分布的基體呻纹。其不利點(diǎn)是在很多難加工材料里降低了韌性。

在傳統(tǒng)涂層里涝婉，不同的涂層材料根據(jù)普遍接受的磨損模型墩弯，創(chuàng)建多層結(jié)構(gòu)來(lái)組合與優(yōu)化渔工。內(nèi)部（中間）的涂層通常是基于保證良好的抗后刀面磨損及與硬質(zhì)合金基體之間有良好結(jié)合力的TiC-Ti(C,N)-TiN組合。最常用的中間層是Ti(C,N) 旺韭，而且今天它幾乎專門(mén)使用中溫化學(xué)氣相沉積（MTCVD）進(jìn)行沉積。 Al2O3傳統(tǒng)地使用在中間層的上面和绳，起降低前刀面月牙洼磨損的作用挺教，而且還作為熱障來(lái)使用。最后将遮，一層薄的TiN通常沉積在復(fù)合涂層的頂面，為了使刀具得到金黃色并有助于容易地察覺(jué)磨損祷愉。今天市場(chǎng)上大多數(shù)涂層是由Ti(C,N)、Al2O3與TiN組合構(gòu)成订讼。通常在Al2O3 上面僅覆蓋一薄層TiN寄纵。

氧化物困境
Al2O3 存在許多不穩(wěn)定同素異形體萤翔，諸如g檀丝、h、d、q笋条、c 和 k ，以及穩(wěn)定的 a-Al2O3相粤剧。所有這些改變緊接著將轉(zhuǎn)化到穩(wěn)定的a-Al2O3 相宝磨，例如在沉積過(guò)程中的熱處理懊烤、沉積后的熱處理與金屬切削過(guò)程中茸习。三種 Al2O3 相a-Al2O3逊汤、 k-Al2O3和g-Al2O3 能以某種受控的方式被CVD沉積。表1給出了這些相的特性殃玻。

應(yīng)用到工業(yè)范疇僅有的CVD相是a-Al2O3 和k-Al2O3。 g-Al2O3 還沒(méi)有作為降低磨損或摩擦涂層被商業(yè)化使用肆鸿，即使它最常見(jiàn)地被PVD Al2O3 相獲得。

表 1: 穩(wěn)定與不穩(wěn)定CVD Al2O3 相特性炒耀。

a-Al2O3
k-Al2O3
g-Al2O3

晶格體系
三方晶系
斜方晶系
立方晶系

空間組
R3c
Pna21
Fd3m

晶格參數(shù)(埃)
a=4.7587

c= 12.9929
a=4.8351

b=8.3109

c=8.9363
a=7.92

單元Al原子數(shù)
12
16
63/3

單元O原子數(shù)
18
24
32

Al-配位排列
八面體
75% 八面體

25% 四面體
?

很令人驚訝瞳聊，與不穩(wěn)定 k-Al2O3相比，穩(wěn)定的a-Al2O3 已被發(fā)現(xiàn)是工業(yè)應(yīng)用里最難的CVD沉積名密。這就是為什么所有CVD氧化鋁涂層里大約80%由 k-Al2O3構(gòu)成的理由了藏估。但是k-Al2O3 是一種不穩(wěn)定相，在沉積過(guò)程中失驶，還有在金屬切削過(guò)程中（尤其在高速下）砚婆，可能轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的a-Al2O3 相。在相變中碰到的體積收縮將降低并最終破壞k-Al2O3 層的粘著突勇。

市場(chǎng)上的很多商用a-Al2O3 涂層是在沉積過(guò)程中k ? a 相轉(zhuǎn)化的結(jié)果装盯。因此，這種涂層展現(xiàn)出熱裂紋并且是易碎的（圖2a）甲馋。僅僅是最近才發(fā)現(xiàn)埂奈，通過(guò)調(diào)節(jié)晶核表面的化學(xué)作用就可能完全控制并使a-Al2O3相成核。形成的涂層由細(xì)顆粒a-Al2O3 組成定躏，避免了轉(zhuǎn)化裂紋（圖2b）账磺。結(jié)果，圖2b顯示的結(jié)果與早先技術(shù)得到的a-Al2O3 以及目前的k-Al2O3 層相比痊远，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性垮抗。

經(jīng)典磨損模型以及傳統(tǒng)涂層設(shè)計(jì)是有疑問(wèn)的。舉例講，歸因于 Al2O3 的化學(xué)穩(wěn)定性高得達(dá)到鋼材的熔點(diǎn)冒版，Al2O3 的月牙洼磨損最不可能是一個(gè)受約束的擴(kuò)散過(guò)程翅剔。Al2O3 的月牙洼磨損實(shí)際上更是塑性變形的結(jié)果。因此侈敏，在很多鋼件加工時(shí)Ti(C,N)表現(xiàn)出比Al2O3 有更優(yōu)異的抗月牙洼磨損能力迟凫，而且可以預(yù)計(jì)表現(xiàn)出的抗后刀面磨損總是優(yōu)于Al2O3。由此嫩视，有需要根據(jù)下面的例子討論新的涂層設(shè)計(jì)夏岩。

圖3 表示了在同一基體上總厚度相等的兩種實(shí)驗(yàn)涂層，根據(jù)傳統(tǒng)方法考慮的把Al2O3 沉積到Ti(C,N)層的上面（圖3a）和在兩層Ti(C,N)層之間沉積Al2O3 （圖3b）豪荧。在后面的例子里Ti(C,N) 層保護(hù)Al2O3層避免月牙洼和后刀面磨損并允許完全利用Al2O3 的熱障特性矩粒。如圖4所示，這種新設(shè)計(jì)（圖4b）比傳統(tǒng)途徑出眾筑陡。尤其是抗后刀面磨損能力提高而且與傳統(tǒng)涂層設(shè)計(jì)相比数截，抗變形能力增加。根據(jù)新設(shè)計(jì)得到的涂層壽命超出傳統(tǒng)涂層約100%趾双。

新涂層概念
涂層結(jié)構(gòu)如圖5所示俗退。細(xì)顆粒a-Al2O3 層夾在兩層MTCVD Ti(C,N) 之間。最醒目的特點(diǎn)是一厚層Ti(C,N)涂在 a-Al2O3 層上面甜殖。最后满葛，一薄層TiN應(yīng)用于 Ti(C,N)涂層上面以察覺(jué)磨損。涂層的總厚度約為20 μm罢屈，并且具有設(shè)計(jì)用于高速切削的功能梯度分布基體嘀韧。
如圖5所示，緊接在涂層下面的富鈷區(qū)是相當(dāng)厚的缠捌，但是與可察覺(jué)磨損的尺寸大小相比锄贷，其厚度則是可忽略不計(jì)的。當(dāng)與很硬的基體組合在一起時(shí)曼月，抗塑性變形能力是不會(huì)下降的谊却。

驗(yàn)證設(shè)想
一些已經(jīng)完成的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)集中于用新的材質(zhì)等級(jí)設(shè)計(jì)與市場(chǎng)上的傳統(tǒng)涂層作比較哑芹。下面舉了三個(gè)有代表性的例子炎辨。它們包含了三種不同的鋼材、三種不同的加工（其中一種有冷卻聪姿，兩種干加工）碴萧。這些例子清楚地表明，與傳統(tǒng)涂層設(shè)計(jì)的產(chǎn)品相比末购，耐磨性提高了勤消。

例 1
第一個(gè)例子有關(guān)軸的外圓干式粗加工美丝。工件材料為硬度HB180的16MnCr5 。切削參數(shù)是：
切削速度vc = 430 m/min
進(jìn)給量 fn = 0.3 mm/r
切削深度ap = 1.5 mm

6. 光學(xué)顯微照相表明在車(chē)削 6.5分鐘后源糖，基于新設(shè)計(jì)刀片的切削刃磨損與兩種主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手傳統(tǒng)涂層設(shè)計(jì)并有相似基體的材質(zhì)等級(jí)的對(duì)照比較替塑。

例 2
第二個(gè)例子有關(guān)軸的外圓干式粗加工。工件材料為硬度HB240的42CrMo4椒蜜。切削參數(shù)是：

切削速度vc = 385 m/min
進(jìn)給量 fn = 0.4 mm/r
切削深度ap = 2.0 mm

光學(xué)顯微照相表明在車(chē)削3分鐘后，基于新設(shè)計(jì)刀片的切削刃磨損與兩種主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手傳統(tǒng)涂層設(shè)計(jì)并有相似基體的材質(zhì)等級(jí)的對(duì)照比較车榆。

例 3
第三個(gè)例子有關(guān)小軸承環(huán)外徑和端面的車(chē)削厌留。該試驗(yàn)加冷卻液。工件材料為HB=190 的100Cr6耙钉。切削參數(shù)是：

切削速度vc = 480 m/min
進(jìn)給量 fn = 0.23-0.73 mm/r
切削深度ap = 1.0 mm
光學(xué)顯微照相表明基于新設(shè)計(jì)刀片的切削刃磨損和最佳表現(xiàn)的基于傳統(tǒng)涂層設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手材質(zhì)等級(jí)囊像。

圖表表示了基于新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的以被加工零件數(shù)量衡量的預(yù)期刀具壽命以及后刀面磨損同最佳表現(xiàn)的基于傳統(tǒng)涂層設(shè)計(jì)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手材質(zhì)等級(jí)的對(duì)比。

技術(shù)支持信箱：techchina@secotools.com

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開(kāi)資料來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)卡竣，轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡(luò)分享禾门，并不代表本站贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，也不構(gòu)成任何其他建議蝴韭。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布够颠、編輯整理上傳，對(duì)此類作品本站僅提供交流平臺(tái)榄鉴，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)履磨。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片庆尘、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題剃诅，請(qǐng)第一時(shí)間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容驶忌，以保證您的權(quán)益矛辕！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。

涂層刀具金屬加工潤(rùn)滑機(jī)床刀片

舉報(bào)此信息